改性黄土的冻融特性

第 45 卷第 3 期 2014 年 3 月
中南大学学报(自然科学版) Journal of Central South University (Science and Technology)
改性黄土的冻融特性
Vol.45 No.3 Mar. 2014
吕擎峰 1，李晓媛 1，赵彦旭 2，王生新 3
(1. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州，730000； 2. 中国铁建二十一局，甘肃 兰州，730000；
3. 甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州，730000)
摘要：研究冻融循环前后不同水泥石灰粉煤灰配比下改性黄土的无侧限抗压强度、渗透系数和微观结构等物理力
学特性的变化。综合考虑强度、渗透性和抗冻融性能，提出改性黄土改性剂的最优配比，探讨冻融循环对改性黄
土工程特性的影响。结果表明：在考虑冻融循环的条件下，4%~5%的水泥与 6%的石灰及 10%的粉煤灰的掺入不
表 1 试验黄土基本物理性质
Table 1 Physical properties of loess soils
相对密度 ds
2.59
液限/%
24.4
塑限/%
16.2
最优含水量/%
16.9
最大干密度/(g·cm−3)
1.64
分成果已经成功地应用实践于工程建设项目中。如郭 婷婷等[4]在黄土中加入石灰和粉煤灰，发现二灰土的 渗透系数能够达到 10−7 数量级，抗剪性能大大提高， 同时提出石灰、粉煤灰和黄土 1:2:7 的最佳体积配合 比。夏琼等[5]在黄土中加入粉煤灰和石灰水泥，5%的 石 灰 和 10%~30% 的 粉 煤 灰 ， 或 者 2% 的 水 泥 和 10%~30%的粉煤灰改性黄土强度的效果相当显著。西 北地区恶劣的自然条件造成了黄土的反复冻融循环， 徐实等[6]在黄土中加入石灰进行了强度特性和抗冻融 特性研究，发现石灰改性土的水稳性和强度都有明显 提高；张立新等[7]通过试验得出抑制冻胀的最佳石灰 含量为 12%~15%；王天亮等[8]则选取东北黏性土加入 水泥和石灰进行比较，发现冻融循环后的水泥土的黏 聚力是石灰土的 2~3 倍。目前，在冻融循环的条件下 利用水泥、石灰和粉煤灰联合改性黄土抗压和渗透性 能的试验研究不是很多。本文作者主要针对改良黄土 的抗冻融性能，通过在黄土中加入不同配比的水泥、 石灰和粉煤灰，研究其冻融循环前后无侧限抗压强度 和渗透性以及微观结构的变化，探讨冻融循环对改良 黄土工程特性的影响，对改性剂的配比进行优选。
2. China Railway 21st Bureau Group Co., Lanzhou 730000, China; 3. Geological Hazards Research and Prevention Institute, Gansu Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)
Abstract: The modified loess physical and mechanical characteristics such as unconfined compressive strength, permeability coefficient and microstructure were tested under the freeze-thaw cycles of modified loess. According to the comprehensive strength, permeability and freeze-thaw resistance performance of the modified loess, the optimal ratio of the modifier and the influence of freeze-thaw in practical application were proposed. The results show that the loess by adding 4%−5% cement, 6% lime and 10% fly ash can not only has higher compressive strength and lower permeability coefficient, but also can avoid the decreasing of freeze-thaw resistance ability caused by its large stiffness. The micro experiment indicates that combined effect of the three modifiers can change arrangement and bond of soil particles, thus the strength and freeze-thaw resistance ability of modified loess are reinforced. Key words: modified loess; freeze-thaw cycles; strength; permeability; microstructure
一组 13 个试样。试件含水率和干密度按最优含水率和 最大干密度配制，各试件编号及配料见表 2。
表 2 改性黄土试样参数 Table 2 Parameters of modified loess specimens
编号
干密度/ (g·cm−3)
含水率/ %
w(水泥)/ w(石灰)/ w(粉煤灰)/
%
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中南大学学报(自然科学版)
第 45 卷
作为公路和铁路地基时容易发生透水和失稳等现象， 严重威胁人民群众的生产和生活。此外，西北地区冬 季漫长而又寒冷，昼夜温差大，长时间的冻融循环会 导致黄土地基垂直方向渗透性的加大和结构性的变 化[2]，其直接的后果就是季冻区道路边坡的失稳和道 路的冻胀和翻浆[3]。近年来，围绕改善黄土强度和渗 透性等物理力学指标的讨论得到了广泛的重视，一部
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3
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66 1.64
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1 试样制备及试验设计
试验用黄土采自兰州市九州台，原状黄土呈浅黄 色，土质疏松均匀，天然含水量较低。试验得兰州九 州台黄土基本物理参数见表 1。
本次试验采用水泥、石灰和粉煤灰联合加入的方 法联合改性黄土，粉煤灰的掺和比参考以往试验结 果[9−10]确定为 10%，而水泥石灰的不同掺和比下改性 土性质的差异正是本试验研究的重点。所以本试验采 用正交法，根据以往试验经验，在黄土中掺入 10%的 粉煤灰的基础上，水泥的掺和比(质量分数)分别为 3%，4%，5%和 6%，而石灰的掺入比为 3%，6%和 9%，从而研究讨论黄土在不同水泥和石灰改性剂的作 用下物理力学参数变化规律。计入未改良压实黄土，
试验结果表明：未改性压实黄土冻融循环前无侧 限抗压强度为 0.2 MPa，冻融循环之后强度下降 0.065 MPa。由图 1 和 2 可知：无论是冻融循环之前还是之 后，改性黄土的抗压强度都较未改性压实黄土有了大 幅度的提高，冻融循环前抗压强度最高能够提高 24 倍左右，而冻融循环后改性压实黄土的最优强度则比 未改性压实黄土经冻融后的强度提高了整整 30 倍。也 就是说，无论是否冻融，石灰水泥粉煤灰联合改性黄 土能够较大程度的提高压实黄土的强度。究其原因， 生石灰和粉煤灰混合后与水反应生成的水化硅酸钙、 水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物在空气和水中逐渐 硬化并结合拌合物中的其他固体颗粒胶结成为较大的 团粒结构，比单独加入石灰或者粉煤灰改性的黄土强 度要提高很多。与此同时，水泥熟料遇水后的水化反
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仅能有效地提高改性土的抗压强度，降低渗透系数，而且能够避免改性黄土因为刚性太大而引起的抗冻融能力下
降的情况。3 种改性剂的联合作用改变了黄土颗粒的排列和连结方式，从而能够提高改性黄土的强度和抗冻融
能力。
关键词：改性黄土；冻融循环；强度；渗透性；微观结构
中图分类号：TU599
文献标志码：A
文章编号：1672−7207(2014)03−0819−07
限抗压强度试验、渗透试验以及微观试验，以比较冻
融循环下水泥石灰粉煤灰对黄土的改良作用。
2 无侧限抗压强度
本试验采用 CSS-WAW300DL 型电液伺服万能试 验机测试冻融循环前后试件的无侧限抗压强度。试验 操作严格参照《中华人民共和国土工试验方法标准》 (GB/T 50123—1999)。图 1 所示为冻融循环前后抗压 强度随石灰含量的变化，图 2 所示为冻融循环前后抗 压强度随水泥含量的变化。
冻融循环前石灰质量分数/%：1—3；2—4；3—5；4—6； 冻融循环后石灰质量分数/%：5—3；6—4；7—5；8—6
图 2 冻融循环前后抗压强度随水泥含量的变化 Fig. 2 Unconfined compressive strength of specimens before
冻融循环前水泥质量分数/%：1—3；2—4；3—5；4—6； 冻融循环后水泥质量分数/%：5—3；6—4；7—5；8—6
图 1 冻融循环前后抗压强度随石灰含量的变化 Fig. 1 Unconfined compressive strength of specimens before
and after freeze-thaw cycle at different cement contents
Properties of modified loess under freeze-thaw cycles
LÜ Qingfeng1, Βιβλιοθήκη BaiduI Xiaoyuan1, ZHAO Yanxu2, WANG Shengxin3
(1. Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
本试验试件制作和试验过程严格按照《中华人民 共和国土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)，并 按表 2 所示各改性剂配比计算水泥、石灰、粉煤灰和 水的用量。试件制样时首先在黄土中加入定量的石灰 粉煤灰和水用搅拌器拌匀之后静置 24 h，而后再加入 水泥拌匀并迅速制样。此方法旨在使改性黄土试件中 的水分布均匀并与改性剂充分接触反应。试件为圆柱 体，直径为 72.5 mm，部分渗透试验用试件在制样后 用直径 61.8 mm，高 40 mm 的环刀切样，在环刀中进 行养护。试样用密封薄膜包裹以保持其含水率不变， 在室内室温条件下养护 28 d。
在我国广袤的西北地区，广泛分布发育着黄土， 我国黄土及黄土状土覆盖的总面积约为 70×104
km2[1]。由于黄土具有多空隙、垂直节理发育和透水性 强等特点，使得黄土颗粒间胶结强度低，因此当黄土
收稿日期：2013−03−20；修回日期：2013−06−10 基金项目：甘肃省科技支撑计划项目(1011FKCA093)；中国铁建科技支撑计划项目(12-C32) 通信作者：吕擎峰(1966−)，男，甘肃会宁人，博士，副教授，从事岩土工程与地质灾害方面的研究；电话：13909499095；E-mail: lvqf@lzu.edu.cn
根据研究表明，经历 8~10 次的冻融循环之后， 黄土与改性黄土的物理力学性质趋于稳定[10]，故本次 试验冻融循环的次数设定为 10 次。参考兰州地区冬季 平均地表温度确定冻结温度为−15 ℃，融化温度为
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吕擎峰，等：改性黄土的冻融特性
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5 ℃，1 次冻融循环为 24 h，其中冻 12 h，融 12 h。冻 融循环后的试件与未进行冻融循环的试件分别做无侧