畢新玲

(福建巖土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

0 引言

膨脹土是我國江淮河流沖積地區(qū)的一個典型特殊性土，其內部含有大量的親水性礦物，具有吸水膨脹、失水崩解等特征，對水利基礎工程的施工極為不利。針對膨脹土這種不良的地質特性，一些研究者進行了相關研究。如：吳建濤等[1]為降低膨脹土受水的影響程度，提出了水泥加生石灰的改性思路；魏存蘭[2]研制不同比例的膨脹土試樣，并根據其在不同浸水工況下的膨脹過程，對其含水率的變化進行了分析；熊欽武[3]借助一系列單軸、三軸試驗，將膨脹土在不同含水率下的抗壓、抗剪強度的變化進行了研究；黃偉、譚文超等通過模擬不同溫濕度、干濕循環(huán)交替作用下膨脹土的物理性質及劣化過程，提出了膨脹土改良應重點控制內部自由水的遷移[4-5]。除此外，為進一步改良膨脹土，有研究者還提出了采用雙摻法可彌補單一改性劑對膨脹土的缺失，建立膨脹土物理力學地質模型的必要性[6-10]。基于上述研究，筆者以江淮平原地區(qū)某水利工程為依托，選取該地區(qū)典型的膨脹土試樣，將水泥及生石灰進行雙摻綜合配比，觀察其改良后的物理力學性質及變化規(guī)律，以為該類型膨脹土的改良提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用膨潤土來自于某水利工程標段J1+400～J1+500段內開挖的土體，開挖深度3.0 m，開挖厚度1.5 m，開挖土樣見圖1。室內物理力學試驗表明：土體天然密度在1.7～1.82 g/cm3；天然含水率為25.0%～25.3%；自由膨脹率約為52%；液限含水率在51.2%；塑限含水率在22.0%；塑性指數為28～29。土樣擊實試驗表明：最優(yōu)含水率為18%；最大干密度1.79 g/cm3。

圖1 試樣所用膨脹土試樣 圖2 膨脹土樣顆分曲線

水泥中的礦物成分、水化物以及配合比是影響膨脹土性狀的重要特性。試驗選擇的水泥樣品為海螺水泥所生產的普通硅酸鹽水泥，基本力學參數見表1，其各項指標均滿足國家相關規(guī)范要求。

表1 試驗用水泥基本質量

生石灰主要是利用高溫(1 000 ℃以上)將石灰石加熱分解產生氧化鈣和二氧化碳，煅燒后的生石灰呈白色粉末狀。生石灰遇水后產生較高熱量的同時，可使土體內的水分蒸發(fā)，然后，熟化后的生石灰會溶于水中，其顆粒內的Ca2+可與膨脹土內部的親水礦物反應生成凝膠狀穩(wěn)定物質，成為土顆粒的粘合劑。與此同時，氧化鈣與水中碳酸反應時所生成的碳酸鈣難溶于水，這些顆粒物質在土顆粒中將形成骨架來進一步增加土體的強度。試驗所選用的生石灰主要成分及含量見表2。

表2 試驗用生石灰成分及含量

1.2 試驗方法

本試驗主要是改變水泥及生石灰的摻入比，以獲取改性后的膨脹土的物理力學指標變化規(guī)律。參考文獻[4-5]關于水泥和生石灰雙摻改性后的淤泥質土抗壓強度效果分析：改良后單一改良劑效果遠小于同時進行雙摻后的改良效果；水泥與生石灰等量加入改良過程中水泥和生石灰存在一個最低摻入比。本試驗從膨脹性、抗壓、抗剪以及液塑限等4個角度去分析等量摻入生石灰及水泥后的變化過程。

1.2.1 膨脹性試驗

膨脹性試驗主要是通過測量膨脹土的膨脹率(自由膨脹率和有壓膨脹率)來實現，試驗裝置見圖3和圖4。自由膨脹率試驗采用量筒進行標定，有壓膨脹率試驗采用天津美特斯試驗機廠生產的STD-5有壓膨脹試驗儀。自由膨脹率試驗：首先篩選0.5 mm的膨脹土，利用壓樣法進行環(huán)刀制樣，然后分別給土體內加入質量百分比分別為0、2%、3%、4%、5%和7%的水泥生石灰改性劑，養(yǎng)護時間分別為1 d、3 d和7 d。有壓膨脹率采用50 KPa壓力，制樣方式和養(yǎng)護時間與自由膨脹率試驗相同。此后，觀察不同時間、不同摻和比下的膨脹率。本試驗采用的雙摻配合比為2種等比例進行摻入。

圖3 自由膨脹率試驗裝置 圖4 有壓膨脹率試驗裝置

1.2.2 液塑限

土樣的液塑限直接決定土體對含水率的敏感性，是造成土體性狀變化的關鍵參數。本試驗采用液塑限聯合測定法，試驗儀器為天津華通試驗儀器廠生產的TYS-3型液塑限聯合測定儀，見圖5。土樣依據摻量的不同，分為6組，摻量與膨脹率試驗一樣，養(yǎng)護時間分別為1 d，3 d和7 d。

圖5 液、塑限測試設備

1.2.3 抗壓與抗剪強度試驗

本試驗通過單軸壓縮和直接剪切試驗來分析膨脹土的力學強度?？箟簭姸仍囼灢捎锰旖蛉A通生產的CTM2000型壓縮試驗儀(圖6)，抗剪采用天津華通生產的ZJ5000型直剪儀(圖7)。單軸壓縮試驗通過擊樣法制取土樣，樣品為圓柱形，擊實筒尺寸φ 50 mm×130 mm，取得的土樣尺寸為φ 50 mm×90 mm；直剪試驗采用四聯應變式直剪儀，制樣過程中嚴格控制土樣的含水率與干密度進行擊實，采用的養(yǎng)護時間為1 d和7 d，施加的垂直荷載從0至400 KPa，每次加載100 KPa，試樣破壞后記錄其剪切強度。

圖6 抗壓強度試驗 圖7 直接剪切試驗

2 結果與分析

2.1 膨脹性試驗

由表3可知，摻入生石灰及水泥后，膨脹土的自由膨脹率呈現明顯的降低趨勢，這說明改性效果明顯。在無改良劑摻入條件下，P1試樣的自由膨脹率為50.51%；在摻入質量為2%的改性劑后，試樣1 d養(yǎng)護時間內自由膨脹率降低至42.58%，降低約18%；隨著摻量的不斷提高，試樣的自由膨脹率和有荷膨脹率呈現明顯的降低趨勢，但總體上下降不顯著；當摻量達到7%后，改性試樣的自由膨脹率降低至32%左右，屬于非膨脹土。

表3 不同摻量及養(yǎng)護時間下的試驗膨脹率試驗

在未摻入改性劑情況下，試樣的有荷膨脹率為1.77%，養(yǎng)護時間1 d，改性劑摻入量為2%時降低至1.39%，下降效果有限；當摻入量加大后(2%至7%)，試樣的有荷膨脹率總體上呈現先減小后增大現象，在水泥生石灰摻量約為5%下試樣的膨脹率達到最低值；摻量增加至7%時候膨脹率有所增加，養(yǎng)護7 d后達到最低值0.14%。究其原因，可能是水泥和生石灰的過量摻入導致水化反應消耗了大量自由吸附水，而土樣失水干燥又提高了樣品的孔隙率，這說明水泥和生石灰在改性過程中如過量摻入容易增加樣品的改性時間，拉長反應時間。

2.2 液塑限試驗

由表4可知，在未摻入改性劑的膨脹土試樣中，液限含水率為52.0%，塑限含水率為21.9%，塑性指數為30.9。在摻入比例為2%且1 d養(yǎng)護時間工況下，試樣的液限含水率和塑限含水率分別為52.01%和22.31%，塑性指數為30.08。試驗發(fā)現，隨著改性劑摻量的增加，土樣的液限含水率呈正增長，塑性含水率和塑性指數呈負相關。同時還可以看出，改性劑摻量在5%以內，試樣的塑性指數下降較為明顯，當水泥生石灰摻量達到7%時，其塑性指數較S5試樣降低了約5%，改性效果一般。

表4 膨脹土試樣液塑限試驗成果統計表

2.3 抗壓強度試驗

選擇0～7%的水泥生石灰摻量，養(yǎng)護時間分別為1 d，3 d和7 d，樣品的單軸抗壓試驗結果見圖8：未摻入改性劑的膨脹土樣，其單軸抗壓強度為0.51 Mpa；當加入水泥生石灰改性劑后，樣品的單軸抗壓強度在1 d、3 d和7 d的抗壓強度有所上升，分別為0.77 MPa、0.63 MPa和1.19 Mpa；養(yǎng)護3 d后，樣品的抗壓強度有所降低，且在3%～5%摻量時規(guī)律相同，下降值約為8%～13%，造成該現象的主要原因，可能是改性劑與膨脹土拌和初期，其力學性能存在差異，攪拌時間超過水泥初凝時間所致。但總體上，在養(yǎng)護時間不變工況下，隨著摻量的提高，改性樣品的抗壓強度呈緩慢增長趨勢，當摻量達到7%，養(yǎng)護7 d后抗壓強度達到最大值1.63 MPa。

圖8 單軸抗壓強度變化曲線圖

2.4 抗剪強度試驗

抗剪強度采用粘聚力與摩擦角來評價。

由圖9可見，未摻入改性劑的素土粘聚力為90.11 KPa，經過1 d養(yǎng)護后，在改性劑摻入量為2%時其粘聚力實測值為152.85 KPa，摻入量在5%和7%下的實測值分別為182.11 KPa和268.25 KPa，這說明摻入水泥和生石灰的膨脹土的粘聚力有顯著提高，增量約為62%～279%。隨著摻量的增加，膨脹土的粘聚力增量曲線呈現加速趨勢，究其原因，可能是當水泥生石灰摻量超過一定比例后，多余的水泥與膨脹土在發(fā)生離子轉換的同時還發(fā)生了凝膠反應，這種雙重反應不僅增加了土體骨架的粘結力，同時也讓顆粒間的相互作用得到增強。當摻量為7%、養(yǎng)護為7 d時，土樣的粘聚力達到最大值(276.11 Kpa)，增長率為294.5%。

圖9 粘聚力變化曲線

由圖10可見，隨著改性劑增量的增加和養(yǎng)護時間的延長，樣品的摩擦角增長曲線呈現放緩趨勢，最后近似平行。究其原因，可能是水泥的水解反應和生石灰的水化作用，造成土顆粒中離子濃度增加，離子交換作用有所減弱。此外，因凝膠團包裹，土顆粒尺寸變大，這在微觀層面上也增大了土顆粒表明的粗糙度。當摻量為7%，養(yǎng)護為7 d時，樣品的內摩擦角達到最大值(36.66 °)，增長率為257.1%。

圖10 摩擦角變化曲線

3 結論

1)生石灰及水泥對膨脹土的自由膨脹率和有荷膨脹率改性效果明顯，雙摻比例7%時試樣的膨脹率降低至32%，屬于非膨脹土。

2)隨著改性劑摻量的增加，土樣的液限含水率呈正增長，塑性含水率和塑性指數呈負相關。

3)同一養(yǎng)護時間下隨著摻量的提高，試樣的抗壓強度呈緩慢增長趨勢，當摻量達到7%，養(yǎng)護7 d后達到最大值1.63 MPa。

4)由于水泥的水解反應和生石灰的水化作用，摻量增加過程中試樣摩擦角增長曲線呈現放緩趨勢，當摻量為7%、養(yǎng)護為7 d時，樣品的內摩擦角達到最大值36.66 °。