石灰改性膨脹土機理及施工質量關鍵點研究

周小順，王 崗，覃 朗

（1.徐州市交通工程機械化施工處，江蘇 徐州 221000；2.浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231；3.浙江中地海外水務實業有限公司，浙江 杭州 310000）

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特殊黏性土，工程表現為多裂隙性、超固結性、強親水性和反復脹縮性。膨脹土在世界范圍內分布極廣，迄今發現存在膨脹土的國家40多個，遍及六大洲，而我國有20多個省區發現有膨脹土［1］。膨脹土的特性造成房屋建筑、鐵路、公路、機場、水利工程等遭受巨大的破壞［2］。在美國，它引起的經濟損失已超過了洪水、颶風、地震和龍卷風每年所造成的損失總和。

在工程上，對弱膨脹土用控制含水量和密度的方法可以部分消除其脹縮性，但對于中、強膨脹土較難奏效，必須進行改性處理。土質改性的方法有很多，如摻入水泥、石灰、粉煤灰、氯化鈉、氯化鈣和磷酸等改性劑［3］。改性后的膨脹土，用于高等級公路的修筑，具有很大的經濟實用價值，近年來應用廣泛［4～5］。不少科研單位和個人對膨脹土性質及處理方法已做了不少試驗研究。然而，由于膨脹土成因的復雜性，不同地區膨脹土性質的差異，試驗方法的選擇不同，［6］以前的研究成果和通過室內試驗研究提出的措施效果如何，還要通過工程實踐檢驗、改進，這就需要結合工程施工實際作進一步研究。通過研究不斷改進施工工藝，確保膨脹土填筑路基的施工質量，確實降低改性土的脹縮性，以滿足施工要求［7］。

1 石灰改性膨脹土機理研究

1.1 石灰改性機理

目前處理膨脹土的方法主要是化學改性，采用摻石灰處理膨脹土的方法最為普遍而且有效。摻石灰處理后降低脹縮性主要是通過減小土的塑性來實現的。石灰穩定的過程主要有兩個：①石灰中的鈣離子取代土中低價的陽離子，比如黏土顆粒表面的鈉離子，發生的陽離子交換，而沒有發生交換的鈣離子可能會被吸收，造成總的離子單位重量增大；②當石灰與土混合時，通過黏土顆粒的絮凝，土的組織發生了變化。隨著石灰含量的增加，人為地減少了黏粒含量，因而也就相應減小了膨脹與收縮。［8］

1.2 改性點選擇

石灰與含水的黏土接觸后將發生一系列物理化學反應，這些反應將引起土的物理力學性質改變。實踐證明，在含水量合適的條件下，當灰劑量小于某個值時，反應石灰穩定土的性質指標隨著灰劑量的增加而變化較快；當灰劑量大于某個值時，其性質指標隨著灰劑量的增加而變化趨緩，這一灰劑量被稱為“改性點”［9］。“改性點”隨著土及石灰的材料差異而變化，但基本接近于3%。本文選取摻加3%的石灰作為石灰改性膨脹土的基本灰劑量。

1.3 影響土體膨脹性大小的因素

影響膨脹土的脹縮特性的因素很多，總的說來，可分為內因和外因兩個方面［10］。

（1）膨脹土的礦物組成。

（2）膨脹土團粒的大小。土的粒度越細，它同石灰的相互作用將越充分，否則要適當增加石灰用量。

（3）石灰用量。當石灰用量不足時，一般不產生膠結作用，這時只是大幅度地降低了膨脹土的塑性，也減低其膨脹潛勢和收縮性，但對其強度的影響不大；隨著石灰用量的增加，膠結作用增加，逐漸增大石灰土強度，直到最佳用量時，改性土達到最大強度。

（4）時間。膨脹土與石灰摻和后，其強度是隨著時間而逐漸增加的。3個月內強度隨時間而變化明顯，超過 3個月增加趨緩；1個月內強度變化較快，所以一般工程中取28 d強度作為判斷石灰處理效果的指標。

（5）濕度。濕度增加，石灰與膨脹土的作用過程將加快。

2 石灰改性膨脹土室內試驗

2.1 工程概況

膨脹土來源為江蘇省中部某高速公路。地質資料反映，路線有大面積覆蓋于地表或埋藏在地表下淺層處的膨脹土。沿線共布設73個探坑，取土樣146個。

（1）沿線膨脹土普遍分布于第1、2層黏土及下伏第2－l層黏土。第 1、2層裸露地表，與路基關系密切，第 2－l層部分地段裸露，大部分地段被第1、2層覆蓋。鑒于部分路段可能為挖方，故對路基穩定性的影響不可低估。

（2）膨脹土巖性為黃褐色、褐灰色黏土，含鐵錳質氧化斑紋、斑點及結核雛形，厚度0.5～2.0 m，局部地段厚度可達3 m。

對于膨脹性土層路基地段，應特別注意第1、2層黏土含水量變化，防止失水或浸水，需在試驗指導下進行摻灰處理。對于2.0 m以下第2－1層弱膨脹性土，由于被上覆層掩蓋較深，又位于地下水之下，對路基穩定性無影響，一般可不進行處理。

2.2 試驗方法

（1）擊實試驗。在規定的試筒內，對素土及石灰改性土進行擊實試驗，［11］繪制土體含水量與干密度關系曲線，確定其最佳含水量和最大干密度。

（2）行保溫保濕養生（濕度≥98%，溫度保持20±2 ℃）。養生至最后一天，將試件浸泡在水中24 h后，測定無側限抗壓強度。［11］

2.3 改性前后膨脹土的脹縮特性

試驗時將素土及石灰改性土土體采用烘箱將土樣烘干后再加至不同含水量，再進行試驗［12］。

2.3.1 自由膨脹率δef

從工程角度考慮，自由膨脹率是一個沒有實際意義的指標，［13］但在一定程度上也能反映黏土礦物、粒度成分和交換陽離子成分等基本特征。

表1 素土及灰劑量3%改性土自由膨脹率 / %

可以看出，膨脹土的膨脹性得到了很好的抑制。

2.3.2 無側限抗壓強度

將現場取回的素土土樣及改性土土樣制成不同干密度試件（最大干密度取90%、93%、95%），分別養護7 d、28 d、56 d，進行無側限抗壓強度試驗。

（1）圖1為不同干密度、不同灰劑量（素土、3%灰、6%灰）養護28 d的素土與改性土應力－應變關系曲線。改性土曲線在開始階段比較平緩，然后逐漸陡峭，即試樣在開始受壓時，較小的應力就產生了相對較大的應變，彈性模量也較小，而后彈性模量逐漸變大。

（2）由圖1可知，膨脹土、素土在最佳含水量附近本身就具有較高的強度（達到1.046 MPa），改性后強度有進一步增大。干密度93%、灰劑量3%、養護時間為28 d的試樣破壞強度達到了1.487 MPa。膨脹土加石灰改性不僅改善了脹縮性，也使強度有所提高，這是由于膨脹土中摻入石灰后，使得土中Ca2＋離子含量提高，而Ca2＋離子很容易和水以及空氣中的CO2反應生成碳酸鈣，碳酸鈣本身就是一種非膨脹礦物，無疑會對提高強度、減小土的脹縮性起作用。如果碳酸鈣以包膜的形式覆蓋在土樣表面上時，其作用就更為顯著。其次，黏土礦物中的Al3＋離子與石灰中氫氧基形成氫氧化鋁，使土脫水硬化，增強了土的膠結力，也會有一定的改性作用。

圖1 素土及改性土σ～ε曲線

圖2 改性土破壞強度與齡期關系（灰量3%）

（3）圖2為改性土破壞強度與齡期的一般關系曲線，灰劑量為3%。可以看出，改性土強度隨著養護時間的增加也在不斷增大。另外，齡期為28 d時，不同壓實度的試件破壞強度分別為1.047 MPa、1.487 MPa、2.216 MPa，隨著壓實度增大強度也在增加。

相關規范規定，公路石灰穩定土基層的抗壓強度達到 0.8 MPa就能滿足工程需要。養護時間為28 d時，灰劑量3%的改性土試樣強度達到1.047 MPa，說明改性后的膨脹土可以滿足工程要求［14］。

3 石灰改性施工質量關鍵點

3.1 砂化的重要性

膨脹土作為高塑性黏土，具有很大的黏性，潮濕狀態下具有很強的塑性，而風干后結成硬塊，即使采用路拌機也可能較難粉碎。施工中可采用二次摻灰施工工藝，即將設計灰劑量分兩次摻加，土體第一次摻灰后放置一段時間，此過程稱為“砂化”。摻加石灰后，高液限黏土的液限減小，石灰與土的陽離子交換作用引起了石灰穩定土的級配和礦物成分的變化，使得土體黏性降低。

砂化在工程建設中具有重要意義。砂化后黏性土的黏性減小，土體更易破碎，含水量更容易有效降低，這就可以加快工程施工進度。二次摻灰工藝中，第一次摻灰主要目的就是降低黏性土的塑性指數，也使第二次摻灰更容易拌合均勻。而第二次摻灰，主要用以改善土體的變形性質以及增加土體的強度［15］。

實際施工中，可采用摻加2%的消解石灰對高塑性黏土集中砂化3 d后再進行施工，使用路拌機拌和2遍后即可達到施工顆粒要求，效果遠優于砂化前拌和7遍的效果，既節省了大量的施工機具，又提高了工程質量。改性土砂化后的黏土顆粒細小，比表面積增大，易于和石灰充分發生反應，從而增加了二次摻灰的效果，石灰土強度較高，路基容易形成板體性結構。

3.2 砂化質量控制關鍵

砂化效果直接影響到后期石灰土的施工質量，砂化是石灰改性膨脹土改性過程中最重要的工序，必須嚴格管理。施工中應注意以下幾點：

（1）砂化時間不宜過長，一般可控制為3～4 d，尤其在雨季進行石灰土基層施工時，要合理安排工期，防止砂化土遭受雨水沖刷。砂化過程應合理安排施工機械，形成流水作業、段落作業，保證施工的連續性。

（2）砂化時要對土體進行充分翻拌，以利于黏土顆粒和石灰的作用，保證砂化效果。

（3）砂化的關鍵是“燜灰”，對砂化土表面要拍打、碾壓密實以便于保溫，防止石灰和土反應過程中熱量的喪失，以便加快砂化反應速度，提高石灰作用效果。

（4）對砂化土場地、土堆，要做好排水措施，加強排水。對于打堆砂化，表面拍打密實，做成斜坡；對于就地碾壓的砂化土，注意加強橫坡的控制，同時應具有一定的平整度。

4 結束語

（1）通過室內試驗結果分析，可以認為，摻石灰對膨脹土的改性起到了不錯的效果，膨脹土用石灰改性處理后，其膨脹性受到了較好的抑制，性質得到了很大改善，可應用于公路路基的修筑。

（2）作為石灰改性膨脹土的“改性點”，在膨脹土中摻加灰劑量為3%的石灰進行改性后，膨脹土的各項物理及力學指標均有較大改善，可以認為 3%灰劑量能夠達到膨脹土改性的目的。但由于工程施工中可能存在的施工工藝不同、施工不規范以及工程管理體制不完善等影響因素，應當將工程施工中的最低灰劑量選取為4%～5%。

（3）施工中切實加強石灰土的砂化施工工序的管理，這是確保石灰改性土質量的關鍵。

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