0.   引言

黄土广泛分布在中国西北和黄河中游地区, 分布面积大。黄土是特殊土之一，因其来源地的原生矿物性质，富含钙质成分，又因其独特的形成方式，堆积松散生成大孔隙结构，具有湿陷性^[1]和震陷性^[2]。因此，对黄土进行改性处理，减小其压缩性，提高其抗剪强度和防渗性，对解决黄土地区工程问题具有重要意义^[3]。

针对黄土改性的研究，以减小其增湿变形特性，提高抗剪强度的研究，从来就没有停止。首先人们一般从身边最常见的建筑胶结物石灰开始，通过向黄土中添加石灰或石灰结合粉煤灰^[4]来提高黄土密实度，达到提高抗剪强度和地基承载力的目的。将水泥作为添加剂来处理黄土湿陷性也是一种常见的地基处理方法，对其加固机理进行了相关研究^[5-8]。作为工业“三废”之一的粉煤灰，开展了其增强黄土的静力力学性质和用于改性黄土的动力特性的研究^[9]。

近年来，出现了多种工业废材来改性黄土力学性质的方法。如采用尾矿渣赤泥^[10]来改性黄土，提高黄土力学性质。木质素是一种高分子化合物，能够有效增强散体材料的胶结强度，可改良黄土的持水性和水稳性^[11]。高分子材料^[12]和酸性物质^[13]等均可在一定程度上提高黄土压实性和水稳性。

本文选取高分子聚合物纳米材料路液（Roadyes^TM）为添加剂，将其和石灰、水泥等材料单独和组合使用来改性黄土，基于侧限压缩试验和三轴剪切试验，研究了路液结合石灰、水泥使用对改性黄土的压缩特性以及抗剪强度等多个方面的影响，分析了压缩指数、回弹指数和抗剪强度指标随路液、石灰和水泥掺量变化的规律，研究成果对改性黄土提供理论依据。

1.   试验材料与试验方法

1.1   试验材料

试验所用黄土取自陕西渭南华州大道，取土深度为2 m，基本物理性质见表 1。

表  1  黄土基本物理性质指标

Table  1.  Basic physical properties of loess

干密度 /(g·cm-3)	含水率/ %	塑限/ %	液限/ %	塑性 指数Ip	土粒相对质量密度Gs
1.44	17.2	20.1	30.3	10.2	2.70

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1.2   试验方法

对试验所用黄土进行风干、碾碎和过筛处理，并将路液加入水中搅拌均匀，后装入密封袋中备用。

（1）压缩试验

采用压缩仪，分别作不同路液掺量（0%，0.05%，0.25%，0.5%）下的重塑黄土，路液（0.25%）分别结合石灰（7%，10%，13%）和水泥（3%，6%，9%）掺入黄土的压缩试验，分析各添加剂掺量和养护时间对改性黄土压缩特性的影响

（2）三轴剪切试验

采用与压缩试验相同的路液、石灰和水泥配比方案，开展三轴剪切试验，分析各成分掺量和养护时间对改性黄土的抗剪强度的影响。

2.   试验结果与分析

2.1   压缩试验分析

针对纯素黄土（简称RE），掺入不同掺量路液（3S）、0.25%路液和不同掺量石灰（简称LT）、0.25%路液和不同掺量水泥(简称CT)的方案对应的改性黄土，压缩回弹试验，均是在各自掺量对应的最大干密度和最优含水量下进行试验，对比分析孔隙比、压缩指数和回弹指数的差异性。

图 1反映只掺入路液的黄土，具有了结构强度，土在压力作用下，孔隙比的变化趋势有转折发展特性，添加路液结合石灰，路液结合水泥的黄土压缩没有明显的结构强度，随压力孔隙比直线性降低。分别掺入路液0.25%和0.5%的改性黄土在压力作用下孔隙比均小，但两条压缩曲线非常接近，发展趋势相似，也说明路液掺量增加，改性黄土压缩性并非持续减小，掺入路液和水泥改性黄土的孔隙比比掺入路液和石灰要小。

图  1  不同配方改性黄土压缩试验曲线

Figure  1.  Compression test curves of modified loess with different formulations

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对比分析是否掺入路液的石灰和水泥改性黄土的压缩和回弹特性（见图 2和图 3），发现掺入了路液的改性黄土，压缩指数均减小。其中水泥结合路液比石灰结合路液改性黄土的效果更明显。当掺入0.25%路液后，改性土的压缩特性并非随掺入的石灰和水泥量增加而增大，石灰掺量7%和水泥掺量3%时，效果明显。添加路液的改性黄土压缩指数的变化率比回弹指数变化率大，这反映出在路液与土中化学物质反应生成凝胶的起到了促进土更易于压缩，抑制了土的回弹特性。

图  2  不同配方改性黄土压缩指数曲线

Figure  2.  Compression index curves of modified loess with different formulas

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图  3  不同配方改性黄土回弹指数曲线

Figure  3.  Rebound index curves of modified loess with different formulas

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2.2   三轴剪切试验分析

通过三轴剪切试验，对比分析了不同方案改性黄土的抗剪强度指标随养护时间的演化规律及差异性（见图 4）。首先是养护时间越长，改性土的黏聚力均增大。当路液和石灰结合改性黄土时，黏聚力明显比单纯石灰改性的黄土增大近50%，当石灰掺量小于7%时，路液的添加会提高改性黄土黏聚力75%；其次在3 d养护条件下，内摩擦角表现为添加路液的均大于未添加路液的，养护大于3 d的表现为掺入路液后，摩擦角随着石灰掺量增加增幅相对减小，低于未掺入路液的纯石灰改性黄土。分析这是因为黄土中的SiO₂和石灰中的Ca(OH)₂在路液的作用下产生大量的CaOSiO₂H₂O凝胶，填充孔隙和在固化作用下，使土颗粒间的结合力提高，进而增大了改良黄土的黏聚，其应力-应变曲线像硬化型转变，强度提高，破坏特性向硬脆性发展。

图  4  不同条件下改性黄土抗剪强度指标与石灰掺量关系曲线

Figure  4.  Curves of shear strength index and lime content of modified loess under different conditions

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分析路液对水泥改性黄土抗剪强度指标的影响（见图 5），发现在水泥改性黄土中加入路液，对黏聚力和内摩擦均有提高，其中黏聚力增加显著。对比28 d养护条件下，当水泥掺入9%时，添加路液的改性黄土可比未添加路液的黏聚力提高近70%，但当水泥含量3%时，有无添加路液，黏聚力提高不明显。添加了路液和水泥的改性黄土摩擦角得以提高。

图  5  不同条件下改性黄土抗剪强度指标与水泥掺量关系曲线

Figure  5.  Curves of shear strength index and cement content of modified loess under different conditions

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对比分析添加了路液与石灰和水泥分别改性黄土的抗剪强度指标（见图 6），表明28 d养护期对应的水泥（6%）和路液组合改性黄土的黏聚力要比石灰（8%）和路液组合改性黄土高700 kPa。且随着养护时间增大，提高幅值更加明显。摩擦角同样表现为路液结合水泥改性黄土高于路液结合石灰改性黄土。

图  6  不同条件下改性黄土抗剪强度指标的对比曲线

Figure  6.  Comparison curves of shear strength indexes of modified loess under different conditions

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3.   结论

本文分别对路液、石灰和水泥单独和组合方案下改性黄土的力学特性随掺量和养护时间的演变特性进行了研究，取得了以下两点结论。

（1）通过压缩试验，发现路液分别和石灰、水泥组合方案改性黄土的压缩指数和回弹指数均减小明显，提高了黄土的抗压缩性，且组合改性效果更优。

（2）采用三轴剪切试验对比了不同改性方案对应的黄土抗剪强度指标演化规律，0.25%路液结合3%水泥的改性黄土黏聚力远大于其他方案改性黄土，路液结合水泥改性黄土随养护时间的增大，内摩擦角减小，改性黄土向硬脆性土发展。