崔慧梅 王楷 馬堯

(南京工程學(xué)院，江蘇南京 210000)

1 概述

1.1 膨脹土的概述

膨脹土是一種在陸地表面分布較為廣泛的特殊性黏土，在自然地質(zhì)過(guò)程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮性的地質(zhì)體，土中粘粒成分主要由親水性礦物組成，其中包括蒙脫石、伊利石、高嶺石等，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特征的粘性土。由于它具有顯著的脹縮性，常常給膨脹土地區(qū)的房屋建設(shè)、鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)、水利工程等帶來(lái)巨大的破壞，給世界各國(guó)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為確保路基的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，對(duì)膨脹土性質(zhì)的研究顯得尤為重要。工程上對(duì)弱膨脹土用控制含水率和密度的方法，可以部分消除其脹縮性，但對(duì)于中強(qiáng)膨脹土用上述方法不能達(dá)到消除其脹縮性的目的，必須改性處理。土質(zhì)改良的方法有很多，如摻少量的水泥、石灰、粉煤灰等。本文按照高等級(jí)公路路基施工的技術(shù)要求，從試驗(yàn)的角度研究了膨脹土用菱苦土改性后的物理力學(xué)性質(zhì)。

1.2 菱苦土的簡(jiǎn)介及反應(yīng)機(jī)理概述

菱苦土又名苛性苦土、苦土粉，它的主要成分是氧化鎂。以天然菱鎂礦為原料，在800℃ ～850℃溫度下煅燒而成，是一種細(xì)粉狀的氣硬性膠結(jié)材料。顏色有純白，或灰白，或近淡黃色，新鮮材料有閃爍玻璃光澤。其物理性質(zhì)為白色輕松粉末，無(wú)臭、無(wú)味，本品不溶于水和乙醇，熔點(diǎn)2 852℃，沸點(diǎn)3 600℃，有高度耐火絕緣性能。菱苦土生產(chǎn)量大，價(jià)格便宜，運(yùn)輸方便，可以成為改良膨脹土的一種優(yōu)良材料。

菱苦土的化學(xué)成分的含量見(jiàn)表1。

表1 菱苦土的化學(xué)成分

由表1可知，菱苦土里含量較多的是CaO，因此反應(yīng)主要為CaO與水的反應(yīng)。MgO與水反應(yīng)很慢，所以對(duì)于化學(xué)改良膨脹土的作用不是很大，CaO與水反應(yīng)的機(jī)理如下:CaO加入土中后，會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)和物理化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)的結(jié)果使粘土顆粒的結(jié)合水膜減薄，粘土膠粒絮凝，生成晶體氫氧化鈣和含水硅鋁酸鈣等膠結(jié)物，這些膠結(jié)物逐漸由凝膠狀態(tài)向晶體狀態(tài)轉(zhuǎn)化，致使石灰土的剛度不斷增大，強(qiáng)度和水穩(wěn)性不斷提高。

2 試驗(yàn)方法

本次所有試驗(yàn)均按照部頒JTJ 051.93公路土工試驗(yàn)規(guī)程和JTJ 07.94公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。土樣經(jīng)過(guò)風(fēng)干、碾、過(guò)5 mm圓孔篩，預(yù)定摻入菱苦土量為9%，12%和15%。采用重型擊實(shí)法測(cè)定其不同苦土劑量時(shí)的最大干密度和最佳含水量，再根據(jù)不同石灰摻量的最佳含水量采用靜壓法(壓實(shí)度為95%)制備試樣浸潤(rùn)24 h，進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。對(duì)不同苦土摻量的界限含水量也進(jìn)行了試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 菱苦土改性膨脹土的界限含水量

膨脹土的界限含水量是指黏土顆粒與水相互作用的一種屬性。膨脹土主要由親水的黏土礦物組成，含有較多的細(xì)小黏土顆粒成分，故具有擴(kuò)散雙電層較厚、比表面積大等特點(diǎn)，與一般細(xì)粒土相比而言，膨脹土一般具有高液限、高塑性指數(shù)的特點(diǎn)。

表2 不同摻灰率下的液限與塑限值

從表2可以看出，隨著摻灰率的增加，塑限和液限都在提高，但提高的幅度不是很大，影響液限和塑限的主要原因是苦土里面含CaO，CaO與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸收水分，由于CaO在苦土里只占百分之二十幾，所以在提高液塑限幅度上作用不是很明顯。

3.2 改性后的膨脹土的強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)是在沒(méi)有圍壓的情況下測(cè)得軸向抗壓強(qiáng)度，通過(guò)抗壓儀器測(cè)得研究的土樣抗壓強(qiáng)度，將其數(shù)據(jù)繪制成表格和圖形。直接剪切試驗(yàn)是在不同等級(jí)的垂直壓力下抵抗剪力的強(qiáng)度，將其數(shù)據(jù)匯成表格和圖形。

3.2.1 菱苦土改性膨脹土抗剪強(qiáng)度

土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之一。工程中的地基承載力，擋土墻的土壓力，土坡穩(wěn)定等問(wèn)題都與土的抗剪強(qiáng)度直接相關(guān)。根據(jù)庫(kù)侖定律，土的抗剪強(qiáng)度與剪切面上的法向應(yīng)力成正比。其本質(zhì)是由于土粒之間的滑動(dòng)摩擦以及凹凸面間的鑲嵌作用產(chǎn)生的摩阻力，其大小決定于土粒表面的粗糙度、密實(shí)度、土顆粒的大小以及顆粒級(jí)配等因素。粘性土的抗剪強(qiáng)度由兩部分組成，一部分是摩擦力，另一部分是土粒之間的粘結(jié)力。

用庫(kù)侖定律公式表達(dá)為:

直接剪切試驗(yàn)是測(cè)定土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的一種常用方法。通常將同一土樣切取不少于四個(gè)試樣，分別在不同的垂直壓力下施加水平剪切力，測(cè)得破壞時(shí)的切應(yīng)力，以確定土的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力，為工程實(shí)踐提供依據(jù)。

由表3可以看出各摻灰率下膨脹土在含水率12%，15%的情況下內(nèi)摩擦角，粘聚力較大，在12%，15%含水率下的抗剪強(qiáng)度較大，在摻灰率增大的情況下，相同含水率下的膨脹土粘聚力下降。在摻灰率逐漸增大的情況下，同一含水率土樣的抗剪強(qiáng)度有降低的趨勢(shì)，因?yàn)樵趽交衣试龃蟮那闆r下，CaO與水反應(yīng)，吸收了部分水，雖然CaO的反應(yīng)物能夠增強(qiáng)土粒之間的粘結(jié)力，但是，由于苦土中的CaO含量并不是很高，所能增加摻合物土的抗剪強(qiáng)度，不足以抵消由于粘粒量減少，摻灰土的內(nèi)部黏土粘聚力的降低?？嗤林兄饕荕gO，其在改良膨脹土中的主要作用是物理改良，MgO與水緩慢作用，不明顯，隨著MgO含量的增加，土樣內(nèi)的粉粒增多，粉粒容易發(fā)生滑移，所以強(qiáng)度自然有所降低。

表3 各摻灰率下膨脹土的內(nèi)摩擦角和粘聚力

3.2.2 菱苦土改性膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖1和表4可知，養(yǎng)護(hù)7 d后的試樣在摻灰9%的情況下，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，隨著摻灰率的提高，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低，這是由于高摻灰率的情況下，摻合物與水發(fā)生反應(yīng)，在土樣內(nèi)部產(chǎn)生一定的孔隙，孔隙的產(chǎn)生，降低了土樣部分的抗壓強(qiáng)度，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)吸水也使微粒間的粘聚力降低，隨著摻灰率的增大，黏土的含量減少，粉粒的含量增大，粉粒間容易產(chǎn)生滑移，從而更容易發(fā)生脆性破壞。從圖1中還可以看出，無(wú)側(cè)限的峰值主要產(chǎn)生于最優(yōu)含水率的附近。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

表4 各土樣無(wú)側(cè)限抗壓下的最大強(qiáng)度值

4 結(jié)語(yǔ)

1)在菱苦土的混合物中，隨著摻灰量的增加，液限增加，塑性增加，在菱苦土含量的增加下，自由膨脹率降低，但菱苦土含量達(dá)到15%后，基本達(dá)到降低膨脹率的要求，在菱苦土含量繼續(xù)增加的情況下，對(duì)膨脹率的降低影響不大。隨著菱苦土含量的增加，最優(yōu)含水率增大，最大干密度也相應(yīng)的增加。

2)養(yǎng)護(hù)7 d后的試樣，在摻灰9%的情況下，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值達(dá)到最高，隨著摻灰率的提高，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值反而降低。各摻灰率下膨脹土在含水率12%，15%的情況下內(nèi)摩擦角，粘聚力較大，各不同摻灰含量下的膨脹土在12%，15%含水率下的抗剪強(qiáng)度較大，在摻灰率增大的情況下，相同含水率下的膨脹土粘聚力下降。

3)干濕循環(huán)下的抗剪強(qiáng)度:1次循環(huán)到5次循環(huán)后的各摻灰率下膨脹土的抗剪強(qiáng)度有比較明顯的降低，10次、15次、20次循環(huán)試驗(yàn)下的抗剪強(qiáng)度基本降低不大，抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

4)最優(yōu)含水率下不同摻灰率的膨脹土，在隨著菱苦土含量增加的情況下，壓縮指數(shù)降低，但降低的不是很明顯。

注:指導(dǎo)老師:張德恒。

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