石灰改良膨脹土的試驗(yàn)研究

余曉彥，游 鵬，周 談，李夢冉

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

膨脹土是一種具有吸水膨脹軟化、失水收縮開裂特性的黏性土。一般的黏性土都具有脹縮性，但對工程沒有太大的影響，而膨脹土的膨脹—收縮—再膨脹的反復(fù)變形特性給工程帶來的破壞程度卻往往是不可修復(fù)的。為了改變膨脹土的這種不良特性，在工程中往往摻入一些無機(jī)材料，使其與膨脹土中的黏粒成分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而使膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)得到改善。膨脹土一般被用于填筑路基，所以只有改變其壓實(shí)性，提高其強(qiáng)度，降低其膨脹性，才能很好地控制施工質(zhì)量，為此在室內(nèi)模擬現(xiàn)場施工條件進(jìn)行試驗(yàn)。在相同的擊實(shí)功條件下對不同摻灰率的試樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，探索摻灰率與最大干密度及最優(yōu)含水率的影響關(guān)系，尋找最合理最經(jīng)濟(jì)的摻灰率，從而為工程實(shí)踐提供有效合理的參考。

1 石灰改良膨脹土機(jī)理

石灰是目前改良膨脹土最常用的添加劑，在利用石灰改良膨脹土的時(shí)候，石灰的摻量（石灰質(zhì)量/干土質(zhì)量）一般控制在2%～8%之間［1］。石灰改良膨脹土的機(jī)理可以分為以下4種作用。

離子交換作用。石灰與膨脹土中的水反應(yīng)形成大量的Mg2＋與Ca2＋等，相對高價(jià)的Ca2＋通過離子交換作用把粘土顆粒表面的Na＋和K＋置換出來，此交換作用可以有效的降低膨脹土的收縮性，提高膨脹土的強(qiáng)度。

絮凝作用。膨脹土中加入石灰，石灰吸水放出熱量，使土中的含水量迅速減少，相對而言，孔隙水溶液中陽離子的濃度增大，此時(shí)，土顆粒表面的雙電子層中的陽離子濃度會相應(yīng)的有所增加，導(dǎo)致雙電子層變薄，絮凝作用的最終結(jié)果就是土顆粒之間的間距變小，粗粒成分相對增加。

碳化作用。石灰與空氣中的CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種相對較弱的鈣—鎂或鎂—碳——一種具有黏結(jié)性質(zhì)的物質(zhì)，從而使土發(fā)生碳化。

膠結(jié)作用。石灰與膨脹土中的化學(xué)成分硅、鋁或與兩者同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，生成一種新的具有較強(qiáng)黏結(jié)性的膠結(jié)物質(zhì)。在改良膨脹土的過程中，膠結(jié)作用對提高膨脹土的強(qiáng)度是起決定作用的，而用于離子交換的石灰只有1%～2%［2］。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣取自南陽某公路路段的中膨脹土試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)的步驟是嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40～2007）的規(guī)定進(jìn)行操作的，試驗(yàn)分別采用0、2%、4%、6%、8%五種不同的摻灰率進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)、靜壓成型試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。為了膨脹土與石灰能混合均勻，土與石灰均過0.5mm篩，然后按照不同含水率進(jìn)行制樣，進(jìn)行為期7d、14d、21d、28d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，使石灰與土顆粒能夠發(fā)生充分的離子交換作用，從而更好地達(dá)到試驗(yàn)要求。

3 試驗(yàn)材料

南陽地區(qū)的中膨脹土天然狀態(tài)下呈現(xiàn)黃褐色，稍濕潤，天然含水率為25.3%，自由膨脹率為71.5%，干密度為1.43cm3，小于0.002mm 的粘粒含量為69.9%；試驗(yàn)采用的石灰屬于Ⅱ級鎂質(zhì)石灰，產(chǎn)自宜昌，其中氧化鈣的含量為53.5%。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

針對膨脹土中摻入不同含量的石灰進(jìn)行的擊實(shí)試驗(yàn)，含水率與干密度的關(guān)系曲線見圖1。從圖1可以看出，在相同擊實(shí)功的作用下，改良土的最大干密度均小于未改良土的干密度；且隨著摻灰率的增加，改良土的最大干密度逐漸減小，最優(yōu)含水率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。這是因?yàn)閾饺胧乙院螅抑械母邇r(jià)Ca2＋與土中的Na＋和K＋等低價(jià)陽離子進(jìn)行了離子交換，從而使黏土顆粒凝聚起來了；同時(shí)在擊實(shí)過程中形成水化的硅酸鈣和鋁酸鈣，此種凝膠體與土顆粒相互搭接，填充在土體的孔隙中，形成“空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)”［3］，在進(jìn)行擊實(shí)的過程中，這種“空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)”會消耗掉一定的擊實(shí)功。這說明摻入石灰的膨脹土的土干密度對含水率的敏感性比未改良土的要小，這種性質(zhì)給改良土的施工帶來了很大的方便［4］。

圖1 含水率與干密度的關(guān)系曲線

由靜壓成型試驗(yàn)得出的試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，石灰摻量在0～6%之間時(shí)，膨脹土的膨脹率隨著石灰摻量的增加呈良好線性關(guān)系而迅速減小；當(dāng)石灰摻量為6% 時(shí)，有荷膨脹率只有0.32%，此膨脹率基本上已經(jīng)屬于非膨脹土的范疇［5］；當(dāng)石灰摻量大于6%時(shí)，膨脹率的變化的很小，基本趨于不變。

由收縮率試驗(yàn)得出收縮系數(shù)與石灰摻量的關(guān)系見圖3，從圖3可以看出，初始階段膨脹土的收縮系數(shù)隨著石灰摻量的增加而迅速減小，呈良好的線性關(guān)系；當(dāng)石灰摻量在6%～8%時(shí)，收縮系數(shù)變化很小，基本趨于不變。由圖2和圖3基本可以判斷出最佳摻灰率為6%。

圖2 有荷膨脹率與石灰摻量的關(guān)系曲線

圖3 收縮系數(shù)與石灰摻量的關(guān)系曲線

由圖4可知，在含水率相同的情況下，粘聚力隨著摻灰率的增加而逐漸增大；在相同摻灰率下，隨著含水率的增加，粘聚力有增大的趨勢，這點(diǎn)符合膨脹土的特性，摻灰率由6%變到8%時(shí)，粘聚力最多增大了2%，可見含水率的改變對膨脹土的粘聚力的影響還是比較明顯的。

圖4 摻灰率與粘聚力的關(guān)系曲線

由圖5可知，在含水率相同的情況下，內(nèi)摩擦角隨著摻灰率的增加而增大；在相同摻灰率下，隨著含水率的增加，雖然內(nèi)摩擦角有增大的趨勢但內(nèi)摩擦角變化的范圍很小，幾乎沒有變化。因此，從各個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果來看，此膨脹土的最佳摻灰率為6%。

圖5 摻灰率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

摻灰率6%時(shí)，對改良膨脹土分別進(jìn)行7d、14 d、21d、28d養(yǎng)護(hù)，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見圖6，由圖6可知，在7～14d，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化較大，14～28d，強(qiáng)度變化不大，據(jù)試驗(yàn)可以把14d看作改良膨脹土的最佳齡期。

圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線

5 結(jié)論

1）石灰改良后的膨脹土可用作填筑路基，這樣可以減少大量的棄方，并可以顯著降低工程成本。

2）石灰改良膨脹土的最經(jīng)濟(jì)最有效的摻灰率為6%。此摻灰率只針對試驗(yàn)基地的膨脹土，由于其他地區(qū)的膨脹土的環(huán)境條件和地質(zhì)成因有所不同，造成工程性質(zhì)也不同，此摻灰率不宜在其他地區(qū)直接應(yīng)用。

3）石灰改良膨脹土與齡期有著密切的相關(guān)關(guān)系，考慮到工程的進(jìn)度問題及經(jīng)濟(jì)問題，把14d定為最佳養(yǎng)護(hù)齡期。

［1］ 余湘娟，王 媛.摻石灰處理膨脹土路基填料的試驗(yàn)研究［J］.公路，2000（01）:13-16.

［2］ 查普生，劉松玉，杜延軍.石灰－粉煤灰改良膨脹土試驗(yàn)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，37（02）:339-344.

［3］ 陳 波，李 進(jìn).石灰改良膨脹土摻灰量的室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.城市道橋與防洪，2011（05）:184-186.

［4］ 高春華，李 娜，張慶偉.粉煤灰改性膨脹土與膨脹土抗剪強(qiáng)度比較研究［J］.建筑科學(xué)，2011，27（07）:50-52.

［5］ 查甫生，杜延軍，劉松玉，等.自由膨脹比指標(biāo)評價(jià)改良膨脹土的膨脹性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（10）:1 502-1 509.