石灰改良膨脹土的試驗研究

覃 江

（中鐵二十五局集團 第四工程有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

膨脹土在溫度、濕度等反復變化下會產生脹縮交替作用，引起土體開裂、崩塌等工程病害，極大地危害到路基工程的結構安全和正常運營[1]，故施工中遇到膨脹土時，通常被丟棄，需要另設取土場借土進行路基填筑。棄、取土場的設置需占用大量的土地，易出現嚴重的水土流失現象，會對自然生態環境造成極大的破壞。膨脹土在我國分布區域廣泛，如果能將膨脹土進行改良后用作公路、鐵路的路基填料，不僅可減少大量的填土借方和棄土數量，降低土地占用面積，并且可保護環境和避免水土流失，能夠產生巨大的社會效益和一定的經濟效益。本文結合湘桂鐵路擴能改造工程項目，對石灰改良膨脹土進行技術研究，并結合經濟成本進行最佳石灰摻入比例的確定。

1 工程概況

湘桂鐵路擴能改造工程XG-7標正線路基長度為19．51 km；聯絡疏解線路基長20．036 km。線路所經處的部分地段為第四系更新統（Qp）坡、殘積土，其由紅黏土（來源于碳酸鹽巖風化）和粉質黏土（來源于非可溶巖風化）構成，通常具有弱～中等膨脹性。本標段路塹挖方中約32萬m3土方具有膨脹性，原施工組織方案為全部運至棄土場丟棄，同時另選定取土場借土約45萬m3進行路基填筑。為了減少棄土場的占地面積和路基填筑的借土方量，達到保護自然環境和降低工程投資的目的，施工單位擬改良路塹挖方中的膨脹土，并將其作為基床以下路堤的填料。

為了驗證石灰對膨脹土進行改良，用作路基填料的技術可行性，同時通過研究不同石灰摻入比例時，膨脹土物理力學性能和水穩定性能等指標的變化規律，確認改良劑的最佳摻入比例，確保在技術可行的基礎上，取得良好的經濟效果。本文以正線DK506+620～DK507+380段路塹開挖土方的膨脹土改良為例，介紹石灰改良膨脹土的試驗辦法。

土工試驗分析膨脹土的基本性質及物質構成，用于評判膨脹土的工程地質特性。該段土體試驗分析結果見表1和表2。

表1 土樣物理力學性質

表2 化學成分含量分析

根據膨脹土的物理力學、自由膨脹率等指標進行判斷，土體膨脹潛勢為中等，為非合格的路基填料，需對其進行改良。

2 膨脹土化學改良的試驗

2.1 膨脹土化學改良的作用機理

膨脹土所具有的特殊縮、脹工程特性與其礦物成分，特別是黏粒的礦物構成成分密切相關。膨脹土的縮、脹是受多種因素影響的復雜過程[2]。現有的研究成果表明，其縮脹受離子交換因素的影響較大。

根據對以往膨脹土改良的工程經驗，通常采取摻入生石灰或水泥的方法，具有較好的技術效果。膨脹土石灰、水泥改良的機理為添加劑與土體顆粒間產生離子交換及絮凝效應，提高土體的穩定性[3]。隨著齡期的延長，充分的化學反應使土體的穩定性得以加強，并且化學反應的絮凝效應還提高了土體抗壓強度、抗剪強度，即抑制膨脹性的同時，提高了土體承載能力。

綜合考慮改良效果、改良劑的供應和成本等因素，決定采用石灰作為改良劑，并要求工程部對石灰改良膨脹土進行技術可行性研究，并確定石灰摻入比例。

2.2 試驗方法及目的

采用膨脹率最大的2號土樣進行改良試驗，其性能指標見表1和表2。風干原狀土，并碾碎后，過0．5 mm的篩，取土采用四分法，把土體烘干；按土體重量比為2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%的不同比例分別摻入石灰，按試驗規程進行試件的制備，然后進行各種性能指標的測試。

完成試驗后，將試驗結果與原狀土樣進行對比，評估石灰改良膨脹土的可行性，并根據各項指標隨石灰摻量的變化規律，綜合考慮施工成本，確定石灰的最佳摻量。

3 試驗結果及分析

3.1 自由膨脹率試驗

根據不同的石灰摻量得出的自由膨脹率測試結果見表3，不同摻量下土體自由膨脹率曲線如圖1所示。

表3 不同摻量下自由膨脹率試驗

圖1 不同石灰摻量時土體自由膨脹率曲線

由圖1能夠看出，在膨脹土中摻入石灰，土樣經化學改良后降低了自由膨脹率，當石灰摻量≥4%時，試件的自由膨脹率已是32．5%（鐵路工程將自由膨脹率＜40%時，即判定為非膨脹性土），說明本項目摻入石灰的化學改良方法能使土體膨脹性得到根本性的改善，并達到非膨脹土的指標要求，滿足作為路基填料的關鍵標準之一。

但從圖1中看出，當石灰摻入比例≤4%時，改良土的膨脹率隨著石灰摻入比例的增加而大幅降低；當石灰摻入比例超過5%后，改良土的膨脹率隨著石灰摻入比例的增加僅稍有降低，甚至石灰摻入比例為8%時，改良土的膨脹率還有所回升。分析圖1可得，從改善膨脹率指標方面考慮，石灰的較佳摻入量為4%。

3.2 無側限抗壓強度試驗

加入石灰對膨脹土進行改良后，使土樣成分及結構得以重塑，無疑會對土體的力學強度特征產生影響。因此，本項目對不同石灰摻量改良后的土體進行無側限抗壓強度試驗，以評估其承載能力是否滿足鐵路路基填料的要求。試驗結果見表4及圖2。

表4 石灰改良膨脹土強度指標變化表

圖2 石灰不同摻量與最大干密度關系曲線

分析圖2可知，將石灰摻入膨脹土后，試件的無側限抗壓強度均大于0．5 MPa，滿足鐵路對基床以下路基填料的要求。因為石灰與土體顆粒間的化學反應產生的凝固和膠結作用會使土體承載能力獲得有效提高，所以滿足了鐵路對路基填料的要求，但是當石灰摻入比例≤5%時，土體強度隨著石灰摻入比例的提高而大幅增強，當石灰摻量＞5%后，土體強度增長緩慢。因此，從強度提高方面考慮，石灰最佳摻入比例為5%。

3.3 界限含水率試驗

分析圖3可知，與原土樣進行比較，摻入石灰后，試件界限含水率的改善非常明顯，隨著石灰摻入比例的提高，試件液限、塑限、塑性指數均逐級降低。石灰的摻入降低了土體的持水能力，增強了其水穩定性，即降低了土體的遇水膨脹性。說明將石灰作為改良固化劑改善膨脹土液塑性指標的效果良好。

圖3 石灰不同摻量與界限含水率關系曲線

3.4 擊實試驗

為有效控制改良土路基填筑壓實質量，確保鐵路路基穩固，對不同石灰摻入比例的試件進行擊實試驗（采用重型擊實），作為改良膨脹土路基壓實密度控制及質量評定的依據。試驗結果見表5和圖4。

表5 石灰改良膨脹土擊實試驗結果

圖4 最優含水量、最大干密度與石灰摻量關系曲線

分析圖4可知，隨著石灰劑量的加大，試件最優含水量逐級增大，最大干密度逐級降低。在石灰摻入比例≤5%時，原土樣的最大干密度遞減、最優含水率變動幅度較大。在石灰摻入比例＞5%后，上述2個指標變化逐漸趨緩。

3.5 水穩性試驗

石灰改良膨脹土的最終目的是能夠作為路基填料，而路基結構需承受自然環境的干濕循環作用[4]，故測試改良土在干濕循環環境下的水穩性，即改良土抵抗浸水侵蝕的能力具有實際工程意義。通過干濕循環后的崩解試驗、膨脹率變化試驗測試改良土的水穩性。

3.5.1 干濕循環后崩解試驗

在室內模擬進行路基歷經雨季、旱季等自然條件下的干濕循環試驗。該試驗采用環刀試件進行浸水和脫濕試驗，試驗環境為恒溫、恒濕。浸水試驗方法：試件在摻入不同比例的石灰標準養護7 d后，將試件置于透水石上，為了避免試件崩解的顆粒堵塞透水石。于試件與透水石間放置一層濾紙[5]。注水使試件的2/3沒入水中，試件通過毛細吸管作用吸水飽和后，完成一個濕循環。脫濕方法：于恒溫恒濕的陰涼處將試件通過自然蒸發水分至風干狀態。根據現場測試，自然風干條件下的穩定含水率為15%，即試件風干至15%含水率即為風干狀態，此時完成一個干循環。對石灰不同摻入比例的試件均做6次干濕循環。在試驗過程中，含水率的計算通過稱重法進行。

試件歷經6次干濕循環后的試驗結果如下：石灰摻入比例為2%、3%的2組試件表面出現裂紋、顆粒崩解及脫環現象；石灰摻入比例為4%的試件未出現明顯的宏觀裂紋，但產生脫環現象；石灰摻入量為5%、6%、7%、8%的4組試件的表面完整，沒有產生貫穿裂縫，也沒有產生顆粒脫落和脫環現象；試件整體呈現出隨著石灰摻量的增加而水穩性能逐漸增強的狀態。表明膨脹土摻入石灰后發生的硬凝、膠結等作用在降低原土膨脹性的同時，促使土樣的水穩性得到加強，利于路基在運營期間長期保持穩定。從試驗結果可得，石灰摻入比例≥5%時，具有良好的水穩性。

3.5.2 膨脹率變化試驗

分析圖5可知，隨著干濕循環次數的增加，不同石灰摻入比例試件的絕對膨脹率呈現出遞增的趨勢。前3次濕循環中試件膨脹率增值較大，第4次干濕循環后增值趨于穩定，僅稍有增高。

圖5 絕對膨脹率-干濕循環次數的曲線

從圖5還可以看出，膨脹土摻入石灰改良后，其膨脹率得到大幅降低且隨著石灰摻入比例的增大，在各次干濕循環下的膨脹率均遞減。石灰摻入比例為2%、3%的土樣在干濕循環后膨脹率較大，這是因為化學反應生成少量硅酸鈣使其膠結能力遭到破壞。但是，石灰摻入比例≥4%的試件具有良好的水穩性，這是因為更多石灰的摻入不僅減少了土體親水性的黏粒數量，并且在干濕循環中持續發生化學反應，生成更多的膠結物質，進而確保了土樣具有更好的水穩性。從水穩性方面考慮，石灰摻入比例≥4%為宜。

4 結語

本項目進行的系列室內試驗結果表明，生石灰作為改良劑摻入，能夠顯著改善膨脹土的工程特性。隨著石灰摻入劑量比例的增加，大幅度地降低了改良土試件的自由膨脹率、界限含水率、最大干密度，顯著提高了試件的抗壓強度和最優含水率，使膨脹土得到改良，成為合格的鐵路路基B組填料。

分析以上試驗數據，并結合成本考慮，理論最佳石灰摻入比例為5%。考慮到現場施工相對于室內試驗的質量控制難度大及施工精準度差等因素，現場施工石灰摻入比例取6%，施工現場對改良膨脹路基填筑進行的質量檢測，結果均符合規范要求。