膨潤土石灰混合料改良黃土試驗研究

屈 宏 錄

(甘肅省鐵路投資建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

黃土作為一種特殊土，廣泛分布于我國西北地區，在其特殊生成和賦存環境下形成了水敏性高、濕陷性強、壓縮變形大和孔隙節理發育等特殊物理力學特性[1，2]，其直接作為工程填料和建筑物基礎時經常發生路基不均勻沉降、路面開裂、邊坡坍塌、建筑物沉降傾斜和墻體開裂等工程病害，嚴重影響著黃土地區工程構筑物的壽命周期和服役性能，使得黃土加固技術研究受到國內外學者的廣泛關注[3，4]。

黃土加固方法主要有分層碾壓、重錘強夯、沉管擠密和化學改良等方法，但是各種方法優缺點突出。例如，分層碾壓施工速度慢、控制標準高，嚴重影響施工工期。重錘強夯雖施工成本低，但其處理深度有限。沉管擠密雖處理范圍、處理深度和處理效果較好，但其具有造價高、施工噪聲大等缺點。化學加固雖具有成本低，施工簡便快捷等優點，但因加固機理還未完全掌握，導致加固效果存在差異。因此，在實際工程中應用時，必須綜合考慮工程造價、施工機械和材料供應等因素進行比選[5，6]。

化學改良黃土是指在黃土中摻入有機類、無機類和微生物類改良劑[6]，通過改良劑與黃土間的物理化學反應，改善黃土的工程性質。其中石灰改良黃土具有施工成本低、改良效果佳和后期強度高等優點，在高速鐵路、高速公路路基填筑和渠道防滲等工程中得到了廣泛的應用。陳曄[7]、梁乃興等[6]在20世紀80年代就已經開始系統的研究石灰摻量和養護齡期對黃土抗壓及抗剪強度的影響，并測試微觀結構對石灰加固黃土的機理做出闡述。此后，眾多專家學者[8-14]進行了大量的土工試驗，對石灰改良黃土的擊實特性、強度特性、抗剪特性、壓縮特性、水穩定性等特性展開測試，并對改良土各項特性的影響因素進行分析。但是，石灰作為一種高耗能材料，在其生產過程中產生的粉塵和廢水經常污染環境，且石灰固化黃土污染地下水。因此在石灰加固黃土的工程應用中，亟需根據實際工程，創新性地融合新材料，減少石灰用量開發復合型石灰固化劑，使石灰改良黃土朝著創新、環保和節能的方向發展。

鑒于此，本文聯合使用石灰和膨潤土，開發膨潤土—石灰混合料改良黃土，探討混合料改良黃土機理，分析混合料改良黃土的物理力學特性，以期為黃土化學改良技術提供新思路，為石灰固化黃土的工程應用提供技術指導。

2 膨潤土—石灰混合料改良黃土原理

1)石灰水化膠凝作用。

混合料中石灰的結晶反應、碳酸化反應以及火山灰反應可提高改良黃土的后期強度。其中結晶反應生成的晶格相互結合，可將土顆粒膠結起來形成一個整體。碳酸化反應可使得土顆粒的分散度減小，有利于土體抗滲特性和強度特性的提升。火山灰反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝物質，膠結土顆粒。

2)膨潤土的填充作用。

膨潤土顆粒細小，其粒徑主要集中在2 μm～10 μm，可以進入黃土孔隙改良黃土級配，如圖1所示，有效填充黃土中孔隙，提高黃土的壓實性。

3 膨潤土—石灰混合料改良黃土試驗

3.1 試驗材料

試驗用土為蘭州天然黃土，取自甘肅某高速公路施工現場，為強烈濕陷性黃土地區，該土質為典型的粉質黏土。膨潤土為產自河北省石家莊市的納基膨潤土，其蒙脫石含量為93%。天然黃土和膨潤土的基本物理性質參數如表1所示。石灰為過2 mm篩的熟石灰，干燥且活性強。天然黃土的粒度分布如圖2所示，可知本文選取的天然黃土顆粒的粒徑有82.8%都集中于10 μm～100 μm之間，土體級配較差。

表1 LH的物理性質參數

3.2 試驗方案設計

將天然黃土風干后過篩，根據表1所示混合料配合比，配置不同石灰和膨潤土摻量的混合料，并與土樣攪拌均勻，根據《土工試驗方法標準》[15]，對不同摻量的混合料改良黃土開展液塑限試驗和輕型擊實試驗，測試不同配比混合料的改良黃土的液限、塑限、最優含水率和最大干密度，如表2所示。

表2 膨潤土—石灰混合料設計摻量組合

根據擊實試驗結果，將不同配比混合料改良黃土加水至最優含水率并攪拌均勻，控制壓實度為95%，采用液壓千斤頂制備直徑39.1 mm、高84 mm的標準試樣，并用保鮮膜覆蓋養護，分別在0 d,7 d,14 d,21 d,28 d齡期后開展無側限抗壓強度試驗。

4 試驗結果分析

4.1 液塑限聯合測定試驗

液塑限聯合測定試驗結果如圖3所示，可知在黃土中摻加灰土和膨潤土后，土體的液限、塑限增大。其原因是在石灰改良黃土中摻入膨潤土，可顯著改善土體的級配、膠結性、易壓實性，壓實度。但石灰與膨潤土顆粒更細、比表面積更大，吸水能力更強，導致混合料改良黃土的液塑限增大。

4.2 擊實試驗

從圖4可以看出，在黃土中摻加混合料改良后，不同配比混合料改良黃土的最優含水率增大，且最優含水率隨膨潤土和石灰摻量的增大而增大，其原因是與黃土相比，石灰與膨潤土顆粒更細、比表面積更大，吸水能力更強，致使混合料改良黃土的最優含水率增大。

從圖5可知，在黃土中摻加混合料后，不同配比混合料改良黃土的最大干密度減小，其原因是與黃土相比，石灰與膨潤土顆粒更細、質量更輕，致使石灰和膨潤土混合料改良黃土的最大干密度減小。此外，與3%和7%膨潤土混合料相比，在黃土中摻加 5%膨潤土+5%灰土混合料時，改良黃土的最優含水率進一步減小、最大干密度進一步增大，綜合考慮施工成本問題，該混合料配合比可在減少石灰摻量的基礎上，有效改善黃土的壓實性能。

4.3 無側限抗壓強度試驗

不同膨潤土—石灰摻量和不同養護齡期下混合料改良黃土的無側限抗壓強度試驗結果如圖6所示。可知在同一齡期下，控制一種固化劑摻量不變，混合料改良黃土的無側限抗壓強度均隨著另一摻量的增大出現先增大后減小的變化規律，說明膨潤土和石灰的混合摻加存在最佳配合比。例如5%+5%配合比的無側限抗壓強度最高是素土的4.01倍。

此外，還可知在5%石灰改良黃土基礎上，摻入3%～7%膨潤土后，可顯著改善黃土的膠結性，提高強度。考慮施工成本，結合《公路路基設計規范》可知，3%+3%混合料固化黃土可做二級及二級以下公路的路床和路堤填料，3%+5%混合料固化黃土可做高速公路及一級公路的路床和路堤填料。

5 結語

研究發現，顆粒均勻、粉粒含量高、黏粒含量少、膠結性弱的粉質黃土，具有膠結性差、強度低和不易壓實等缺點，利用膨潤土和石灰混合料改良黃土時，可減少石灰改良黃土中石灰的摻量，降低工程造價。其中混合料改良土既能充分發揮石灰的膠結作用，又能增加其黏粒含量，改善土體的級配。試驗發現在 5%石灰改良黃土基礎上，摻入 3%～7%膨潤土后，可顯著改善土體的級配、膠結性和壓實性，進而提高土體密實度和強度。3%+5%混合料固化黃土可做高速公路及一級公路的路床和路堤填料。