0 引　言

近年来，城市和交通网络不断扩展，建设了大量的工程基础设施。在各种工程构筑物的建设中，例如挡土墙，人行道，水路，灌溉和排水网络，防护屏障和路堤等，常常遇到地质条件较差的土体。为了保证工程基础设施的安全与稳定，就需要对地质条件不良的土体进行加固，最常见的方法就是掺入水泥、石灰和粉煤灰等稳定掺料。但自然环境多种多样且不同掺料的作用和效果也不同，因此需要对稳定掺料的性能进行充分研究。

目前已经有许多学者对不同稳定掺料制备的稳定土的性能进行了研究。例如彭波等^[1-2]、薛艳华等^[3]、方中明等^[4]以及刘宏伟等^[5]利用石灰制备了石灰稳定土并分别进行了承载比强度试验、干湿循环试验以及无侧限抗压试验对石灰稳定土的强度机理、石灰稳定土的水稳定性进行了研究，证明了石灰稳定土作为路基材料的可行性，且石灰颗粒越细，比表面积越大，水化产生的凝胶也越多，对稳定土的性能越有利^[6]。此外，许多学者也分别利用电石渣^[7]、钢渣^[8]、水泥^[9]、土质固化剂^[10]、纤维^[11]等制备了稳定土，研究结果表明适量的电石渣、纤维、钢渣、水泥和土质固化剂都能够改善稳定土的力学以及水稳性。与此同时，外国学者也对聚丙烯纤维^[12]、硅粉^[13]、麦秸和矿渣^[14]对稳定土力学特性和冻融耐久性的影响规律进行了研究。

综上可知，目前已经积累了大量的不同稳定掺料加固性能的研究成果，但是上述稳定土的掺料基本都是工业产品，大量使用难免会提高成本。相比于以上的掺料，稻壳灰这种稻壳燃烧后的残留物具有成本低和环保等特点。因此，本文利用稻壳灰、水泥和石灰制备了两种稳定土并通过三轴剪切和冻融循环试验对两种稳定土的力学特性和冻融耐久性进行研究，为稻壳灰在稳定土中的利用提供参考。

1 实　验 1.1 试验材料

本试验采用的土样为临近市政工程的回填土，比重为2.55，基本物理特性，见表1。在去掉杂物和砾石等大颗粒之后，对土样进行筛分，获得如图1所示的级配曲线；该土样含有26.5%的砾粒(>2 mm)，25.3%的中砂(0.5~2 mm)，9.8%的细砂(0.25~0.5 mm)，11.9%特细砂（0.075~0.25 mm）和26.4%的粉粒和黏粒（<0.075 mm），参考GB/T 50145—2007《土的工程分类标准》，该土样为黏土质砂。

水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥，其基本特性如表2所示。石灰为精细生石灰粉，其细度为48000 nm；稻壳灰是稻壳在600℃的温度下充分燃烧之后的残留物。水泥、石灰和稻壳灰的基本特性和矿物成分见表2和表3。

1.2 实验分组以及试样制备

水泥-石灰稳定料以及水泥-稻壳灰稳定料均按照1∶1的比例进行制备；在此基础上，分别按照0%、2.5%、5%、7.5%和10%质量比掺入土样中并充分搅拌，制备水泥-石灰稳定土（CL）和水泥-稻壳灰稳定土(CA)。拌合完成之后，采用专用的制样器进行三轴试样制备，试样为φ39.1 mm×80 mm的圆柱体（如图2所示）。制样过程中采用分层填筑、分层压实的方法，且压实压力和次数均相同；填筑压实后，用聚乙烯保鲜膜将模具两端覆盖，并在恒温恒湿（(25±1) ℃，和湿度大于90%的养护箱）条件下进行养护，24 h之后拆模；并继续用保鲜膜将试样包裹，继续在上述温湿度条件下养护直到测试为止。

1.3 试验方法与设备

为了分析水泥-石灰稳定土和水泥-稻壳灰稳定土的强度特性，在养护3、7、28 d之后进行了固结不排水（CU）三轴试验；试验围压分别为50 kPa、100 kPa和200 kPa。三轴剪切试验采用的是由南京土壤仪器有限公司生产的TSZ-6A型应变控制式三轴仪，加载速度设置为0.05 mm/min。

为了研究两种稳定土抵抗冻融循环的特性，分别进了5、10、15、20、25次冻融循环。在养护28 d后，将试样放入冰箱中在–20 ℃的条件下冷冻12 h，之后将试样取出放入室温（25 ℃）的环境下12 h，以此作为1次冻融循环过程。在冻融循环之后，对试样的质量进行称量并计算质量损失率；同时利用超声波速对试样的力学特性退化规律进行间接分析。

2 强度试验结果 2.1 围压的影响

养护28 d后，不含稳定掺料和分别掺入10％的水泥-石灰以及10%水泥-稻壳灰的稳定土的应力应变关系如图3所示。当不含稳定掺料时，土样的强度和刚度均随着围压的增加逐渐增强；但随着轴向应变的增加，并未出现偏应力下降的软化现象，如图3（a）所示。当掺入10%的稳定掺料之后，随着围压的增加，试样的强度和刚度均有提高；但不同的是，掺入稳定掺料之后，在峰值强度之后出现了明显的软化现象。同时，对比CA-10%和CL-10%的应力应变关系可以看出，CL-10%试样在峰值强度后的偏应力跌落现象较CA-10%更加明显，这表明CL-10%试样的脆性更为明显，如图3（b）所示。这是由于在掺入的矿物掺合料会在稳定土内发生水化反应，对土颗粒进行胶结，从而明显提高稳定土的强度和刚度。

试样的抗剪强度随着围压的增加而变化的规律如图4所示。随着围压的增加，所有试样的抗剪强度均逐渐增大；其中，在3 d龄期下，相对于围压50 kPa下的剪切强度，当围压达到100 kPa和200 kPa时，稳定土的剪切强度平均增加了39%和141%；在养护28 d后，稳定土在100 kPa和200 kPa时的剪切强度平均增长率分别为31%和101%。对比不同龄期下试样的剪切强增长率可以看出：在龄期3 d时，试样的平均剪切强度增长率明显大于28 d的强度增长率；表明龄期越长，围压的影响越小。

另外由图4还可以看出在掺量、围压和龄期均相同时，水泥-石灰稳定土的剪切强度大于水泥-稻壳灰稳定土的强度；例如在200 kPa时，龄期3 d的CL-10%试样的剪切强度较CA-10%的剪切强度大49 kPa。同时，在相同条件下，试样在龄期28 d的剪切强度大于3 d的剪切强度；以CL-10%为例，在200 kPa时，该试样在28 d的剪切强度比龄期3 d时的剪切强度大260 kPa。根据表3，石灰中含有大量的氧化钙，在水分的作用下发生水解形成Ca²⁺和OH^–，这些离子可以与水泥的二氧化硅发生离子反应；同时氧化钙也会与二氧化硅发生水化反应。离子反应和水化反应都会生成网状的C-S-H凝胶。这些胶凝会附着在土颗粒表面，将土颗粒胶结成整体。同时该过程也会降低土体中孔隙的数量和大小从而有效地提高稳定土的强度；而稻壳灰中的氧化钙含量较低，反应速度和产生的水化凝胶也相对较少，因此CA试样的强度低于CL试样的强度。

2.2 强度增长规律

不同掺料试样的剪切强度随着龄期的增加规律如图5所示。两种不同掺料的试样在第一周内的剪切强度增长速度明显大于7~28 d的强度增加速度；以CL试样为例，在掺入量分别为2.5%、5%、7.5%和10%时，试样在7 d的剪切强度分别是28 d的剪切强度的78.8%、66.7%、68.2%和76.1%。对比两种掺料稳定土的强度增长规律可以发现，虽然水泥-石灰稳定土的强度较水泥-稻壳灰稳定土的强度大，但掺入量分别为2.5%、5%、7.5%和10%时，水泥-稻壳灰稳定土在3~7 d内的强度增长率分别为91.4%、70%、68%和81.6%，大于同等条件下的水泥-石灰稳定土的强度增长率；这表明相比于水泥-石灰稳定料，掺入水泥-稻壳灰更有利于提高稳定土的早期强度。这一现象是因为稻壳灰内有较多无定型SiO₂，而掺入水泥可以提供足量的CaO；SiO₂和CaO直接发生水化反应，生成C-S-H凝胶提高稳定土的强度；而水泥-石灰之间的离子反应需要经历离子水化的过程，因此较稻壳灰-水泥间的水化反应慢。

2.3 掺料掺量对强度的影响

稳定土剪切强度随着掺料掺量的增长规律如图6所示。随着掺量的增加，所有试样的剪切强度逐渐增加；且在3 d时，试样的强度随着掺量的增长率小于28 d时试样强度随着掺料掺量的增长率；以CL-200 kPa为例，相对于掺量=2.5%的试样，在龄期为3 d时，分别掺入5%、7.5%和10%的水泥-石灰稳定料后，试样的剪切强度分别增加了5.4%、24.6%和65.7%；而在28 d龄期时，在相同的掺量下，试样的剪切强度增长分别增加了19.2%、53.7%和88.8%；如图6（a）所示；CA试样的强度随着掺量的增长规律也是如此，如图6（b）所示。

28 d龄期时，试样的粘聚力和内摩擦角随着掺料掺量的变化规律如图7所示。从图7（a）可以看出随着稳定掺料掺量的增加，试样的粘聚力先增加，之后趋于稳定；但随着掺量的增加，水泥-石灰稳定土的粘聚力的增长较快。如试样CL-28 d和CL-7 d，在掺入5%的水泥-石灰稳定料时，试样的粘聚力已经达到最大值；而对CA-28 d和CA-7 d试样，当水泥-稻壳灰的掺量达到7.5%之后才会在试样内部形成足够强度的胶结结构，试样的粘聚力才达到最大值。整体上，在相同的掺量时，CA试样的粘聚力小于CL试样的粘聚力。

内摩擦角随着稳定料掺量的变化规律如图7（b）所示。当龄期和掺量较低时，试样的内摩擦角几乎不受掺量的影响；当龄期为7 d和3 d时，只有在掺量>5%之后，试样的内摩擦角才随着掺量的增加而增加。但是，当龄期达到28 d时，试样的内摩擦角随着掺量的增加明显增加，且当水泥-稻壳灰稳定料=5%时，试样CA-28 d的内摩擦角达到最大值34.22°；在水泥-石灰=7.5%时，试样CL-28d的内摩擦角达到最大值33.3°。同时，与粘聚力的规律相反，CA试样的内摩擦角大于CL试样的内摩擦角。由于水分常吸附于土颗粒表面，常常在土颗粒表面及接触位置形成胶结结构；但是当矿物掺合料不断增加，水化胶结结构对土颗粒的胶结作用逐渐减弱，粘聚力增长也就逐渐放缓；在水化反应的初期，胶结结构的强度较低，抵抗剪应力的能力弱；随着龄期的增加，胶结结构的强度和数量均有大量的提升，使得土颗粒间的摩擦作用明显提高。

2.4 掺料类型对强度的影响

掺量类型对试样剪切强度的影响如图8所示。从该图可以看出，龄期3 d时，水泥-石灰稳定土的剪切强度大于水泥-稻壳灰稳定土的强度；且当掺料掺量较少时，试样的剪切强度增长较慢；当掺量≥7.5%后，强度增长较快，如图8（a）所示。当龄期达到28 d时，试样的强度几乎随着掺量的增加呈线性增加，但当围压较低（≤100 kPa），稳定料掺量小于7.5%的试样，两种稳定土的强度基本相同，如图8（b）所示。结合图4，虽然CA试样在3 d到7 d的强度增长率较CL试样的大，但CL试样的强度特征整体优于CA试样的强度，尤其是当掺量≥7.5%的时候。

3 冻融循环 3.1 质量损失率

在经历冻融循环后，试样的质量损失率如图9所示。经过5个循环后，试样的质量损失率较小；表明此时试样的完整性仍然较好。但随着冻融循环次数的增加，试样的质量损失率逐渐增加；其中，未掺入掺料的试样的质量损失率最大，且循环次数越多，质量损失率越大，在循环25次之后试样的质量损失率达到了28%。掺入水泥-石灰稳定料的试样的质量损失率随着冻融循环次数增加而增加。在冻融循环25次后，CL-10%试样的质量损失率为16.4%；但其质量损失率明显小于未掺入稳定料的纯土试样的质量损失率；对比三种土样，CA-10%试样的质量损失率则最低，在经历25次冻融循环后，该试样的质量损失率为3.4%。这表明稳定土的冻融耐久性顺序为CA>CL>纯土。

3.2 超声波速试验

经历冻融循环后，试样除了会有一定程度的质量损失外，其内部结构也可能发生损坏；因而难以进行强度试验。为此，本研究利用超声波速试验对经历冻融循环后的稳定土力学特性变化规律进行间接研究。试样的超声波速随着冻融循环次数的变化规律如图10所示。随着冻融循环次数的增加，试样的超声波速逐渐降低。相比之下，在相同掺量和冻融循环次数下，CA-10%试样的超声波速大于CL-10%试样的超声波速；表明随着冻融循环次数的增加，稳定土的力学特性出现了退化，且退化程度为：纯土>CL>CA。这也再次证明在相同的条件下，掺入稳定料有利于提高土样的抗冻融循环性能，且CA试样的冻融耐久性优于CL试样。

4 结束语

为了分析水泥-石灰和水泥-稻壳灰对稳定土力学特性和抗冻融循环性能的影响规律，本文分别以不同掺入比制备了水泥-石灰稳定土和水泥-稻壳灰稳定土，并通过三轴剪切试验、冻融循环试验和超声波速测试对稳定土进行了测试，基于试验结果获得了如下结论：

1）随着围压的增加，试样的强度和刚度均有提高；掺入稳定掺料之后，试样出现了明显的软化现象；掺入10%水泥-石灰的试样在峰值强度后的偏应力跌落现象较掺入10%水泥-稻壳灰试样更加明显，表明10%水泥-石灰的试样的脆性更为明显。

2）随着掺量和养护龄期的增加，试样的强度逐渐增加；且3~7 d的强度增长率明显高于7~28 d的强度增长率。相比之下，掺入水泥-石灰稳定掺料的试样的强度较掺入水泥-稻壳灰的试样更高；但掺入稻壳灰更有利于提高稳定土的早期强度，且掺量为10%时最佳。

3）随着掺量的增加，试样的粘聚力先增加，在掺量达到7.5%后趋于稳定；但随着掺量的增加，水泥-石灰稳定土的粘聚力的增长较快。龄期较低时，试样的内摩擦角几乎不受掺量的影响；当龄期达到28 d时，试样的内摩擦角随着掺量的增加明显增加，且水泥-稻壳灰试样的内摩擦角大于水泥-石灰试样的内摩擦角。

4）随着冻融循环次数的增加，不同试样的质量损失率顺序为纯土>水泥-石灰试样>水泥-稻壳灰试样；而波速顺序为水泥-稻壳灰试样>水泥-石灰试样>纯土；表明水泥-稻壳灰试样的抗冻融循环性能优于水泥-石灰试样，纯土试样的抗冻性能最差；结合强度和抗冻性能结果水泥-稻壳灰的建议掺量范围为7.5%~10%。