石灰改良路基填土与最佳配合比的确定

尹博鑫 王正君 党司雯 唐 宁

（1 黑龙江大学 寒区水利工程重点实验室；2 黑龙江大学 水利电力学院）

0 引言

道路地基简称路基，是出行及交通运营的关键。截至当前，我国出现了多起由于路基失稳造成的严重交通事故，存在多地道路不平而导致的出行不便等问题，引起了社会广泛关注，路基填土改良已经成为一个重要的研究课题。目前已知填土改良方法有很多，本文主要介绍深层搅拌法中的加固剂——石灰。

石灰是以氧化钙为主要成分煅烧而成的一种胶凝材料，具有良好的保水性和可塑性，用于土木工程中会使土体具有良好的工程性质，目前已被大量投入到改良土的实际工程中。

1 石灰改良原理

直接原因：

⑴石灰中具有的Mg2+、Ca2+遇水发生反应，生成Ca（OH）2结晶体，这种晶体会促进土粒间的凝结作用，使土粒牢牢“抱”在一起，从而提高路基的相对稳定性。

⑵土颗粒表面的活性SiO2在石灰造成的碱性条件下解离，并与Ca（OH）2发生化学反应，生成不溶于水的CaSiO3和mCaO·nAl2O3，缠绕在土体周围，这些水化物的纤维状结晶体扩散到土粒间孔隙中，与土粒“绑”在一起形成网状结构（如图1），提高了土体的抗剪强度[1-2]。

图1 水化物形成的网状结构[2]

⑶Ca（OH）2空气中CO2反应生成CaCO3，在填土与空气接触的表面形成“硬壳”，提高强度[3]。

间接原因：由于生石灰发生化学反应消耗水：CaO+H2O→Ca（OH）2+64.9×103J，产生热量，使填土中蕴藏的水分汽化，含水率降低，土颗粒之间的空隙相对减小、相互靠拢挤密，提高了土体的工程性质。

2 石灰改良效果

2.1 抗剪强度

抗剪强度是衡量材料抵抗外界能力的指标，可以通过直剪试验和三轴实验等室内试验，十字板扭剪试验、旁压试验等室外试验测得，并用有效粘聚力、有效内摩擦角来表示其大小。边加敏[4]等通过不同含水率、不同掺灰率的直剪试验，对试验结果进行拟合（如图2），得出结论：凝聚力、内摩擦角与掺灰率的相关系数最小为0.95、最大为0.99，符合线性相关条件，说明抗剪强度与掺灰率线性相关。对改良土进行冻融试验，抗剪强度降低的变化量明显比素土小，说明填土的抗冻性被提高，并且由于较大压力会使冻融造成的空隙部分恢复，所以抗剪强度还会随围压的增加而增大[5]。

图2 不同掺灰率、含水率对凝聚力、内摩擦角的影响[4]

2.2 胀缩率

胀缩率是衡量填土吸水膨胀、失水收缩的变形指标，对研究路基在不同季节性能变化具有重要意义。谭毓清等[6]对石灰掺量为0%、8%、14%的改良土进行干湿循环下的胀缩试验，结果（如图3）显示，填土的绝对和相对膨胀率都会随石灰掺量的增加而减小。这是因为石灰的掺入减少了土的粘性，降低了填土的液限、塑限，所以吸水后变形减小，胀缩性对实际工程的危害也会减弱。

2.3 冻胀特性

在寒冷地区，冻胀是路基的主要病害之一。这是由于填土中蕴藏的水分发生相变，产生冻胀应力，导致填土的结构发生变化。在我国每年都有不少因冻胀开裂、路面翻浆造成的灾害使道路安全受到影响，有效改善填土的冻胀特性已成为重要的研究课题。韩春鹏等[7]对掺入石灰后的土样进行冻胀试验，试验结果如图4 所示。冻胀率随着温度降低而增加，不同石灰掺量土样的起始冻胀温度无明显差异，但在冻胀发生的主要温度区间石灰的掺入可降低冻胀率。

图4 掺灰量对冻胀率的影响

2.4 弯沉值

弯沉值是衡量路基质量的指标，简单说就是在承受荷载时路基产生的变形，对道路安全、平坦具有重要参考价值。道路的弯沉变化是一个非常复杂的过程，与多个因素相关，如：天气状况、施工情况、工人检测手段等。王波等[8]对采用不同掺灰率路基进行改良前后弯沉值测量，结果显示石灰改良路基弯沉值明显。

2.5 其他效果

土体工程性质的衡量指标还有很多，比如：水稳定性、回弹模量、承载力强度、压实度、渗透能力等，相关研究也相对完善，这些都是判断土体是否满足路基填土的重要依据。研究结果证明石灰的确可以改善填土工程性能，本文不再一一进行赘述。

3 确定石灰最佳掺量

模糊数学领域内的模糊评价法，是目前正在应用的一个把定性问题转换为定量问题的方法。在当前对填土改良的研究结果中，部分研究者只注重对工程性质的改良，而忽略了经济成本问题。本文对石灰改良路基填土性质进行模糊评价法分析，确定更加经济的掺灰量。

3.1 试验处理及结果

根据胡小鹤[9]试验情况，选择宁西铁路西安至合肥段增建第二线工程的填土、Ⅲ级生石灰，对素土与掺石灰土样进行过筛、击实、浸水养护处理，并对其中低液限粘土进行击实结果及无侧限抗压强度（如表1）检测。

表1 压实结果与无侧限抗压强度[9]

3.2 数据处理

分别选用7d 无侧限抗压强度作为早期强度、28d强度作为晚期强度和加固成本对加固效果进行分析，经调查生石灰每千克0.189 元。为确定经济与力学性质都适用的最佳配合比，参考陈永辉等[10]学者对水泥土的研究结果，赋予经济因素0.4 的权重、早、晚期强度分别赋予0.3 权重，建立因素权重集为A=(0.4，0.3，0.3)。通过线性内插法对不同配合比下的各项指标进行无量纲化，得到的各指标赋分结果如表2。

表2 同配合比下指标赋分结果

对结果写成矩阵形式即：

将早期强度、晚期强度与加固成本综合评价：

依据模糊评价原理，分值越大说明综合评价效果越好，即分值最大为0.801、掺入量为6%时，既满足工程上力学性能的要求，又满足经济上节约成本的要求，确定6%为该填土、该水泥的最佳配合比。

4 出现的问题

石灰已经被大量投入到实际工程中，目前也收到了一些负面的反馈：

⑴石灰在生产过程中会产生二氧化碳，会加剧温室效应。

⑵石灰与填土搅拌过程中，由于土体之间的粘结性，石灰被集中在部分区域，只有小部分和填土发生反应，另一部分存在于填土中无显著加固效果，遇水后剩下部分继续消解，使局部土体发生膨胀，产生所谓“蘑菇”现象。

⑶由于含水量是石灰改良填土的关键，所以季节对改良效果的影响十分明显。在雨季，填土含水量难以控制导致改良土的早期强度较低，容易出现“弹簧”现象，对改良土工程性质产生影响，威胁工程安全稳定性[11]。

5 结语

石灰的掺入在一定程度上提高了填土的工程性质，但在考虑石灰最佳掺量时，不仅要使其满足工程上的要求，而且在经济上也要尽可能节约成本，模糊综合分析法可以将定性问题转化成定量问题，用数据分析出更加经济适用的掺灰量，在对宁西铁路西安至合肥段增建第二线工程的模糊综合评价中确定了该地的石灰最佳掺量是6%，但不同填土、石灰在特定工程中还需要具体分析。对石灰投入实际工程中的研究任重而道远，不仅要解决生产时产生的温室气体，而且要对施工过程中产生的问题进行更深一步的研究。