石灰改性膨脹土凍融循環的強度效應研究

唐東旗，姚秀芳，王曉崗，趙凱峰

(許昌學院 土木工程學院，河南 許昌 461000)

由于膨脹土體中含有大量親水性物質，造成土體易吸水膨脹失水收縮的性質，因此對膨脹土進行工程性質改良成為膨脹土地區進行工程施工的主要問題.邱翱博[1]、吳燕開[2-3]、鎖文韜[4]、宗佳敏[5]等分別利用粉砂、水泥、鋼渣粉和NaOH、石灰、廢舊輪胎顆粒對膨脹土進行了改良，并測試了其在凍融循環下的物理力學特性；李自靈等[6]分析了凍融循環作用對試樣抗剪強度指標和抗剪強度的影響；現有文獻對常用的摻和劑石灰在凍融效應下對豫北弱膨脹土工程性質的研究影響鮮有提及，以黃河以北太行山東麓廣泛分布的弱膨脹土為研究對象，利用不同石灰配合比、不同循環凍融次數來對改性膨脹土進行研究，結果將為該地區工程施工提供科學依據.

1 研究區基本特征

本次實驗所用的土樣取土地點位于河南省鶴壁市鶴山區S221省道路邊，該區域屬于太行山東麓丘陵地帶，土體呈顏色呈灰白色，含少量砂粒、礫石及卵石等，含水量低，質地堅硬.該區域膨脹土在公路工程中應用較為普遍，受到膨脹土的影響，多處路基、橋涵、邊坡遭到破壞.

土樣基本物理力學參數如表1所示.

表1 膨脹土基本物理參數

2 試驗方案

本次試驗采用的重塑土樣進行.將膨脹土中分別加入經過消化后的石灰，石灰和膨脹土的配合比分別為0、1%、3%、5%、7%.初始含水量配制為20%，之后將充分拌合好，經過靜置24小時以上的土樣進行靜壓制樣，所制樣的規格為高20 mm，直徑61.8 mm.

利用高低溫凍融試驗箱開展凍融循環試驗，每12個小時為一個循環，控制溫度為15 ℃，凍融循環次數分別為0次、1次、4次、7次、10次，達到循環次數后利用應變控制式直剪儀開展直接快速剪切試驗，根據公路土工試驗規程[7]要求，轉速為2轉/min，法向荷載施加分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa.

3 試驗結果分析

3.1 不同配合比對抗剪強度的影響

圖1a、圖2c、圖3e表示凍融循環次數一定，法向應力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa時，抗剪強度前期增加變化曲率較大，達到7次后，增速變緩.隨法向應力的逐漸增加，曲線的斜率也逐漸增加.在第一次循環凍融時抗剪強度有小幅度上升，說明新壓制的試樣經過一個凍融循環周期，土、灰顆粒之間形成了初始的團聚體，并且第一次凍融循環并沒有實質性破壞顆粒之間形成的連接，造成粘聚力有一定程度的增大，之后隨凍融循環次數的增加，石灰含量越高，強度增加速率降低，在第10次凍融循環時甚至出現了強度降低的現象，這也表明在膨脹土中添加石灰含量不會是越多越好.

在圖1b、圖2d、圖3f中表示在法向應力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa，石灰含量一定時，抗剪強度隨凍融循環次數的變化關系，從整體來看，其表現為未凍融時，隨石灰含量的增加，抗剪強度逐漸增加的.在法向應力為100 kPa時，石灰含量為7%的土樣強度降低速率最快.當法向應力達到200 kPa和300 kPa時，石灰含量為3%的抗剪強度曲線出現異常，前期強度降低過快后期和強度衰減速率和石灰含量0、1%時土樣一致，并且法向應力越大前期衰減越快.法向應力為200 kPa和300 kPa時，石灰含量為0、1%、3%凍融循環次數達到10次及以上時，結果趨于一致；石灰含量為5%和7%時，隨法向應力增加，其變化曲線斜率越小，也表明土體上覆壓力越大，凍融對其強度的影響越小.

a 凍融循環次數一定時 b 石灰含量一定時圖1 法向應力為100 kPa時抗剪強度與石灰含量、凍融循環次數關系

c 凍融循環次數一定時 d 石灰含量一定時圖2 法向應力為200 kPa時抗剪強度與石灰含量、凍融循環次數關系

e 凍融循環次數一定時 f 石灰含量一定時圖3 法向應力為300 kPa時抗剪強度與石灰含量、凍融循環次數關系

3.2 不同配合比對內摩擦角的影響

圖4所示為不同石灰、膨脹土配合比時內摩擦角隨凍融循環次數的變化關系，在石灰含量分別為0和1%時，內摩擦角隨凍融循環次數的增加而逐漸降低，0石灰含量時的降低速率為31.6%，1%石灰含量的降低速率為19.4%，兩者的變化關系曲線比較接近；石灰含量為3%時，內摩擦角在初次凍融循環后產生急速下降，后期隨著凍融循環次數的增加，變化趨勢趨于平緩；石灰含量在5%時，內摩擦角降低率為8.79%，石灰含量為7%時，內摩擦角增加變化率為8.18%.圖5所示為在不同凍融循環次數下內摩擦角隨石灰含量的變化關系.

圖4 不同石灰土配合比時內摩擦角隨凍融循環次數的變化關系

圖5 在不同凍融循環次數下內摩擦角隨石灰含量的變化關系

在石灰含量小于3%時，隨凍融循環次數的增加，石灰含量越高，內摩擦角越大，其內摩擦角大小較為接近；石灰含量在3%～5%時，內摩擦角得到急劇增加，之后隨石灰含量增加內摩擦角變化量減小.

3.3 不同配合比對粘聚力的影響

圖6不同石灰膨脹土配合比下粘聚力隨凍融循環次數的變化關系曲線，從圖中可以看出，不含石灰時，膨脹土的粘聚力較小，在石灰含量為1%～5%之間時，整體表現為先增加后減小，粘聚力有所增加，說明在凍融初始時期石灰和膨脹土的結合體沒有被破壞，但隨凍融循環次數的增加，石灰含量越大，粘聚力降低明顯，說明凍融對石灰和膨脹土的結合有明顯的破壞作用.總體來看，石灰含量一定時，粘聚力隨凍融循環次數的增加而逐漸降低.圖7表示為不同凍融循環次數下粘聚力在隨石灰含量的增加時的變化規律.從圖7中可以看出，凍融循環次數一定時，在未凍融時粘聚力隨石灰含量增加呈現為先增加后減小再增加的變化趨勢.當凍融次數為第1次時，粘聚力表現為石灰含量達到3%前逐漸增加，然后在隨石灰含量5%時，粘聚力降低，7%時又急劇增加.凍融次數第4、7、10次時，粘聚力在石灰含量為1%有所降低，之后在石灰含量為3%時各含量粘聚力均有所恢復，表現為增加，之后隨石灰含量繼續增加，第7、10次凍融循環表現為整體衰減.總體來看，經過凍融循環之后，粘聚力大小在不同石灰含量時有起伏，總體變現為在石灰含量為3%時粘聚力達到最大值.

圖6 不同石灰膨脹土配合比下粘聚力隨凍融循環次數的變化關系

圖7 粘聚力在不同凍融循環次數下隨石灰含量增加的變化關系

4 結語

膨脹土中的硅鋁等元素易與石灰產生化學反應，產生膠體物質，能有效提升膨脹土的抗剪強度.北方冬季氣溫溫差大，處于季節性凍融區，因此加入石灰的膨脹土經過凍結作用，水分向表面溫度優先變低的區域產生遷移，從而造成局部水分過于集中，水凍結之后，體積增加，易破壞已經產生膠結的土體，從而造成土體強度弱化.通過上述試驗，得到如下幾點結論.

(1)在上覆壓力一定下，石灰含量越高，抗剪強度越大，隨凍融循環次數的增加，抗剪強度變化率越小.

(2)石灰含量越高，抗剪強度指標內摩擦角越大，受凍融循環次數的影響越小，在相同的凍融循環次數下，石灰含量越高，內摩擦角越大.

(3)石灰含量越高，粘聚力受凍融次數的影響越大，隨凍融循環次數的增加，粘聚力的變化范圍越小.在相同凍融循環次數下，隨石灰含量增加，粘聚力變化前期呈波浪變化.