石灰、水泥改良膨脹土性能試驗研究

賈紅衛

（甘肅省平涼市公路局，甘肅 平涼 744000）

0 引言

膨脹土作為一種具有特殊性質的黏土，因其主要成分包含有蒙脫石-伊利石等礦物，而具有較強吸水性、較大的塑性且失水后極易產生裂隙等特性，同時其固結狀態較好、壓縮性較小。從土體整體性方面而言，膨脹土裂隙的存在會破壞其完整性。另一方面，由于出現裂隙的不規則性，極大地削弱了土體的承載能力。在實際工程中，由于膨脹土的不良工程特性，在膨脹土地區建設的邊坡、路基和地基等工程造成的危害往往具有長期潛在性、突發性和反復性的特點。例如，外界荷載和環境等因素的作用，使得膨脹土邊坡產生滑移，會造成邊坡周邊建筑物開裂、傾斜等危害。在公路工程中，膨脹土的漲縮特性易使路塹表面溜坍和淺層滑坡、路肩錯落等。因此由膨脹土引發的工程地質問題已成為人們的關注焦點[1-3]，提出合理的解決辦法已刻不容緩。

目前對于膨脹土的改良措施，國內眾多學者已取得很多成果，并為其在工程中的應用奠定了堅實的基礎。汪海洋[4]在通過大量室內試驗的基礎上，對膨脹土做添加水泥黏結料的改良處理，發現水泥可有效改善膨脹土的力學性能，降低其脹縮性帶來的危害。陳善雄等[5]通過向膨脹土內添加一定含量的石灰達到改善其性能的效果，發現石灰對中膨脹土改性效果顯著，能有效抑制其脹縮趨勢并提高土體強度。S.Akbulut等[6]研究了水泥、石灰和粉煤灰對膨脹土的加固機理，結果表明石灰和粉煤灰的機理較為接近，是通過減小膨脹土間的離子交換能力實現加固的；相反水泥則是增加了膨脹土的離子交換能力，但增加幅度并不顯著。

上述學者的眾多成果多數停留在某一種改良劑下對膨脹土的改良效果進行研究，而較少將不同改良劑下膨脹土的改良效果進行對比。基于此，本文主要通過室內試驗研究，對水泥和石灰兩種不同的添加劑對膨脹土的改良效果做對比分析，以期為其在工程中的應用提供參考。

1 改良膨脹土的作用機理

1.1 石灰改良膨脹土機理分析

石灰改良膨脹土作為應用較早且在工程中應用較為廣泛的方法，其主要是利用石灰與土顆粒中的某些成分發生化學反應而達到改善土體的目的。當石灰與膨脹土充分拌和后，引起膨脹土出現結塊、可塑性降低，同時土體的最佳含水率增大而最大干密度縮小等物理性質的改變。改良過程中所涉及的反應階段主要有水化反應和膠凝作用。

1.1.1 水化反應

生石灰在于大量的水經歷水化反應后生成Ca（OH）2，其中 Ca2+和（OH）-離子會與土體的膠體顆粒表面含有的Na+、K+進行離子置換，土體中Ca2+含量增加，減小了土粒之間的距離，從而增強土體的黏結力。因此所提供的石灰中活性氧化鈣的含量越高，改善膨脹土的效果越好。

1.1.2 凝結作用

膨脹土中的SiO2和Al2O3在生石灰與水發生水化反應后逐步硬化凝結形成一層穩定的保護膜覆蓋在土粒外圍的水化物，因其黏結力極強而使土體凝結成一個整體。

1.2 水泥改良膨脹土機理分析

水泥改良膨脹土主要是當水泥與水混合后，水泥遇水發生水化反應生成Ca（OH）2，土中的Ca2+含量急劇增加，在反應后較短時間內土體中Ca（OH）2達到飽和。隨著Ca2+被大量釋放，土體的黏結力增強從而實現對土體的加固。同時在后續過程中，Ca（OH）2與空氣中的二氧化碳發生氧化反應生成耐水性較強的碳酸鈣，提高了膨脹土的強度。相關學者[7-8]在經過大量試驗后認為，隨水泥摻量的增加，膨脹土的強度也會提高，但隨著水泥水化反應的不斷發生，會大量消耗膨脹土內部的水分，包括游離的自由水和土顆粒內部的結合水，這樣就會使黏土礦物發生干縮和開裂，反而造成膨脹土強度下降，減弱膨脹土的穩定性。因此對于采用水泥改良膨脹土時，應嚴格控制水泥的摻入量。

2 改良膨脹土室內試驗

2.1 改良膨脹土的基本物理指標

由于膨脹土的膨脹性主要由膨脹土的一般物理指標決定，因此在對膨脹土做改良之前必須對其基本的物理參數進行確定。本節試驗取改良膨脹土土樣進行室內常規的土工試驗，分別測得膨脹土的顆粒分析、液塑限等基本物理指標，采用X射線衍射儀對土體中所含的礦物成分進行分析。根據液塑限試驗、顆粒分析及礦物含量結果，評定該膨脹土為中膨脹土。對素土進行輕型擊實試驗，得出該土樣的最大干密度為1.76 g/cm3，最優含水率為15.19%。土的物理性質指標見表1，顆粒分析試驗結果見表2。

2.2 試驗方案

本文試驗所用改良劑分別有生石灰粉和32.5級的普通硅酸鹽水泥兩種。其中生石灰中CaO的含量為75.44%，MgO為0.39%。改良試驗中，為了更加精準研究改良劑的改良效果，對于兩種改良劑的摻合比均為4.0%、5.0%、6.0%和8.0%四種。摻灰后的膨脹土土樣按照擾動土樣的植被程序重新制備[9-10]，經28 d標準養護后取出試件開展相關試驗。對摻入改良劑的膨脹土進行界限含水率、自由膨脹率和28 d無側限抗壓強度進行研究。通過重型擊實試驗確定不同摻入比下膨脹土的最大干密度和最佳含水率，在此基礎上重新制備土樣，經標準養護28 d后測試土樣的無側限抗壓強度。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

不同摻合比的改良膨脹土物理力學性質見表3。

表3 不同摻合比下改良膨脹土物理力學指標

3.2 結果分析

3.2.1 界限含水率

表1 膨脹土物理性質指標

表2 顆粒分析試驗

土的界限含水是反映土顆粒的親水能力，一般包括液限、塑限和塑性指數。其中，液限和塑限可以更好地反映土體特性，塑性指數一般可作為判定膨脹土的分類標準。

從圖1中可以看出，膨脹土經添加改良劑后，膨脹土的親水性逐漸下降。同時對比兩種改良劑發現，石灰對膨脹土的改良略比水泥好。就石灰改良膨脹土而言，隨摻灰量的逐漸增加，改良土的液限下降幅度較為明顯，當摻灰量為8%時，液限整體下降28%。相對液限而言，塑限的下降趨勢較為平緩，且當摻灰量由6%增加至8%的過程中，塑性下降量僅為1.3。由于液限的下降幅度更大，改良土的塑性指數亦呈下降趨勢，亦即膨脹土的膨脹性減小。分析原因，隨摻灰量的增加，膨脹土土體的親水性能變弱，膨脹性減小。

圖1 改良劑摻量對界限含水率的影響曲線

3.2.2 自由膨脹率

自由膨脹率作為反映膨脹土脹縮性的特征指標，其與膨脹土的礦物成分、黏粒含量和化學組成等密切相關。膨脹土在與不同摻量的改良劑拌和后，其自由膨脹率明顯下降，說明改良劑起到了改善膨脹土的目的。由圖2可知，隨石灰摻量的不斷增大，膨脹土的自由膨脹率明顯下降，與膨脹土的原土相比下降了43.22%；但當石灰摻量超過6%后，自由膨脹率的下降趨勢變得較為平緩，說明此時增大石灰的摻入量并不能有效減小其自由膨脹率。隨水泥摻量的不斷增加，膨脹土的自由膨脹率亦有下降，但下降幅度較石灰略小，且當水泥摻量為8%時，自由膨脹率有所上升。因此可見改良劑的摻量并非越多越好，在工程應用中建議采用的改良劑摻量為6%。

3.2.3 無側限抗壓強度

由圖3可知，膨脹土在加入改良劑后的無側限抗壓強度得到明顯提升，當改良劑摻量均為4%時，與不添加改良劑時的無側限抗壓強度相比，石灰的提升了將近3倍，而水泥的大約提升了1.9倍。由此可見，石灰較水泥能夠更好地改善膨脹土強度。同時注意到，當石灰作為改良劑時，隨石灰摻入量的增大，改良土的無側限抗壓強度呈逐漸增加的趨勢，尤以摻灰量4%提升至5%時強度變化較為明顯。后期隨摻入石灰量的增加，改良土無側限抗壓強度增加幅度逐漸下降。當水泥作為改良劑時，摻入量由4%變化到6%時，無側限抗壓強度大致呈線性增加；但摻入量增大至8%時，無側限抗壓強度幾乎沒有變化。

圖2 改良劑摻量對自由膨脹率的影響曲線

圖3 改良劑摻量對無側限抗壓強度的影響曲線

4 結語

本文通過室內試驗以膨脹土為主要研究對象，將石灰和水泥作為改良劑，研究了改良劑對膨脹土的界限含水率、自由膨脹率以及無側限抗壓強度的影響。結論如下：

（1）石灰的改良效果略優于水泥的改良效果。

（2）石灰和水泥均可使膨脹土的液限大幅度降低，但以石灰更為顯著。兩者對塑限的影響較液限小，因此可使膨脹土的塑性指數減小，從而降低膨脹土的親水能力，提高其穩定性。

（3）自由膨脹率作為反映膨脹土的特性指標，經改良后的膨脹土土體的自由膨脹率得到有效降低，但并非隨改良劑摻量的增加，自由膨脹率一直下降。建議工程應用中取改良劑摻量為6%為宜。

（4）改良劑可明顯提高膨脹土的無側限抗壓強度。當石灰摻量在4%左右時，其所達到的強度是原素土強度的近3倍。但當摻入量逐漸增加到8%時，兩種改良劑下膨脹土的無側限抗壓強度均沒有明顯提高。