周純秀，崔洪海，張中麗，遲公樂，陳 爽

(1.大連海事大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116026；2.遼寧省近海橋隧工程重點實驗室(大連海事大學)，遼寧 大連 116026；3.吉林省交通規(guī)劃設計院，長春 130021)

鹽漬土指的是鹽土和堿土的統(tǒng)稱。公路工程中將地表以下1 m深度范圍內(nèi)的土層，當其易溶鹽的平均含量大于0.3%，具有溶陷、鹽脹等特性時，判定為鹽漬土[1]。近年來，由于氣候、水文、地質(zhì)、地貌和認為活動等因素影響，使得吉林省西部地區(qū)鹽漬土的分布不斷擴大，大大制約著工程基礎設施的建設。由于該地區(qū)鹽漬土陰離子以HCO3-占主導地位，陽離子以Na+為主，即易溶鹽中主要為碳酸氫鈉，從而使得該地區(qū)公路發(fā)生鹽脹、溶蝕、路面翻漿、邊坡流失和腐蝕等現(xiàn)象。因此，采用合理的碳酸鹽漬土改良措施尤為重要。

針對于碳酸鹽漬土主要集中在鹽漬土的影響因素及基本性質(zhì)的研究，文獻[8]認為土壤含鹽量隨深度增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，土體膨脹量和抗剪強度都與碳酸鹽漬土的含鹽量有密切關系；文獻[9]通過對碳酸鹽漬土物理力學性質(zhì)和含鹽特征進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽漬土在潮濕時的親水性、塑性、膨脹性、壓縮性都很大，穩(wěn)定性差。而對于碳酸鹽漬土工程性質(zhì)的改良還存在很大的研究空間，有部分學者采用石灰改良劑來改善碳酸鹽漬土的工程特性，其中文獻[10-14]認為石灰改良劑可以有效提高鹽漬土的抗剪強度和抗壓強度，水穩(wěn)定性增強，在凍融循環(huán)的條件下也能達到改善鹽漬土工程性質(zhì)的效果。本著工業(yè)廢棄物合理利用的原則，對于吉林省西部地區(qū)不同土層的碳酸鹽漬土，本文進行了不同配比的石灰、石灰和粉煤灰聯(lián)合改良碳酸鹽漬土的物理、強度試驗，探討了石灰、石灰和粉煤灰改良碳酸鹽漬土的合理配比，研究了不同土層碳酸鹽漬土改良后的物理、力學性能，從而為類似碳酸鹽漬土用于公路路基填料提供技術(shù)參考。

1 試驗材料性質(zhì)及試驗方案設計

1.1 試驗土樣性質(zhì)

試驗用土取自吉林省西部地區(qū)，為更好地進行不同土層土樣的研究，在取土過程中采用分層取土的方式，對K59+920路段的不同土層進行了一定的試驗研究。但由于土樣未能及時封存，使得試驗中的土樣均為重塑土。鹽漬土的基本性質(zhì)見表1。結(jié)合土的顆粒成分分類，該碳酸鹽漬土主要為粉質(zhì)黏土，含鹽量(質(zhì)量分數(shù))大于0.3%，其中粉粒含量越多毛細作用越強，土體的凍脹性也越強，從而不利于道路工程的應用。

表1 鹽漬土的基本性質(zhì)

1.2 改良材料的基本性質(zhì)

改良材料選取石灰和粉煤灰兩種無機材料。石灰是普遍的筑路材料，選自常見的生石灰，主要化學組成為氧化鈣，接觸到水時產(chǎn)生水解作用，形成的水解產(chǎn)物為氫氧化鈣，同時放出較多的熱。試驗所用粉煤灰的主要化學成分有SiO2、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3，其各化學成分含量分別在1.30%～65.80%、1.40%～16.80%、1.20%～3.70%、1.60%～6.20%、1.50%～40.10%之間，燒失量在1.60%～30.00%之間。

1.3 試驗方案及樣品制備

采用石灰、石灰+粉煤灰(簡稱二灰)兩種方案固化鹽漬土，因此在0～30 cm、30～80 cm、80～140 cm 3個土層中，單摻加石灰改良劑時，石灰摻量分別設為5%、9%、13%、17%；雙摻加石灰+粉煤灰(簡稱二灰)改良劑時，根據(jù)JTJ034—2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》，采用石灰與粉煤灰復合改良粉土類土質(zhì)時石灰與粉煤灰的摻合比確定為1∶2，二灰摻量分別設為3%、8%、13%、18%，本文采用了高摻量的同時改良劑采用外摻的形式進行添加，以研究碳酸鹽漬土在石灰和二灰摻量高的情況下物理力學性能變化情況，并得到石灰和二灰的最佳摻量值。通過界限含水率試驗得到碳酸鹽漬土改良后的液塑限指標，在此基礎上制備擊實試驗所需的試樣，在得到改良后的擊實試驗指標后，為研究改良后碳酸鹽漬土的強度變化，按照混合料的最優(yōu)含水率和最大干密度制樣。

試樣制備以二灰土為例先稱量600 g鹽漬土、一定比例石灰、粉煤灰和水，先將石灰與粉煤灰放入拌合盆內(nèi)順時針攪拌2 min使其均均分布。隨后加入鹽漬土中順時針拌合3 min使鹽漬土與石灰粉煤灰拌合均勻，最后將稱量好的蒸餾水加入混合料中順時針拌合5 min直到拌合盆底不在有干土粒為止，拌和均勻后放置密封袋內(nèi)靜置24 h，第2天再進行試樣的制備。此方法可以使試件中的水分均勻分布并充分與固化材料接觸反應。液塑限試驗中制備含水率不同的3個試樣，每個試樣的含水率要分別控制在液限、略大于塑限和二者的中間狀態(tài)，圓錐儀采用的質(zhì)量為100 g。擊實試驗中采用干土法制備含水率不同的5個試樣，根據(jù)路基工程要求選擇重型擊實試驗方法。三軸試驗中試件為圓柱體，直徑為39.1 mm，高為80 mm，按照壓實度在96%以上進行制樣，試樣用密封薄膜包裹在標準條件下進行養(yǎng)護，利用SLB-1型應力應變控制式三軸剪切試驗儀分別測定7 d和28 d齡期各組試樣的抗剪強度指標。

2 改良鹽漬土的工程特性分析

2.1 界限含水率指標變化

土的界限含水率是土體顆粒特性的宏觀表現(xiàn)，土體顆粒的界限含水率受粒度成分、礦物成分等因素影響。因此可通過研究不同改良劑摻量下界限含水率的變化規(guī)律，以便于更深入地了解改良土的改良機制。通過實驗發(fā)現(xiàn)摻入石灰和二灰后，土的塑性指標變化明顯，不同土層鹽漬土改良后的界限含水率變化見表2和表3。

表2 石灰改良土的界限含水率指標變化

表3 二灰改良土的界限含水率指標變化

兩種改良土的界限含水率相較素土有一定的變化，可以看出：1)石灰改良土和二灰改良土中，液限在第二、第三土層波動幅度不大，在第一土層中液限下降幅度較大；2)整體看來，塑限隨著石灰和二灰摻入比的增大而升高，塑性指數(shù)則隨著石灰和二灰摻入比的增加逐漸降低，二者呈現(xiàn)相反的趨勢。

研究表明，不同土層下改良鹽漬土的界限含水率變化不同，是由于吉林省西部地區(qū)在不同季節(jié)、不同深度土層鹽分含量不同，鈉離子含量、土分散性及黏粒含量不同[15]，使得改良鹽漬土的界限含水率在不同土層有所差別，由于第一土層含鹽量和黏粒含量較高，導致石灰與二灰改良土的土體顆粒表面親水基活性下降。隨著改良劑摻量的增加，由于改良劑與土體顆粒發(fā)生化學反應導致土粒比表面積減小，但土體此時毛細現(xiàn)象仍然比較明顯，加之土體與改良劑發(fā)生化學反應增強了毛細水彎液面力和土粒表面張力，在其作用下使得土體凝聚，從而表現(xiàn)出一種潛在的塑性特征[16]。

2.2 改良鹽漬土擊實特性分析

明確改良鹽漬土的擊實特性，為公路路基施工提供合理的技術(shù)指標，也更好地為抗剪強度試驗提供準確的試驗標準數(shù)據(jù)，結(jié)合界限含水率試驗得到的界限含水率指標對K59+920路段的不同土層和不同配比情況下的改良鹽漬土開展重型擊實試驗，試驗結(jié)果如圖1所示。

通過分析圖1改良土最優(yōu)含水率和最大干密度的變化趨勢可知：1)隨著石灰摻量的增加，鹽漬土樣變得不容易被擊實，最大干密度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，達到最大干密度的含水量則逐漸增大。研究[16]表明，相較于土顆粒，石灰顆粒對水分子具有更強的吸附作用，鹽漬土摻加石灰改良劑后，一部分自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水，為提高石灰改良土的可壓實性，此時需要大量的自由水起到潤滑的作用，因此石灰摻加量增大使得最優(yōu)含水率增大；石灰摻入鹽漬土中，土顆粒凝聚為團粒結(jié)構(gòu)，石灰改良土團粒結(jié)構(gòu)的可壓實性變差，最大干密度隨著石灰摻加量的增大會減小。2)隨著石灰+粉煤灰摻加量的不斷增大，鹽漬土的最大干密度逐漸減小，擊實后改良鹽漬土的最優(yōu)含水率明顯增大。通過分析二灰改良土的擊實變化趨勢可知，一方面石灰、粉煤灰顆粒對水分子具有明顯的吸附作用，另一方面石灰和粉煤灰發(fā)生化學反應時需要充足的水分，從而使其最優(yōu)含水率增大。由于石灰+粉煤灰摻加量的提高，在石灰水化反應生成的堿性環(huán)境中，粉煤灰受堿性激發(fā)其活性明顯增強，生成大量的膠凝性產(chǎn)物，使得土體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，二灰改良土的可壓實性降低，最大干密度隨著石灰+粉煤灰摻量的增加不斷減小。

(a) 石灰土最佳含水率

(c)二灰最佳含水率

(b) 石灰土最大干密度

(d)二灰最大干密度

3 改良鹽漬土的強度特征

3.1 改良鹽漬土不同圍壓下的應力-應變關系

在上述試驗的基礎上，選取鹽漬土含量較高的0～30 cm土層，養(yǎng)護齡期為28 d，具有代表性的石灰摻量為5%和二灰摻量為13%的改良土應力-應變曲線，如圖2所示。分析圖2可知，圖2(a)原樣土為顯著的塑性破壞，呈應變硬化型。圖2(b)、2(c)中改良土的破壞形式隨著摻加劑的加入由塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)化，應力-應變形式為應變軟化型[17]。對于應變軟化型土，圍壓越小，峰值越小且越明顯，由于在圍壓較低時土樣的側(cè)向壓力較小，當土樣破壞后在繼續(xù)增加的軸向壓力下會產(chǎn)生側(cè)向膨脹。

石灰改良土和二灰改良土的極限強度如圖3所示，對于改良劑摻量的增加，改良土的極限強度也出現(xiàn)不同的變化，并不是摻量越高極限強度越高，路基填土中應選取最合適的改良劑摻量。圖3(b)中二灰改良土相較于石灰改良土極限強度較高一些，說明二灰改良土中石灰對粉煤灰的活性激發(fā)更顯著，石灰和粉煤灰與鹽漬土生成的固化膠結(jié)物大大增加，形成的交織骨架更明顯，其對土顆粒產(chǎn)生的空間約束力越強，改良效果越明顯。

(a) 原樣土

(b) 5%石灰改良土

(c) 13%二灰改良土

不同圍壓下各摻量改良土的極限強度變化如圖3所示。由圖3可知，隨著圍壓的增大，圖2(a)原樣土的極限強度逐漸增加，但增長速度遠小于圖2(b)、2(c)改良土的增長速度，此時極限強度需要在更大的軸向變形下達到最大值。圖2(a)原樣土的偏應力均在0～5%的軸向應變下迅速增長，這一階段本文稱壓密階段，而后緩慢增長。圖2(b)、2(c)的改良土偏應力均在0～3%的軸向應變下迅速增長，而后緩慢增長。相比于原樣土，摻加改良劑后土樣的壓密階段縮短，使得土樣達到強度極限時產(chǎn)生的應變減小，鹽漬土的結(jié)構(gòu)性變強，抗變形性能增強[18]。

(b) 二灰改良土

3.2 改良鹽漬土的抗剪強度指標分析

改良后鹽漬土的內(nèi)摩擦角和黏聚力隨著摻量增加的變化如圖4所示，圖中也表示出隨著齡期增長，內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化。分析抗剪指標的變化趨勢可知：1)石灰改良土中，隨著摻灰量的增加內(nèi)摩擦角先增大后減小，峰值點位于石灰摻量為5%時，而石灰摻量過高時又有所上升，但遠小于5%石灰摻量；2)二灰改良土中，隨著摻灰量的增加，內(nèi)摩擦角逐漸增大，但摻灰量過高時，增長速率變得緩慢；3)隨著齡期的增長，石灰改良土的內(nèi)摩擦角有所下降，但二灰改良土的內(nèi)摩擦角隨著齡期的增長而增長。

(a) 石灰改良土

(b) 二灰改良土

分析圖5改良土的黏聚力變化趨勢可知：1)石灰改良土中，隨著摻灰量的增加黏聚力先增大后減小，峰值點位于石灰摻量為5%時，而石灰摻量過高時又有所上升，但遠小于5%石灰摻量時；2)二灰改良土中，隨著摻灰量的增加，黏聚力先增大后減小，0～30 cm土層黏聚力峰值點位于二灰摻量為13%時，30～80 cm和80～140 cm土層黏聚力峰值點在二灰摻量為8%時，不同土層的含鹽量不同，針對不同土層的土，需要采用合理的二灰摻量進行路基填筑；3)隨著齡期的增長，石灰改良土和二灰改良土的黏聚力都呈現(xiàn)增大的現(xiàn)象，且二者黏聚力的提升相差不大。

(a) 石灰改良土

(b) 二灰改良土

究其原因，文獻[13]認為石灰的摻入使得產(chǎn)生一定的膠體包裹土顆粒，從而形成更大粒徑的團粒，土顆粒之間的粗糙程度加大，內(nèi)摩擦角逐漸增大。石灰摻量為17%時，內(nèi)摩擦角雖略有上升，但相較于5%石灰摻量仍有減小，這是因為多余的石灰顆粒會填充在土顆粒間的空隙里，從而減小摩擦，使得內(nèi)摩擦角減小。黏聚力也因為石灰僅填充在土顆粒中無法起到改良的作用，使得其呈下降趨勢。隨著齡期的增長，前期改良土中離子交換作用完成后，后期的硬化作用和碳化作用比較緩慢，加之土體中的易溶鹽溶解在水中，使得土中顆粒物減少，土顆粒表面摩擦力減小，內(nèi)摩擦角也隨之變小。但由于膠體的生成使得土顆粒更加牢固地連結(jié)在一起，使得黏聚力增加，抗剪強度提高。文獻[19]研究表明二灰改良土中，隨著齡期的增長，堿性環(huán)境中粉煤灰玻璃體與可溶性溶液發(fā)生硅酸化反應，稱為硅酸鹽和硅酸鹽晶體，這些結(jié)晶體形成了二灰改良鹽漬土中的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，土體結(jié)構(gòu)緊密，其摩擦角越大，二灰改良土隨齡期的增加結(jié)晶凝膠體逐漸脫水而形成固體板結(jié)，黏聚力增加從而提高了改良土的強度。

4 改良鹽漬土的壓縮特性

分析圖6改良鹽漬土的壓縮系數(shù)的變化趨勢可知：1)石灰改良土和二灰改良土均由中壓縮性土轉(zhuǎn)為低壓縮性土，即土的壓縮性降低，壓縮效果得到了很好的改善；2)石灰摻量在5%時，壓縮系數(shù)最低，二灰改良土由于不同土層含鹽量的不同，使得0～30 cm土層中摻量為13%時，30～80 cm與80～140 cm土層中摻量為8%時壓縮系數(shù)最低；3)改良劑一定的情況下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，改良鹽漬土的壓縮系數(shù)大大減小。

(a)石灰改良土

(b) 二灰改良土

由于改良劑與土顆粒之間發(fā)生一系列的反應[20]，生成的膠結(jié)物包裹著土顆粒，使得顆粒之間聚攏、鑲嵌幅度增大，造成大孔隙逐漸被分裂，形成數(shù)量較多的小孔隙，排列更加緊密，土體也變得更加密實，從而使得土體壓縮性降低。但改良劑摻量過高時，改良土的變形量會有所增加，因為當改良劑含量過多時，石灰、石灰+粉煤灰不會參與反應，反而自身產(chǎn)生結(jié)晶體，由于這些結(jié)晶體的孔隙較大，所以使得改良土極易產(chǎn)生壓縮變形，故在實際使用過程中應采用合理的改良劑摻量；在改良劑一定的情況下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，改良鹽漬土的變形量大大減小。隨著齡期增加，改良劑與土顆粒中的物質(zhì)反應逐漸充分，生成的膠結(jié)物逐漸由凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)向晶體狀態(tài)，使得改良土體內(nèi)部的孔隙減小，壓縮量降低，石灰+粉煤灰改良后土體的壓縮性能達到石灰改良土的良好壓縮性能，說明粉煤灰的摻入對改良鹽漬土的壓縮性起到了一定的作用。

5 結(jié) 論

1)改良后的碳酸鹽漬土界限含水率指標符合路基設計規(guī)范的要求，其最優(yōu)含水率逐漸增大且變化明顯，石灰土最優(yōu)含水率最大增幅為24.01%，二灰土最優(yōu)含水率增幅為20.81%，最大干密度變化逐漸減小，石灰土最大干密度下降了13.40%，二灰土最大干密度下降了7.22%。改良碳酸鹽漬土由塑性破壞轉(zhuǎn)向脆性破壞，伴隨著圍壓增大，其極限破壞強度不斷增大，相較于原土，石灰土極限強度增幅7倍而二灰土極限強度增幅7.6倍。說明在實際施工過程中不能盲目地增大改良劑摻量，合理的改良劑摻量使得改良鹽漬土的結(jié)構(gòu)性變強，抗變形性能增強，極限強度達到最大，工程使用效果明顯提高。

2)在使用石灰改良土時，任意土層均在石灰摻量5%時，抗剪強度、黏聚力得到大幅提升，因此單摻石灰時最優(yōu)摻量為5%。使用二灰土時二灰摻量在第一土層為13%，在第二、第三土層為8%時，改良土的抗剪強度較原樣土有很大提升，隨著齡期的增長，抗剪強度也不斷提高，說明石灰和二灰作為改良劑能很好地改善鹽漬土的強度。二灰改良土與石灰改良土抗剪強度相差較小，合理運用粉煤灰改良鹽漬土，在工程中可以起到經(jīng)濟環(huán)保的作用。二灰改良土在不同土層所需劑量也不同，說明不同土層含鹽量對改良劑的摻量有一定影響，在路基填筑時需要合理使用。

3)改良碳酸鹽漬土隨著養(yǎng)護齡期的增加壓縮性降低，石灰土最大下降82.6%，二灰土最大下降66.1%，當使用最優(yōu)摻量時改良土均為低壓縮性土。合理的改良劑摻量使得改良土壓縮性達到最優(yōu)，有利于減小由于土體壓縮變形引起的路基沉降。

4)石灰改良土與二灰改良土的強度形成機理具有相同之處，主要依靠改良后土顆粒團聚形成大團粒起到骨架作用和石灰粉煤灰產(chǎn)生膠凝性水化產(chǎn)物起到填充作用。其中粉煤灰含有充足的活性物質(zhì)即SiO2與Al2O3，在石灰堿激發(fā)作用下生成大量的水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，從而具有較高的強度與穩(wěn)定性。與石灰土相比，二灰土的強度形成更多依賴于火山灰反應。粉煤灰表面能很低，難溶于水導致二灰土的強度在前期不高，但隨著養(yǎng)護齡期的增加二灰土強度的增幅不斷增大。