余曉彥，游 鵬，周 談，李夢(mèng)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(duì)工程沒(méi)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(lái)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(wú)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(chǎng)施工條件進(jìn)行試驗(yàn)。在相同的擊實(shí)功條件下對(duì)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(duì)高價(jià)的Ca2＋通過(guò)離子交換作用把粘土顆粒表面的Na＋和K＋置換出來(lái)，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(duì)而言，孔隙水溶液中陽(yáng)離子的濃度增大，此時(shí)，土顆粒表面的雙電子層中的陽(yáng)離子濃度會(huì)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(duì)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(duì)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(guò)程中，膠結(jié)作用對(duì)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(yáng)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(wú)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(guò)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(yáng)地區(qū)的中膨脹土天然狀態(tài)下呈現(xiàn)黃褐色，稍濕潤(rùn)，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(jí)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(duì)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(jiàn)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(shì)。這是因?yàn)閾饺胧乙院?，石灰中的高價(jià)Ca2＋與土中的Na＋和K＋等低價(jià)陽(yáng)離子進(jìn)行了離子交換，從而使黏土顆粒凝聚起來(lái)了；同時(shí)在擊實(shí)過(guò)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(guò)程中，這種“空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)”會(huì)消耗掉一定的擊實(shí)功。這說(shuō)明摻入石灰的膨脹土的土干密度對(duì)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(lái)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(jiàn)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(jiàn)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(shì)，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(jiàn)含水率的改變對(duì)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(shì)但內(nèi)摩擦角變化的范圍很小，幾乎沒(méi)有變化。因此，從各個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)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(duì)改良膨脹土分別進(jìn)行7d、14 d、21d、28d養(yǎng)護(hù)，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6，由圖6可知，在7～14d，無(wú)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(wú)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(duì)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(wèn)題及經(jīng)濟(jì)問(wèn)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(píng)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.