高夢(mèng)娜，王 旭, ，李建東，張延杰，蔣代軍

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2. 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070)

我國(guó)西部地區(qū)分布著大面積低含水量、高孔隙度和碳酸鹽含量的黃土，在路基工程建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)沉陷變形、沖蝕和滑坡等災(zāi)害。黃土是一種較差的路基填料，在高速鐵路及公路路基建設(shè)中不能被直接使用，需要進(jìn)行合理的改良。Tabarsa等[1-2]在黃土中添加納米黏土和蔗渣灰渣等，通過(guò)微觀、化學(xué)分析技術(shù)及強(qiáng)度試驗(yàn)，證實(shí)了可增強(qiáng)試件的塑性、強(qiáng)度和剛度特性。Latifi等[3-5]通過(guò)擊實(shí)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)及微觀技術(shù)，研究了紅土與固化劑（TX-85、SH-85）、黃原膠與膨脹土這兩種改良土的改良特性和固化機(jī)理。Onyejekwe等[6-8]在土壤中添加磺化油、聚合物固化劑及離子固化劑等，研究了其對(duì)土壤各種特性的影響及固化機(jī)制。我國(guó)科研人員對(duì)粉煤灰、HEC固化劑、水泥、工業(yè)廢棄木質(zhì)素、硅微粉、乙酸等材料的加固機(jī)理和改良土強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)特性做了大量的研究[9-16]。

膨潤(rùn)土具有吸水膨脹的特性，可用以改良粒徑和改善孔隙結(jié)構(gòu)，石灰具有良好的膠凝作用，若利用膨潤(rùn)土和石灰同時(shí)對(duì)黃土進(jìn)行改良，有望從連接強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)兩方面提高黃土強(qiáng)度。鑒于此，本文對(duì)不同齡期、不同膨潤(rùn)土-石灰摻量的改良黃土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、核磁共振試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡試驗(yàn)，研究摻量及齡期對(duì)改良黃土強(qiáng)度的影響，為實(shí)際工程應(yīng)用提供新思路。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

試驗(yàn)所用黃土取自甘肅省蘭州新區(qū)，土樣基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。利用水分法測(cè)得黃土顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土中蒙脫石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%～95%，具有顯著吸水膨脹的性質(zhì)。試驗(yàn)所用石灰為熟石灰，干燥且活性強(qiáng)，鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為95%。

圖1 黃土顆粒級(jí)配曲線Fig. 1 Loess grain gradation curve

表1 黃土試樣基本物理性質(zhì)Tab. 1 Basic physical properties of loess soil samples

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，膨潤(rùn)土和石灰的摻入質(zhì)量分別為改良土總質(zhì)量的3%、5%和7%。將天然黃土風(fēng)干后過(guò)篩，與稱取的膨潤(rùn)土和黃土攪拌均勻后，進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得不同配比的改良土的最優(yōu)含水率及最大干密度。然后取相應(yīng)配比的膨潤(rùn)土石灰與土樣，加水至最優(yōu)含水率并攪拌均勻，采用液壓千斤頂按95%壓實(shí)度和不同的最大干密度制備直徑39.1 mm、高84 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，用保鮮膜包緊置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，到達(dá)養(yǎng)護(hù)齡期7、14、28 d后對(duì)不同摻量的改良土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與核磁共振試驗(yàn)。具體試驗(yàn)工況及基本物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)工況Tab. 2 Test conditions

試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]在三軸壓力機(jī)上進(jìn)行，當(dāng)量力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值并開(kāi)始下降時(shí)停止，記錄軸向位移，通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，峰值即為試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

先將達(dá)到齡期的改良土試樣進(jìn)行真空飽和試驗(yàn)，為盡量避免膨潤(rùn)土和石灰與水的進(jìn)一步反應(yīng)而影響孔隙結(jié)構(gòu)，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的乙醇作為飽和液體；然后通過(guò)蘇州紐邁分析儀器公司生產(chǎn)的MacroMR12-150H-I多功能核磁共振微結(jié)構(gòu)分析與成像系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行核磁共振分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 膨潤(rùn)土和石灰摻量的影響對(duì)不同齡期和摻量的改良黃土開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，繪制改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，不同摻量下改良黃土的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大先增大后減小，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并且超過(guò)峰值點(diǎn)后試件就發(fā)生破壞。不同膨潤(rùn)土-石灰摻量的改良黃土試件在彈性階段的斜率都要大于素土的斜率，且峰值均在素土之上，這說(shuō)明膨潤(rùn)土和石灰能有效改善黃土的力學(xué)性能。

圖2 膨潤(rùn)土及石灰改良黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves of bentonite and lime modified loess

通過(guò)試驗(yàn)獲得不同膨潤(rùn)土-石灰摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期下的改良黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從圖3可以看出，相同齡期下控制其中一個(gè)摻量，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著另一摻量的增加先增大后減小，即在膨潤(rùn)土和石灰摻量均為5%時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，其平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是素黃土的4.01倍。

圖3 膨潤(rùn)土-石灰摻量與黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig. 3 Relationship between bentonite and lime content and unconfined loess compressive strength

在膨潤(rùn)土-石灰摻量為3%+3%、3%+7%、5%+3%和7%+3%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有顯著增大，主要原因是石灰的碳化作用需要Ca(OH)2、CO2和水，當(dāng)膨潤(rùn)土-石灰摻量為3%+3%時(shí)，兩者摻量均較少，土體中水未被反應(yīng)完全，膨潤(rùn)土的親水作用由于摻量少未發(fā)揮出來(lái)，導(dǎo)致多余的水分留在土顆粒之間成為自由水影響改良土的強(qiáng)度；當(dāng)膨潤(rùn)土-石灰摻量為3%+7%時(shí)，土體中可供碳化反應(yīng)的CO2和自由水不足，Ca(OH)2粉末未充分反應(yīng)生成CaCO3晶體增強(qiáng)土體的連接強(qiáng)度，且多余的石灰未和土顆粒連成整體導(dǎo)致土體強(qiáng)度分布不均；當(dāng)膨潤(rùn)土-石灰摻量為5%+3%和7%+3%時(shí)，一方面因?yàn)槭覔搅可俜磻?yīng)不完全，另一方面則因?yàn)榕驖?rùn)土的吸水膨脹導(dǎo)致孔隙中CO2被排出土體之外及自由水含量被消耗，使改良土強(qiáng)度未顯著提高[18]。

圖4為養(yǎng)護(hù)齡期14 d，不同膨潤(rùn)土和石灰分別對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從圖4可看出，任一摻量改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于素土，且相同膨潤(rùn)土或石灰摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度總表現(xiàn)為先增大后減小。膨潤(rùn)土和石灰摻量均在5%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在另一種物質(zhì)摻量變化下出現(xiàn)明顯的先增大后減小現(xiàn)象。且已有研究[19]表明，不同改良劑對(duì)土體的改良作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是改善土體不良的孔隙結(jié)構(gòu)，盡可能地填充土體內(nèi)部的孔隙，使土體的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)；另一方面是在土體中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膠結(jié)物質(zhì)將土顆粒之間連接起來(lái)，有效增強(qiáng)土顆粒之間的連接強(qiáng)度[20]。當(dāng)膨潤(rùn)土-石灰摻量較少時(shí)，土體中的孔隙不能被膨潤(rùn)土填滿，較少的石灰也無(wú)法有效增強(qiáng)土體的連接強(qiáng)度，導(dǎo)致改良效果并不顯著。但當(dāng)兩者摻量過(guò)高時(shí)，吸水膨脹后的膨潤(rùn)土確實(shí)較好地填充了土顆粒之間的孔隙，但多余的膨潤(rùn)土吸水膨脹導(dǎo)致土體內(nèi)部發(fā)生細(xì)微開(kāi)裂，再加上未與土顆粒反應(yīng)完全的石灰代替了土顆粒的位置，生成的膠結(jié)性物質(zhì)碳酸鈣留存在土體內(nèi)部，以及與水未反應(yīng)的石灰完全以粉質(zhì)狀態(tài)殘留在土顆粒之間，使土體局部強(qiáng)度分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致改良土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的降低。

圖4 齡期14 d膨潤(rùn)土和石灰摻量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig. 4 Relationship between bentonite and lime content at 14 d and unconfined compressive strength

2.1.2 養(yǎng)護(hù)齡期的影響試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期（7、14、28 d）試件的測(cè)試，圖5為養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響曲線。

從圖5可以看出，當(dāng)膨潤(rùn)土和石灰摻量不變時(shí)，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，但斜率都是先大后小，這說(shuō)明時(shí)間越長(zhǎng)提升效果越不明顯。

圖5 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 5 Influence of curing age on unconfined compressive strength of improved soil

2.2 核磁共振（NRM）試驗(yàn)

以養(yǎng)護(hù)齡期為14 d的改良黃土核磁共振結(jié)果為例，表3為不同摻量的改良黃土孔隙度，摻量均為0時(shí)孔隙度最大，膨潤(rùn)土-石灰摻量為5%+5%時(shí)孔隙度最小，較素土的孔隙度相比減少13.5%。表4為不同摻量改良黃土最大孔隙值及其占比。

表3 不同膨潤(rùn)土-石灰摻量的孔隙度Tab. 3 Porosity of different bentonite and lime contents

表4 最大孔隙值及占比Tab. 4 Maximum pore value and proportion

圖6為NRM試驗(yàn)中得到的不同膨潤(rùn)土-石灰摻量下的改良黃土試樣孔隙體積分布曲線。從圖6可以看出，試樣孔隙分布主要有兩個(gè)峰值，峰值越大表明其對(duì)應(yīng)的孔徑孔隙體積比所占比例越大，孔徑分布就越集中，反之亦然。膨潤(rùn)土-石灰5%+5%摻量的兩個(gè)峰值均最小，較大孔隙分布最均勻；素土和膨潤(rùn)土-石灰3%+3%摻量的兩個(gè)峰值都較高，孔徑分布較集中，這說(shuō)明膨潤(rùn)土-石灰3%+3%摻量的改良效果最不明顯?？紫蹲兓畲蟮氖切】紫?，原因在于：（1）小孔隙占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)中孔隙和大孔隙（圖7（a）），因此變化也更明顯；（2）膨潤(rùn)土和石灰本身質(zhì)量占比少且粉質(zhì)細(xì)膩，又分散在黃土顆粒的孔隙之間，遇水后膨脹凝結(jié)，對(duì)小孔隙影響較大。

圖6 改良黃土孔隙分布Fig. 6 Porosity distribution of improved loess

采用核磁共振測(cè)試土體孔隙中的氫原子時(shí)，可以按照孔徑大致分為3類孔隙[20]：小孔隙（d＜0.4 μm），中孔隙（0.4 μm≤d＜4.0 μm），大孔隙（d≥4.0 μm）。如圖7（a）所示，試樣中的小孔隙占比最大，其次是中孔隙、大孔隙。小孔隙體積比從摻量0+0開(kāi)始依次減小，到5%+5%時(shí)孔隙體積比達(dá)到最小，隨后又依次增大；中孔隙各個(gè)摻量體積比變化并不明顯；摻量為0時(shí)大孔隙體積比明顯最大，其余膨潤(rùn)土-石灰摻量除3%+3%和3%+5%，剩下的大孔隙占比非常小。

綜上，膨潤(rùn)土和石灰摻量為5%+5%時(shí)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的改良效果最明顯， 故以膨潤(rùn)土摻量為5%的試樣結(jié)果為例，其孔隙體積分布如圖7（b）所示。從圖7（b）可以看出，大孔隙的體積比幾乎都可以忽略不計(jì)。因此，膨潤(rùn)土摻量為5%時(shí)能夠有效填充土體中的大孔隙。

圖7 孔隙體積分布Fig. 7 Pore volume distribution

3 掃描電鏡微觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果分析

為研究不同摻量對(duì)改良黃土特性的影響，采用日本電子光學(xué)公司生產(chǎn)的JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡觀測(cè)了養(yǎng)護(hù)齡期為14 d的改良黃土及素土微結(jié)構(gòu)特征。由于篇幅限制，為突出各摻量之間的明顯差異，此處只對(duì)比素土和膨潤(rùn)土-石灰摻量為3%+3%、5%+5%、7%+7%的SEM照片（圖8）。

圖 8 不同摻量下改良黃土SEM圖Fig. 8 SEM diagram of improved loess at different mixing amounts

從電子顯微鏡拍攝的放大500倍后照片可見(jiàn)，素土顆粒間存在很多大孔隙，并且顆粒之間呈分散狀態(tài)。添加膨潤(rùn)土-石灰后，顆粒間的大孔隙變少，且反應(yīng)生成的碳酸鈣因其膠凝性使得土顆粒之間連成整體。在3種摻量中，膨潤(rùn)土-石灰摻量為3%+3%時(shí)明顯摻量不足，一些土顆粒仍呈分散狀態(tài)，孔隙比例依舊較高；膨潤(rùn)土-石灰摻量為5%+5%的明顯可看出孔隙率已經(jīng)很小，顆粒之間基本連成一個(gè)整體；膨潤(rùn)土-石灰摻量為7%+7%時(shí)，摻量過(guò)多，導(dǎo)致膨潤(rùn)土吸水膨脹使土體內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，且未與土顆粒反應(yīng)完全的石灰也變成單獨(dú)的碳酸鈣固體積聚在土顆粒之間，不能增強(qiáng)土顆粒間的連接強(qiáng)度，也不能成為土顆粒間的骨架，起不到提高強(qiáng)度的效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著某一摻量的增加均出現(xiàn)先增大后降低的情況，膨潤(rùn)土和石灰摻量均為5%時(shí)改良效果最明顯，強(qiáng)度提高了4.01倍。

（2）改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增大而增大，在養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)明顯高于7 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)效果并不明顯。養(yǎng)護(hù)時(shí)間14～28 d內(nèi)可達(dá)到較為理想的強(qiáng)度，時(shí)間允許條件下可將填料養(yǎng)護(hù)至28 d。

（3）運(yùn)用核磁共振技術(shù)檢測(cè)改良土試樣的孔隙結(jié)構(gòu)，可以看出改良黃土的大孔隙占比顯著減少。在膨潤(rùn)土摻量為5%時(shí)大孔隙體積率幾乎可以忽略，孔隙度降低13.5%，但摻量過(guò)多或過(guò)少時(shí)改良效果一般。

（4）通過(guò)掃描電子顯微鏡，可以看到膨潤(rùn)土和石灰的填充和膠凝作用，在膨潤(rùn)土和石灰摻量均為5%時(shí)尤為明顯，大孔隙幾乎消失，土顆粒之間連成整體。實(shí)際工程中，在黃土路基填料中摻入5%左右的膨潤(rùn)土和石灰，路基性能會(huì)顯著提高。