1、第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb2023岩土力学初始含水率对石灰改性黏土强度的影响及微观机理研究Effect of Initial Water Content on Strength and Microcosmic Mechanism of Limemodified Clay方立智(北京建邦顺康房地产开发有限公司，北京 101313)摘要:为研究不同初始含水率下石灰改性黏土的无侧限抗压强度随时间的发展规律，基于击实试验确定的最佳含水率，制备不同含水率的石灰改性黏土试件进行无侧
2、限抗压强度试验，分析初始含水率对石灰改性黏土的影响及机理。结果表明:无侧限抗压强度峰值点对应的含水率为 23%，与击实试验确定的黏土最佳含水率20%不一致，较最佳含水率高 3%左右;不同初始含水率下，石灰改性黏土的无侧限抗压强度受到黏结强化与水膜弱化的双重影响，且黏结强化与养护时间有关，随着养护时间的增加大致呈现为增强趋势;从微观结构来看，掺加石灰后，黏土的微观颗粒与微观孔隙均变小，颗粒黏结增强;与含水率 20%石灰改性黏土相比，含水率23%的石灰改性红黏团聚体数量变多，石灰与黏土矿物的反应更为充分。关键词:黏土;弱膨胀土;石灰;含水率中图分类号:TU44文献标志码:A文章编号:1005824
3、9(2023)01002705DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301005FANG Lizhi(Beijing Jianbang Shunkang eal Estate Development Co，Ltd，Beijing 101313，China)Abstract:In order to study the development law of unconfined compressive strength of limemodified clay with different initial watercontent over time，based on t
4、he optimum water content determined by compaction test，limemodified clay samples with different watercontent were prepared for unconfined compressive strength test，and the influence mechanism of initial water content on limemodifiedclay was analyzed.The results show that the moisture content corresp
5、onding to the peak point of unconfined compressive strength is 23%，which is not consistent with the optimal moisture content of clay determined by compaction test of 20%，and is about 3%higher than theoptimal moisture content.Under different initial water content，the unconfined compressive strength o
6、f limemodified clay is affected byboth bonding strengthening and water film weakening，and bonding strengthening is related to curing time，which shows an increasingtrend with the increase of curing time.From the point of view of microstructure，the microparticles and micropores of the clay becamesmall
7、er and the particle bonding was enhanced after lime was added.Compared with the limemodified clay with 20%water content，theamount of limemodified red clay aggregates with 23%water content increased and the lime reacted more fully with clay minerals.Keywords:clay;weak expansive soil;lime;the moisture
8、 content作者简介:方立智(1972)，男，本科，工程师，主要研究方向:岩土工程勘察及边坡支护。收稿日期:202202230引言黏土通常具有一定的膨胀性，广泛分布于我国各地1。因其遇水膨胀的特性，导致了基础设施建设飞速发展的过程中出现的诸多工程问题，28粉煤灰综合利用37 卷岩土力学如路基病害、边坡失稳、建筑物结构破坏等24。因此，如何改善膨胀性黏土的物理力学性质，从而增强建筑结构的安全性，成为研究膨胀性黏土地基的一大热点5。国内外学者就膨胀土特性展开了大量研究，并提出了多种措施改良膨胀土特性。曲永新等6 从矿物组成角度开展研究，提出膨胀土主要由蒙脱石、伊利石等矿物组成;李生林等7 的研
9、究表明，干湿气候变化会对膨胀土造成显著影响，进而危害工程建设;李献民等8 指出含水率与干密度是影响膨胀力的关键;冷挺等9 总结归纳了国内外学者就膨胀土特性取得的研究成果，指出膨胀土的胀缩性、裂隙性和超固结性是危害工程安全的主要因素。目前膨胀土改良措施有无机掺灰、纤维加筋、植物种植、化学制剂投放等，其中采用石灰改良膨胀土的应用最为广泛1011。孔令伟等12 通过压力板试验发现，石灰改良膨胀土较原土的残余含水率显著提高，进气值显著降低，土体性质更加稳定;王志平等13 深入探究了石灰改良膨胀土的阳离子交换规律，指出影响阳离子交换的主要因素是掺灰率;崔伟等14 通过大量试验研究得知，掺灰量、压实度和养
10、护龄期对石灰改良膨胀土的力学性质的影响较为显著。目前石灰改良膨胀土的研究大都基于最佳含水率开展，针对初始含水率影响石灰改良膨胀土特性的研究较少。膨胀土与石灰拌和后会发生反应，主要为黏土矿物与氧化钙的碳酸化反应，而这一过程需要水的参与，因而黏土的初始含水率将直接影响其与石灰的物化反应程度，进而影响石灰改性膨胀土的物理力学特性;且这一反应需要时间，因此随着养护时间的发展，石灰改性膨胀土的物质组成与微观结构会产生较大变化1516，加之受到形成条件和赋存环境的影响，不同类型的膨胀土特性可能存在一定差异。因此，本次研究基于弱膨胀性黏土，测试不同初始含水率的石灰改性黏土的无侧限抗压强度，研究其强度随初始含
11、水率养护时间的变化规律，并进一步采用微观电镜扫描(SEM)深入分析初始含水率对石灰改性黏土力学性质的影响，为膨胀性黏土地区的路基填筑与边坡防护等提供参考。1试验方案设计1.1原材料膨胀性黏土取自我国天津某地，取样深度为2.50 m 左右，颜色呈褐红色，取土切面光滑，土体湿度较高且黏性较大。根据 SL 2371999 土工试验规程，测定土样的基本物理性质与矿物组成，物理特性指标见表 1，矿物组成见表 2。可以看出，黏土中亲水性黏土矿物主要有高岭石和伊利石。采用的石灰有效成分为 73.6%的 CaO 与26.4%的 MgO。表 1黏土物理特性指标Table 1Physical characteri
12、stics of clay/%比重含水率自由膨胀率液限塑限蒙脱石含量2.73144738.419.115表 2黏土矿物组成Table 2Composition of clay minerals/%Al2O3SiO2Fe2O3TiO2K2O其他40.3932.7818.401.451.365.611.2试验方案为研究不同初始含水率下石灰改性黏土的无侧限抗压强度随时间的发展规律，首先根据试验黏土的塑限预估其最佳含水率为 19%，并以此为中心设计 13%、16%、19%、22%、25%、28%共6 组含水率的黏土土样，通过击实试验确定最佳含水率 op，击实试验采用重型击实法。根据崔伟的研究成果14，
13、确定石灰掺量为 5%，拌制好石灰改性黏土备用;以击实试验获得的最佳含水率 op为中心，以 3%为梯度，控制土样的压实含水率(最终确定为 11%32%)，制备石灰改性黏土圆柱试件(50 mm50 mm);将制备完成的试件抽真空密封后置于 25 保温箱恒温分别养护 7、14、28、60、90、150、180 d 后，进行无侧限抗压强度试验与基质吸力试验，无侧限抗压强度试验使用 GDS 智能数字加载系统，加载速率为 0.5 1.5 mm/min，加载至试件破坏。基于无侧限抗压强度试验结果，进一步对含水率 20%黏土、含水率 20%石灰改性黏土(养护60 d)、含水率 23%石灰改性黏土(养护 60
14、d)三个试件展开微观电镜扫描，从微观角1 期方立智:初始含水率对石灰改性黏土强度的影响及微观机理研究29岩土力学度分析含水率对石灰改性黏土结构的影响。2试验结果分析2.1击实试验黏土的击实曲线如图 1 所示。从图中可以看出，黏土的最佳含水率为 20%，击实曲线在最佳含水率附近较平缓，含水率在 19%25%范围内时，干密度变化幅度不超过0.05 g/cm3，含水率超过 25%后干密度的降幅较大。图 1黏土击实曲线Fig.1Compaction curve of clay2.2无侧限抗压强度随初始含水率的变化规律无侧限抗压强度随初始含水率变化规律如图2 所示。由图 2 可以看出:(1)无侧限抗压强
15、度峰值点对应的含水率为 23%，与击实试验确定的黏土最佳含水率 20%不一致，较最佳含水率大3%左右。分析原因为，石灰与黏土混合后，石灰中的氧化钙、氧化镁与黏土中的矿物发生化学反应，因这一反应需要消耗水分，导致石灰改性黏土强度峰值点对应的含水率较最佳含水率高3%左右。(2)初始含水率介于 11%17%时，石灰改性黏土的无侧限抗压强度随含水率变化的变幅不大。分析原因为，理论上石灰与黏土混合后，二者间化学反应产生的胶结物会增强土颗粒间的黏结，将小颗粒黏结到一起形成团聚体，从宏观上增强土样的强度，但在水分不足条件下，二者间的反应不充分使得土样强度增长不大;另一方面，含水率还会对颗粒间水膜厚度造成影响
16、:含水率增加后，土体颗粒的水膜变厚，增强了土颗粒间的润滑作用，进而弱化了土样的强度;因此，化学反应对强度增长的贡献被水膜弱化所抵消。(3)初始含水率介于 17%20%时，强度变化规律与养护时间有关。养护时间低于 60 d 的情况下，其强度随初始含水率的升高而降低;养护时间大于 60 d 的情况下，其强度随初始含水率的升高而升高。分析原因为石灰与黏土之间的反应需要时间，养护时间低于 60 d 情况下，化学反应对土样强度增长的贡献不足以抵消土颗粒间水膜变厚对强度的弱化;养护超过 60 d 后，化学反应更为充分，表现为土样强度增长。(4)初始含水率介于 20%23%时，石灰改性黏土的初始含水率越高，其无侧限抗压强度越大。分析原因为，这一含水率能够满足化学反应对水分的需求，石灰与黏土之间的反应充分，土颗粒水膜变厚对强度的弱化不再显著，因此土样的强度随含水率的增加而增长。(5)初始含水率超过 23%后，石灰改性黏土的无侧限抗压强度随着含水率的升高而降低。分析原因为，土样中的水分太多，超出石灰与黏土间化学反应的需求，多余的水分增厚了土体颗粒间的水膜，反而弱化了石灰改性黏土的强度。图 2石灰改性黏土