宁建国1  李学慧2  宋召军3

（1，山东科技大学资源与环境工程学院山东青岛266510；2，山东科技大学机械电子工程学院； 3，山东科技大学地质科学与工程学院）

摘要:对于同种土样形成的石灰固化土，随石灰掺量的增加，其抗压强度增长大致分为三个区间：第一区间抗压强度由离子交换反应形成，抗压强度增长较小或基本不增长；第二区间抗压强度由 硬凝反应形成，抗压强度增长较快；第三区间由于石灰过量造成粘聚力和内摩擦系数降低而使抗压强 度降低。根据试验结果建立了土样性质指标与固化土中离子交换的关系，以及固化土pH值和硬凝反应所需Ca（OH）2之间的关系，为固化土固化剂设计提供了依据。

关键词:石灰固化土Ca（OH）2饱和抗压强度

0 引言

高速公路、铁路与机场的软基加固一般多以石灰 作固化剂，利用石灰与软粘土之间发生的一系列物理 化学、化学反应，使软粘土硬结为具有一定强度和水稳定性的固化土。

以往的研究对石灰固化土中所发生的物理变化、化学反应已比较清楚［1］，但对石灰固化土中用于硬凝 反应所需的Ca（OH）2的量还不明，而通过试验，弄清 该问题可为公路软基加固工程的设计、施工，确定石 灰固化剂掺量提供切实可靠的依据。

1.试验材料及方法

研究采用的试验材料包括：32.5级普通硅酸盐水 泥；自来水；分析纯氢氧化钙。土样取自北京 （BT）、天津（TT1、TT2）、武汉（WT）、南京（NT）的五种天然土样及人工配制的土样RT。其中土样BT 与TT2、土样TT1与WT、土样RT与NT物理性质较 为接近。土样RT是在高岭土土样中加入10%蒙托土 及20%的粉砂土（占整个土样的质量百分比），人工 搅拌均匀而成。

水泥的化学组成和主要物理力学性能以及试验土 样物理力学性质和化学性质参见文献［2］。

2 Ca（OH）2掺量与抗压强度试验 在各土样中分别掺加1%、2%、……、9%、10% 的Ca（OH）2，水灰比0.5，令BT、TT1、TT2、WT、NT 和RT在Ca（OH）2作用下形成的固化土分别称为固化 土BC、TC1、TC2、WC、NC、RC。3 d、7 d、14 d、 30 d、90 d龄期固化土抗压强度qu与Ca（OH）2掺量Dw 关系如图1所示。

由图1可见，在不同龄期，随Ca（OH）2掺量的增 加固化土抗压强度呈不同发展规律，在所试验的范围内，大致可分为三个区间。 在第一区间，区间界点设为I，随着Ca（OH）2掺 量增加，固化土抗压强度增长缓慢，且随着龄期的增 加，固化土抗压强度增长较小或基本不增长，除此， 不同土样在第一区间界点所对应的Ca（OH）2掺量（用D′w 表示）不同，如固化土BC、TC2、TC1、WC、NC、RC在第一区间界点I所对应的Ca（OH）2掺量分别为1%、1%、3%、2%、4%、1%。

在第二区间，区间界点设为II，随着固化土中 Ca（OH）2掺量增加，固化土抗压强度增长较快，且随 龄期的增长固化土抗压强度也增加；90 d龄期不同土 样在第二区间界点所对应的Ca（OH）2掺量（用Dw表示） 不同，如固化土BC、TC2、TC1、WC、NC在第二区 间界点II所对应的Ca（OH）2掺量分别为2%、3%、 7%、5%、9%、2％。

在第三区间，随着固化土Ca（OH）2掺量增加，固 化土抗压强度降低。

3.试验结果分析

土样与Ca（OH）2搅拌后，当固化土中Ca（OH）2掺 量较少时，Ca（OH）2离解的Ca2+和（OH）-离子主要用 于与土颗粒表面金属阳离子发生交换，粘土颗粒聚结 成较大的土团粒，固化土的抗压强度增加，但离子交 换反应过程中被吸附在粘土颗粒表面的Ca2+和（OH）-离 子，活性降低，不利于其它化学反应的进行［3］，因而 随龄期的增长固化土抗压强度增长也较小。对于不同 的土样，土样离子交换容量不同，各土样在离子交换 过程中所需的Ca（OH）2掺量也不同，如土样TT1、 WT和NT的离子交换容量土样NT>土样TT1>土样 WT，固化土NC、TC1、WC在第一区间界点所对应 的Ca（OH）2掺量D′w，固化土NC>土样TC1>土样WC。

当固化土中Ca（OH）2掺量大于土颗粒离子交换反 应所需的Ca（OH）2掺量后，多余的Ca（OH）2可提高固 化土液相环境碱度，并与粘土颗粒中活性硅铝发生硬 凝反应生成胶凝性水化物，这些胶凝性水化物对土 颗粒的胶结作用使粘土团粒成为土硬化体［4］，并且随 着龄期的增长，硬凝反应生成的胶凝性水化物增 多，固化土抗压强度也增加。pH值和活性硅铝含 量不同的土样，用于提高固化土碱度和用于硬凝反 应的Ca（OH）2掺量也不同，如土样RT和TT2相比， 二者活性硅铝含量基本相同，但土样TT2的pH值小 于土样RT，因此土样TT2在第二区间内所需Ca（OH）2 量大于RT；土样WT和TT1相比，二者pH值基本 相同，但土样TT1的活性硅铝含量大于土样TT1，因 此土样TT1在第二区间内所需Ca（OH）2量大于WT，如图1第二区间所示。

当固化土中Ca（OH）2掺量超过土样离子交换容 量和硬凝反应所需的Ca（OH）2量以后，过多的Ca（OH）2 在土的孔隙中以自由Ca（OH）2存在，而其本身没有粘 聚力和内摩擦系数，致使固化土抗压强度降低［1］，如 图1第三区间所示。

4.土样性质与Ca（OH）2掺量关系

由上述试验研究可知，土样pH、离子交换容量、 土颗粒中活性硅铝含量影响固化土中Ca（OH）2掺量， 图1第二区间界点所对应的Ca（OH）2掺量主要用于固 化土中离子交换反应、提高固化土pH值和硬凝反 应。实际土样土质因素见表1。

设因变量Y1为固化土最佳Ca（OH）2掺量，等于 ρs D′w，g/cm3。自变量X1为土样离子交换容量，meq./100g； X 2为土样pH值；X 3为土样活性硅铝含量，%。上述 各因素之间关系可表示为:

Y=β1X 1+β2X 2+β3X 3+U（1）

式中βi为各方程式中的变量系数；Y为因变量；Xi为自变量；U为残余项（i=1，2，3）。

将表1数据代入方程（1）中，运用逐步回归分 析方法进行计算，得

Y=2.471+0.055X1-0.174X2+0.082X3（2）

t=3.134 7.452 4.120

F=77.32 R=0.952

在显著水平A=0.05下，查F分布表，得F检验临界值F0.05=2.85，查t分布表，得临界值t0.05（14）= 2.145，在显著水平为5%时，F值和t值也都超过分布表中的临界值，并且两组方程式均具有较高的复相关系数。这些检验结果表明，回归模型以及回归系数 相关性显著,具有较高的可信度和实用性。由表1可见，用公式（2）计算的土样NT石灰饱和所对应的Ca（OH）2掺量与试验结果基本一致。

5.结语

（1）土样pH、矿物成分和土颗粒中活性硅铝含量影响固化土中Ca（OH）2掺量，进而影响固化土抗压 强度发展。

（2）利用逐步回归程序建立了土质性质-土样pH、矿物成分和土颗粒中活性硅铝含量与固化剂 所需碱性物质Ca（OH）2掺量的数学关系，因此可根 据土样的性质确定固化剂中所需添加的碱性物质掺量。

参考文献：

［1］张登良.加固土原理［M］.北京：人民交通出版社，1990：44-47.

［2］黄新，宁建国.固化土孔隙液C（aOH）2饱和度对强度的影响［J］.工业 建筑，2006，36（7）：19-24.

［3］Bell F G，Coulthard J M.Stabilization of clay soils with lime［J］.Mum. Engr.，1990，32（7）：125-140.

［4］Diamond S，Kinter E B.Mechanisms of soil-lime stabilization［J］. USA，Washington D C.High.Res.Rec.1965（92）：83-102.