石灰改良黄土性能的试验研究及工程应用

卫 洁

(山西路桥第二工程有限公司，山西 临汾 041000)

1 引 言

黄土在我国西北部地区广泛分布，由于黄土自身特殊的湿陷特性，对路基稳定性产生严重的影响。为了保证工程质量，在应用中需分析合适的施工方案改良黄土湿陷性。在对黄土工程特性的改良上，国内已有很多成功的案例，在铁路路基施工上使用石灰改良黄土是早有先例，马幸发现随着石灰掺量的增加石灰土的抗剪强度逐渐增大，胡大林研究了石灰土的动力特性及其应用。相关研究表明，在水的作用下，石灰与黄土发生两种主要形式的物理化学反应，在前期主要表现为与黄土发生离子交换反应，在后期表现为发生火山灰反应，土的板体性和稳定性得到提高。在工地现场，中心试验室对石灰的统一掺量一般选择为8%～10%，不过对具体掺量和掺量影响没有太多介绍。基于此，本文对石灰改性黄土(后称石灰土)的石灰最佳掺量进行性能研究，以工程当地黄土为基础，开展不同掺量石灰土的性能研究，并将结果应用于实际工程中，指导工地现场石灰土的路基施工。

2 材料和试验方案

2.1 黄土特性

黄土取自山西长临高速K92+300工地现场，所取土样以粉土为主，褐黄色色泽，孔隙大，较干燥。测得土样的物理参数见表1。

表1 黄土土样的物理参数

2.2 石灰特性

所用生石灰由技术参数其第三方检测机构检测合格，满足钙质石灰的技术标准，使用前过5 mm样筛。

2.3 试验方案

对黄土进行粉碎处理，以利于与石灰混合搅拌均匀。在黄土中分别加入2%、4%、6%、8%质量比的生石灰，制成标准试件。通过击实试验得到各组试件的最大干密度和最佳含水率，各试验见表2。在以上条件下分别进行土体的无侧限抗压强度、回弹模量、压缩固结等试验的性能分析。

表2 石灰土的最大干密度和最佳含水率

3 试验结果与分析

3.1 无侧限抗压强度

按规范要求制备39.1 mm×80 mm的标准试件，分别测量试件不同龄期下的无侧限抗压强度，结果见表3。

表3 石灰土的无侧限抗压强度

可以看出，各组试件的无侧限抗压强度随着龄期的增长在渐渐提高，在28 d时，其强度是初始强度的2倍以上。这种强度提升主要是石灰的加入，所得到的改性土在水分与二氧化碳的参与下会发生一系列离子凝胶结团反应、火山灰凝胶团聚反应和碳酸化反应，土体微晶结构不断增加，造成石灰土强度的逐渐提升。这种强度提升过程总体上变现出先快后慢，后期强度提升反应时间较长。素土抗压强度为317.3 KPa，不同掺灰比石灰土的强度提升在同一龄期时增长幅度相对较小，高掺灰比无侧限抗压强度的提升效果在逐渐降低。考虑到工程经济性，最佳掺灰比应控制在4%以上。

3.2 回弹模量

采用承载板法测定各掺灰比石灰土的回弹变形，计算得到各掺灰比石灰土的回弹变形E0，表4为试验结果，同时对试验结果做图1。可以看出，素土的回弹模量较低，石灰土的回弹模量在石灰掺量4%之前大幅提升，6%、8%掺灰比石灰土的弹性模量递增态势不足5%，说明石灰对石灰土回弹模量的提高效果显著，在低掺量时即可起到强度提升的效果。在掺灰比4%～6%时，石灰土回弹模量的提升幅度最大。

表4 石灰土的回弹模量

图1 回弹模量与掺灰比的关系

3.3 压缩固结

使用快速固结法测定石灰土的压缩性能。在快速固结法中饱和土的压缩系数越大则土越容易被压缩。试验中土样的孔隙比e和压力p组成的e-p曲线斜率为压缩模量。压缩模量越大，土的压缩性越差。在95%压实度下，对养护7d的各掺灰比石灰土的压缩系数和压缩模量进行测试，试验结果见图2。素土的压缩系数最大，石灰改良土的压缩系数均低于素土，掺灰比4%时，石灰土的压缩系数最低，石灰土达到最不易被压缩的状态。石灰土压缩模量的变化趋势与压缩系数呈相反的状态，在掺灰比4%时，压缩模量为22.7 MPa，土的固结状态最好。

图2 石灰土的压缩系数和压缩模量

4 工程应用

4.1 工程概况

结合工地试验室确定的试验数据，在4%～6%掺灰量时开展工程应用，考虑到工地现场石灰用量不易精准控制，减少石灰用量过小石灰土强度不够，现场确定选用推荐掺量上限6%进行工程验证，在工地现场选取K92+230-K97+200作为工程试验段。采用的石灰材料技术指标满足规范要求。现场采用路拌法，尽量保证洒水和拌和的均一性，整形碾压平整。为保证路拌法掺灰比满足设计要求，在石灰放样时尽量控制好堆放间距，沿路线方向均匀堆放。

4.2 现场压实度检测

在K94+300～K94+900路段采用环刀法进行石灰土的压实度测试，现场各桩号的测点中压实度最高可达99%，平均压实度达97%，该试验段压实度符合现场施工要求。

图3 工地现场取样

4.3 弯沉检测

完成铺筑后在K96+310、K97+030横断面采用贝克曼梁测定路基的弯沉值，按照质量评定标准开展测试，测试结果见表5，测试结果满足评定要求。

表5 现场弯沉测量值

4.4 回弹模量检测

对试验路K96+310、K97+030横断面进行不同龄期的回弹模量检测，检测结果见表6。石灰土的回弹模量在7 d时为52.7 MPa和54.1 MPa，28 d时为78.8 MPa和84.3 MPa，石灰土的回弹模量递增随龄期增长较为平稳，石灰土的回弹模量满足施工要求。

表6 现场回弹模量检测结果

5 小 结

石灰加入黄土后，由于石灰与黄土发生火山灰反应等物理化学变化，石灰土的物理性质得到有效提高。在掺灰比为6%时，石灰土的回弹模量提升最为显著，且该掺量下石灰土的压缩系数最低，石灰土达到最不易被压缩的状态。以掺灰比6%进行实体工程验证，根据现场压实度、弯沉值和回弹模量的跟踪试验检测结果，验证了该掺量石灰土能较好改善黄土的工作性能，满足工程需求。