菱苦土改性膨脹土工程性質的試驗研究★

崔慧梅 王楷 馬堯

(南京工程學院，江蘇南京 210000)

1 概述

1.1 膨脹土的概述

膨脹土是一種在陸地表面分布較為廣泛的特殊性黏土，在自然地質過程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮性的地質體，土中粘粒成分主要由親水性礦物組成，其中包括蒙脫石、伊利石、高嶺石等，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特征的粘性土。由于它具有顯著的脹縮性，常常給膨脹土地區的房屋建設、鐵路、公路、機場、水利工程等帶來巨大的破壞，給世界各國造成了巨大的經濟損失。因此，為確保路基的穩定性和強度，對膨脹土性質的研究顯得尤為重要。工程上對弱膨脹土用控制含水率和密度的方法，可以部分消除其脹縮性，但對于中強膨脹土用上述方法不能達到消除其脹縮性的目的，必須改性處理。土質改良的方法有很多，如摻少量的水泥、石灰、粉煤灰等。本文按照高等級公路路基施工的技術要求，從試驗的角度研究了膨脹土用菱苦土改性后的物理力學性質。

1.2 菱苦土的簡介及反應機理概述

菱苦土又名苛性苦土、苦土粉，它的主要成分是氧化鎂。以天然菱鎂礦為原料，在800℃ ～850℃溫度下煅燒而成，是一種細粉狀的氣硬性膠結材料。顏色有純白，或灰白，或近淡黃色，新鮮材料有閃爍玻璃光澤。其物理性質為白色輕松粉末，無臭、無味，本品不溶于水和乙醇，熔點2 852℃，沸點3 600℃，有高度耐火絕緣性能。菱苦土生產量大，價格便宜，運輸方便，可以成為改良膨脹土的一種優良材料。

菱苦土的化學成分的含量見表1。

表1 菱苦土的化學成分

由表1可知，菱苦土里含量較多的是CaO，因此反應主要為CaO與水的反應。MgO與水反應很慢，所以對于化學改良膨脹土的作用不是很大，CaO與水反應的機理如下:CaO加入土中后，會發生一系列的化學反應和物理化學反應。這些反應的結果使粘土顆粒的結合水膜減薄，粘土膠粒絮凝，生成晶體氫氧化鈣和含水硅鋁酸鈣等膠結物，這些膠結物逐漸由凝膠狀態向晶體狀態轉化，致使石灰土的剛度不斷增大，強度和水穩性不斷提高。

2 試驗方法

本次所有試驗均按照部頒JTJ 051.93公路土工試驗規程和JTJ 07.94公路工程無機結合料穩定土試驗規程進行。土樣經過風干、碾、過5 mm圓孔篩，預定摻入菱苦土量為9%，12%和15%。采用重型擊實法測定其不同苦土劑量時的最大干密度和最佳含水量，再根據不同石灰摻量的最佳含水量采用靜壓法(壓實度為95%)制備試樣浸潤24 h，進行直接剪切試驗、無側限抗壓試驗。對不同苦土摻量的界限含水量也進行了試驗。

3 試驗結果分析

3.1 菱苦土改性膨脹土的界限含水量

膨脹土的界限含水量是指黏土顆粒與水相互作用的一種屬性。膨脹土主要由親水的黏土礦物組成，含有較多的細小黏土顆粒成分，故具有擴散雙電層較厚、比表面積大等特點，與一般細粒土相比而言，膨脹土一般具有高液限、高塑性指數的特點。

表2 不同摻灰率下的液限與塑限值

從表2可以看出，隨著摻灰率的增加，塑限和液限都在提高，但提高的幅度不是很大，影響液限和塑限的主要原因是苦土里面含CaO，CaO與水發生化學反應，吸收水分，由于CaO在苦土里只占百分之二十幾，所以在提高液塑限幅度上作用不是很明顯。

3.2 改性后的膨脹土的強度

無側限抗壓試驗是在沒有圍壓的情況下測得軸向抗壓強度，通過抗壓儀器測得研究的土樣抗壓強度，將其數據繪制成表格和圖形。直接剪切試驗是在不同等級的垂直壓力下抵抗剪力的強度，將其數據匯成表格和圖形。

3.2.1 菱苦土改性膨脹土抗剪強度

土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學性質指標之一。工程中的地基承載力，擋土墻的土壓力，土坡穩定等問題都與土的抗剪強度直接相關。根據庫侖定律，土的抗剪強度與剪切面上的法向應力成正比。其本質是由于土粒之間的滑動摩擦以及凹凸面間的鑲嵌作用產生的摩阻力，其大小決定于土粒表面的粗糙度、密實度、土顆粒的大小以及顆粒級配等因素。粘性土的抗剪強度由兩部分組成，一部分是摩擦力，另一部分是土粒之間的粘結力。

用庫侖定律公式表達為:

直接剪切試驗是測定土抗剪強度指標的一種常用方法。通常將同一土樣切取不少于四個試樣，分別在不同的垂直壓力下施加水平剪切力，測得破壞時的切應力，以確定土的內摩擦角和內聚力，為工程實踐提供依據。

由表3可以看出各摻灰率下膨脹土在含水率12%，15%的情況下內摩擦角，粘聚力較大，在12%，15%含水率下的抗剪強度較大，在摻灰率增大的情況下，相同含水率下的膨脹土粘聚力下降。在摻灰率逐漸增大的情況下，同一含水率土樣的抗剪強度有降低的趨勢，因為在摻灰率增大的情況下，CaO與水反應，吸收了部分水，雖然CaO的反應物能夠增強土粒之間的粘結力，但是，由于苦土中的CaO含量并不是很高，所能增加摻合物土的抗剪強度，不足以抵消由于粘粒量減少，摻灰土的內部黏土粘聚力的降低。苦土中主要是MgO，其在改良膨脹土中的主要作用是物理改良，MgO與水緩慢作用，不明顯，隨著MgO含量的增加，土樣內的粉粒增多，粉粒容易發生滑移，所以強度自然有所降低。

表3 各摻灰率下膨脹土的內摩擦角和粘聚力

3.2.2 菱苦土改性膨脹土無側限抗壓強度

由圖1和表4可知，養護7 d后的試樣在摻灰9%的情況下，無側限抗壓強度達到最大，隨著摻灰率的提高，無側限抗壓強度反而降低，這是由于高摻灰率的情況下，摻合物與水發生反應，在土樣內部產生一定的孔隙，孔隙的產生，降低了土樣部分的抗壓強度，發生化學反應吸水也使微粒間的粘聚力降低，隨著摻灰率的增大，黏土的含量減少，粉粒的含量增大，粉粒間容易產生滑移，從而更容易發生脆性破壞。從圖1中還可以看出，無側限的峰值主要產生于最優含水率的附近。

圖1 無側限抗壓強度曲線

表4 各土樣無側限抗壓下的最大強度值

4 結語

1)在菱苦土的混合物中，隨著摻灰量的增加，液限增加，塑性增加，在菱苦土含量的增加下，自由膨脹率降低，但菱苦土含量達到15%后，基本達到降低膨脹率的要求，在菱苦土含量繼續增加的情況下，對膨脹率的降低影響不大。隨著菱苦土含量的增加，最優含水率增大，最大干密度也相應的增加。

2)養護7 d后的試樣，在摻灰9%的情況下，無側限抗壓強度峰值達到最高，隨著摻灰率的提高，無側限抗壓強度峰值反而降低。各摻灰率下膨脹土在含水率12%，15%的情況下內摩擦角，粘聚力較大，各不同摻灰含量下的膨脹土在12%，15%含水率下的抗剪強度較大，在摻灰率增大的情況下，相同含水率下的膨脹土粘聚力下降。

3)干濕循環下的抗剪強度:1次循環到5次循環后的各摻灰率下膨脹土的抗剪強度有比較明顯的降低，10次、15次、20次循環試驗下的抗剪強度基本降低不大，抗剪強度趨于穩定。

4)最優含水率下不同摻灰率的膨脹土，在隨著菱苦土含量增加的情況下，壓縮指數降低，但降低的不是很明顯。

注:指導老師:張德恒。

［1］孫樹林.廢改良土及其環境影響的試驗研究［M］.北京:科學出版社，2003.

［2］宋 亞.合肥地區膨脹土的石灰改良試驗研究［D］.合肥:合肥工業大學碩士學位論文，2009.

［3］JTG E40-2007，公路土工試驗規程［S］.

［4］馬海龍.土力學［M］.北京:中國建設出版社，2007.

［5］殷宗澤.土工原理［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［6］梁 旭.工業廢渣赤泥在公路中的應用技術研究［D］.重慶:重慶交通大學碩士學位論文，2009.

［7］華南理工大學，浙江大學，湖南大學.基礎工程［M］.北京:中國建筑工業出版社，2003.