石灰及其与粉煤灰混合改良黄土强度特性试验研究

第２０卷第５期　２０１３年１０月　兰州工业学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏｌ＿２０　Ｎｏ．５　Ｏｃｔ．２０１３　

文章编号：１００９—２２６９（２０１３）０５—００４１—０５　

石灰及其与粉煤灰混合改良黄土强度特性试验研究　

岳建平，杨有海　

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州７３００７０）　

摘要：结合兰（州）武（威）铁路二线建设项目，研究重塑黄土、石灰改良黄土、石灰粉煤灰改良黄　

土的物理力学指标；分析石灰改良黄土、石灰粉煤灰混合料改良黄土强度形成机理；在不同含水　

率、不同压实系数、不同掺合比、不同龄期的条件下来研究改良黄土的无侧限抗压强度和抗剪强　

度．试验结果表明：石灰粉煤灰改良黄土效果十分明显，在石灰掺量不变的条件下，其抗压强度随　

粉煤灰掺量的增加而增大；随含水率的增大，石灰粉煤灰改良黄土抗压强度有一定程度的降低．　

关键词：重塑黄土；石灰；粉煤灰；无侧限抗压强度；抗剪强度指标　

中图分类号：Ｕ２１３．１　文献标志码：Ａ　

Ｏ　引言　

近十几年，改良土在道路与铁道工程建设中应　

用较多，其中改良黄土也得到广泛应用．中国黄土　

主要分布在黄土高原，由于其形成的特殊环境条　

件，故其性质非常复杂，工程性质较差．影响土体强　

度特性的因素很多，包括土的颗粒组成、矿物成份、　

密实度、含水率、粘土颗粒及可溶性盐含量等，其中　

土的含水率和密实度是两个重要影响因素¨ｊ．黄　

土具有大孔隙性、水稳定性差和湿陷性等工程特　

性，要用做高标准道路与铁道工程建设填料，必须　

对黄土进行改良，降低其压缩系数，提高其强度和　

水稳性．石灰、水泥是较理想的改良剂．粉煤灰具有　

火山灰效应，其强度高、自重小、压缩性小、透水性　

好，用作路基填料或改良剂具有良好的经济效益和　

社会效益．　

本文结合兰（州）武（威）铁路二线建设，研究　

石灰及其与粉煤灰混合改良黄土的强度特性，并与　

素黄土进行比较；石灰粉煤灰混合料是以较少的石　

灰与较多粉煤灰按一定掺合比，均匀拌和经压实而　

成的致密混合体，这种混合料经过一定条件的养　

收稿日期：２０１３－０７－０９　作者简介：岳建平（１９８５－），男，甘肃庄浪人，硕士生　护，石灰与粉煤灰发生水化反应具有较好的强度，　

可作为地基处理中的加固材料和路基工程填料，对　

于粉煤灰的开发利用具有重要意义　．　

１　重塑黄土强度特性试验研究　

黄土作为路基填料强度比较低，尤其在密实度　

较低时水稳定性差．通过试验所得兰武二线ＤＫ１００　

＋２００～ＤＫ１０１＋４５０段重塑黄土的力学指标如表　

１所示　其中表中的压实系数卵为０．９１和０．９５，含　

水率Ｗ采用１４％和饱和两种，　为土体内摩擦角，Ｃ　

为土体黏聚力，ｇ　为无侧限抗压强度．　

表１　重塑黄土强度特性指标　

：　！！　！！堡塑亘！！室　Ｏ．９１　１４　３７．７　４２．５　ｌ７Ｏ　１１．８　饱和　３４．６　３９．０　１５０　０．９５　１４　３５．４　８４．４　３３０　ｌ２．１　饱和　３７．０　７３．２　２９０　

从表１可以看出，压实系数叼≥０．９１的情况　

下，重塑黄土的抗剪强度指标还是比较高的，抗剪　

强度指标随含水率的增大而有所减小．压实系数对　

重塑黄土的黏聚力和无侧限抗压强度影响比较大，　

随着压实系数的增加黏聚力和抗压强度都增大，且　・４２・　兰州　工业学　院学报　第２０卷　

增加的比较明显．重塑黄土从一般的含水率变成饱　

和状态，其抗剪强度和无侧限抗压强度都有不同程　

度的下降，而且密实程度不同其强度下降程度也不　

相同　．　

２　石灰改良黄土强度特性试验研究　

２．１　石灰黄土的强度机理　

从对石灰黄土的强度形成机理的研究成果得　

知　，在有一定含水率的黄土中掺入石灰，压实之　

后，石灰的主要成分ＣａＯ遇水反应生成Ｃａ（ＯＨ）　，　

Ｃａ（ＯＨ）：与黄土中的矿物接触，在有水参与的碱性　

条件下发生物理化学反应，其反应过程可以概括为　

以下几点．　

１）离子交换作用．　

土中的粘土胶结物颗粒的反离子层大多是　

Ｋ　、Ｎａ　离子，石灰加入土中之后，在有水参与的　

条件下，石灰与水反应的产物Ｃａ（ＯＨ）　会电离成　

ｃａ　和ＯＨ，而ｃａ。　会与土体中的Ｋ　、Ｎａ　发生　

离子交换，结果使得胶体吸附层减薄，电势降低，导　

致粘土胶体颗粒凝聚固结；离子交换过程中会出现　

相互吸附的现象，这就有助于土体的固化．　

２）结晶硬化．　

Ｃａ（ＯＨ）：胶体吸收水分形成含水晶格，最终逐　

渐形成晶体，晶体与晶体之间相互结合，所生成的　

晶体与土颗粒相互结合形成共晶体，土颗粒被胶结　

形成整体，而且ｃａ（ＯＨ）　的晶体状态比非晶体状　

态的溶解度几乎小一半，所以这就使得灰土桩的水　

稳定性增强．　

３）碳酸化作用．　

石灰与水反应生成的Ｃａ（ＯＨ）　与空气中的　

ＣＯ　其反应生成ＣａＣＯ，，而ＣａＣＯ，又具有较高的强　

度及水稳定性，它的胶结作用加固了土体．土体中　

所含的ＣＯ　会使得石灰在表层碳酸化之后形成一　

层硬壳，阻碍了ＣＯ　进入土体．因此，碳酸化作用的　

过程比较缓慢，持续时间长，这就是灰土桩后期强　

度增长的原因之一．　

４）火山灰反应．　

土中的铝、硅活性矿物在碱性环境下解离，有　

水参与时与ｃａ（ＯＨ），反应生成铝酸钙和硅酸钙，　

生成产物与部分水分子结合形成结晶水合物．这种　产物又是水稳定性很好的结合料．火山灰反应需要　

水的不断参与，因此具有水硬性．　

由于石灰改良黄土施工时不可能彻底将其粉　

碎，石灰与黄土拌和也不可能完全均匀，所以上述　

的化学反应也往往仅限于石灰与土粒的接触面，土　

粒表面化学反应生成的硅酸钙、硅酸铝可以将未反　

应的土粒包裹并与相邻土粒胶合成一个整体，这是　

石灰土强度形成的最主要原因　．　

２．２石灰黄土强度特性试验结果分析　

利用无侧限抗压强度试验和常规三轴试验来　

研究石灰改良黄土工程特性，试样的初始含水量　

为１５％，石灰的掺合比０　分别为６％、８％、１０％３　

种，压实系数＇７在石灰掺合比为１０％时采用０．８９　

和０．９１两种，其余情况都采用０．９１．在初始含水　

率的状况下，试样达到养护的龄期之后，将一般的　

试样达到饱和，这样就制备成了两种不同含水率的　

试样．在石灰掺合比ｎ　为６％和８％时，养护龄期　

为７　ｄ、２８　ｄ，其余情况采用７　ｄ、２８　ｄ、６０　ｄ．三轴试　

验的围压　＝２５　ｋＰａ，５０　ｋＰａ，１００　ｋＰａ，１５０　ｋＰａ．　

图１（ａ）、（ｂ）分别为石灰改良黄土压实系数　

２００　

１５０　

１００　

ＳＯ　

０　５　７　９　ｌ　ｌ　

掺合比／　ｏ　ｆａ）　

５　９　ｌ　ｌ　掺含比／　。　（ｂ）　

图１　石灰黄土掺合比ａＷ－强度曲线　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　∞　∞∞∞∞　

∞　第５期　岳建平等：石灰及其与粉煤灰混合改良黄土强度特性试验研究　．４３．　

＝０．９１，２８　ｄ龄期的条件下，无侧限抗压强度与掺　

合比ｎ　之间的关系和抗剪强度与掺合比口　，之间的　

关系．从图１（ａ）、（ｂ）中可以看出，石灰改良黄土　

的黏聚力和无侧限抗压强度在含水率Ｗ＝１５％、饱　

和条件下均随掺合比的增大而增大．　

从图２（ａ）、（ｂ）可以看出，石灰改良黄土，当　

掺合比０　＝１０％、压实系数　＝０．９１时，其无侧限　

抗压强度与抗剪强度均随龄期的增加而增大．并且　１２００　

１０００　

８Ｏ０　

６００　

４００　

２００　

１０ＯＯ　９Ｏ０　８ＯＯ　７ＯＯ　６０Ｏ　ＳＯＯ　４００　３００　２ＯＯ　１００　０　

２５０　

２００　

歪１５０　专ｌ００　

ＳＯ　

Ｏ　０　２０　４０　６Ｏ　８Ｏ　龄期／（Ｉ　（ａ）　

０　

图２石灰黄土龄期一抗剪强度曲线　从图３（ａ）、（ｂ）可以得出：在含水率相同、石　

灰掺合比也相同的条件下，压实系数越大，石灰改　

良黄土的无侧限抗压强度越大．　

从图１～３可知，石灰改良黄土含水率为　

１４％，２８　ｄ龄期的条件下，石灰掺量由６％增长至　

８％，其无侧限抗压强度增长１７．３％；石灰掺量由　

８％增长至１０％，其无侧限抗压强度增长２８．２％．　

说明石灰掺量的增加其无侧限抗压强度也随之　

增大．　３５０　

３００　

２５０　

２００　

１５０　

１００　２Ｏ　４０　６Ｏ　龄期／ｄ　

（ａ）　

Ｏ　２０　４Ｏ　６Ｏ　龄期／ｄ　（１））　

图３石灰黄土龄期－强度曲线　（不同压实系数，ａ　＝１Ｏ％）　

３石灰粉煤灰改良黄土强度特性试　

验研究　

燃煤电厂每年产生大量的粉煤灰，若不利用，　

则要占用大量耕地，且严重污染环境．粉煤灰颗粒　

粒径小，比表面积大，吸附性强，在一定的条件下具　

有较高的强度，加之粉煤灰价格低廉，大量使用粉　

煤灰作为填料改良的掺合物，既经济又环保，所以　

可以利用粉煤灰作为路基填料或改良剂．二灰（石　

灰与粉煤灰掺和物）改良黄土是利用粉煤灰、石灰　与黄土混合作为回填土的一种填料　ｊ．　

３．１　石灰粉煤灰改良黄土强度机理　

分析粉煤灰的化学成分可知，粉煤灰主要含有　

大量经过焙烧后的活性ＳｉＯ：、Ａ１：０，、Ｆｅ　０。等酸性　

氧化物，以及少量的ＣａＯ等，其中前３种氧化物含　

量约占７５％以上．粉煤灰中ＣａＯ含量比较低，因　

此其自凝性较差，但石灰中含有大量的ＣａＯ，这两