禹州地區弱膨脹土石灰改良試驗研究

侯合明，潘向麗，黃志全，陳 宇，王 振

(華北水利水電學院 資源與環境學院，河南 鄭州 450011)

目前，國內外對膨脹土改性技術的研究已進行較多的理論分析和試驗，改良劑種類也較多，使用較多的無機改良劑有石灰、水泥、粉煤灰等;有機改良劑有丙烯鹽酸類、烯類和胺類等系列［1］。其中石灰改良［2-3］是國內應用最廣泛的改良方式。通過對禹州地區膨脹土進行室內石灰改性試驗，得出摻灰后土樣的物理力學性質和強度的變化規律，并分析其改良效果和變化規律，確定出合適的摻灰比，要既能降低膨脹土的脹縮性、壓縮性，又能提高其強度及水穩性，以期為該地區的工程實踐提供有價值的參考。

1 土的基本物理性質與改良機理

1.1 土的基本物理性質

試驗土樣均取自南水北調工程中線禹州段新開挖的同一土坑內，取樣位置埋深約4 m。通過室內基本物理性質試驗測出其天然物性指標:天然含水率為17.5% ～18.5% ，天然干密度為 1.56 ～1.66 g/cm3，相對密度為2.72。標準輕型擊實試驗結果表明:最大干密度為1.69 g/cm3，最優含水率為 18.5%。液限為40%，塑限為22%，屬于低液限粉質黏土;土樣自由膨脹率為42%，該地區土屬于弱膨脹土，作為工程地基填料必須進行改良處理。

1.2 改性機理

石灰作為改良膨脹土最常用的添加劑，它主要是給黏土中帶來大量的 Ca2+和 Mg2+等離子，有效地降低了膨脹土的脹縮性，增強了水穩性和強度。陽離子交換作用，減小了水化膜的厚度，增強了黏粒間的結合力;石灰遇水生成的 Ca(OH)2，不僅形成 Ca(OH)2·nH2O水晶體，發生絮凝作用，還與土中的活性硅、鋁礦物形成含水的硅鋁酸鈣等膠凝物，發生膠結作用;石灰與空氣中的CO2反應，形成一種較弱鈣—碳黏結物質，能使土碳化，反應生成 CaCO3，具有較高的強度和水穩性，土體強度得到了增強。

2 試樣制備及試驗方法

2.1 試樣制備

將風干粉碎后的土樣和干燥的石灰分別過2 mm和0.5 mm的篩子備用。本文所定義的摻灰比(W石灰)為石灰與干土質量之比，試驗選用2%，4%，6%，8%四種摻灰比進行試驗。將配置好的土樣用塑料袋密封燜料24 h。試樣干密度及含水率均按天然狀態(干密度1.60 g/cm3，含水率18%)配制，即可使試樣擊實度達到94%，符合工程施工要求;試樣養護齡期為7 d。按上述方法制取若干環刀試樣(直徑61.8 mm，高20 mm)和三軸試樣(直徑39.1 mm，高80 mm)備用。

2.2 試驗方法

為研究改性后土的物理力學性質的變化規律，按照《膨脹土地區建筑技術規范》［4］進行了脹縮性方面的試驗，試驗使用輕便固結儀和收縮儀完成，得到脹縮性隨摻灰比的變化規律;依照《土工試驗方法標準》［5］，進行界限含水率試驗、壓縮試驗、無側限抗壓試驗;采用固結儀進行干濕循環試驗，評價改良前后試樣的水穩性。

3 試驗結果分析

3.1 摻灰比對土物理性質的影響

3.1.1 塑液限及塑性指數

界限含水率與摻灰比關系見圖1，隨摻灰比的增大，液限變化較小，塑限有所增加，并非單調遞增，并不像多數文獻［6－7］中結果表述得那么有規律。改良后的膨脹土的黏粒含量降低，粉粒含量增大，但活躍的毛細吸力促使土粒聚合在一起，使改性土存在一定的潛在塑性，這致使弱膨脹土的界限含水率試驗改性效果規律性不明顯，其改性效果存在一個下限［7］。但對顆粒成分的影響依然很明顯，還是能夠達到降低黏粒含量的作用。

3.1.2 脹縮性

圖1 界限含水率與摻灰比關系

石灰改性膨脹土最主要的目標是消除其膨脹性。由表1可以看出，隨摻灰比的增加，脹縮性呈降低趨勢。當摻灰比為4%時，自由膨脹率急劇下降到20%;無荷膨脹率、50 kPa膨脹率、線縮率、膨脹力也均有顯著的降低;且摻灰比為4%時，脹縮性指標降低的趨勢均已很平緩甚至接近水平，50 kPa膨脹率已接近為0。脹縮性試驗結果呈現出較強的規律性，其改性效果明顯。

表1 脹縮性試驗結果

適量的石灰可以減少黏粒的含量，土粒比表面積減小，黏粒的親水性降低，土的脹縮性降低;另一方面，土顆粒空隙變大，為改良土的膨脹預留一定的空間，使土體內部空隙能更多抵消土體的膨脹量［8-9］。然而摻灰量并非是越多越好，反應過剩的石灰填充于顆粒之間，將會降低土體內部對膨脹量的抵消能力［6］。摻灰比為4%時，已經可以達到消除脹縮性的目的。

3.2 摻灰比對土強度的影響

3.2.1 壓縮性

壓縮系數與摻灰比的關系曲線見圖2。

圖2 壓縮系數與摻灰比關系

石灰摻入土后碳化生成的CaCO3具有較強的剛度;且石灰和水與土中大量存在的硅、鋁元素發生作用，產生氫氧化鈣硅和氫氧化鈣鋁，其過程使土脫水硬化。土的強度(剛度)的提高，降低了改性土的壓縮性。如圖2所示，隨摻灰比的增加，土的壓縮系數明顯降低，使用改良土作為地基土填料時，地基的受荷變形將進一步減小。

3.2.2 無側限抗壓強度

分別對素土和摻灰比為4%的改良土樣進行無側限抗壓強度試驗。分析應力—應變曲線(見圖3)可以得出:隨應變的增大，改良試樣應力增長的速度較快，剛出現峰值就出現了明顯的破裂面，表現為顯著的脆性破壞;素土試樣破壞時沒有明顯的破裂面(見圖4)，其脆性較小。摻灰比為4%的試樣相對于素土試樣，其無側限抗壓強度提高了近50%。兩者干密度相同，而強度不同，這是由于改良土樣黏粒間膠結力提高，石灰與土反應使土樣脫水硬化使其強度增強所致。

3.3 摻入石灰對土水穩性的影響

室內干濕循環試驗中，試樣增濕至飽和狀態，風干至與室內空氣濕度平衡。通過測量試樣高度變化和觀察試驗表面的裂縫的數量和大小，來評價改良土試樣的水穩性。由圖5可以看出，隨循環次數的增大，試樣飽和狀態下的試樣高度不斷減小，干縮穩定時的高度逐漸變大，這兩項變化趨勢在逐漸變緩，其變化類似于動力學中“阻尼”現象。

圖3 無側限抗壓強度試驗應力—應變曲線

圖4 無側限抗壓強度試驗破壞后試樣

圖5 試樣高度隨干濕循環次數變化的關系曲線

摻灰比4%改良土樣的脹縮幅度明顯比素土的小很多。由圖6可見，第一次干濕循環后，摻灰比4%改良土樣較為完好，而素土試樣的表面出現了顯著的裂縫，試樣周圍出現了土顆粒及小塊脫落現象。從試樣與環刀之間的縫隙可以看出，摻灰比4%改良土樣的側向變形比素土試樣也明顯小很多。結果表明，摻灰比為4%的改良土樣的水穩性有了很大的提高。

4 結論

1)石灰對弱膨脹土液塑限的改良存在一個下限，其規律性不強，但塑性指數總體上仍呈減小趨勢，黏粒含量明顯降低;摻入少量石灰，脹縮性即得到了顯著的降低。

圖6 第一次干濕循環后試樣

2)壓縮試驗和無側限抗壓強度試驗表明，摻灰比4%改良土的抵抗變形能力和強度均得到了提高，更適合作為地基土層。

3)干濕循環試驗表明，改良土的水穩性有了較大的提高。將含水率受外界條件影響較大的淺部膨脹土進行改良，將會使膨脹土地基的工程穩定性得到較大改善。

4)從室內試驗的角度出發，禹州地區改良弱膨脹土的最佳摻灰比為4%。室內確定的最佳摻灰比以及對改良機理的分析，可為工程實踐復雜條件下的現場改良試驗提供參考。

［1］ 王保田，張福海．膨脹土的改良技術與工程應用［M］．北京:科學出版社，2009．

［2］ 盧煒，周永明．荷關高速公路采用生石灰粉處理軟弱地基施工技術［J］．鐵道建筑，2008(7):72-73．

［3］ 劉漢東，李維朝，陳宇．膨脹土路基石灰改性試驗研究［J］．華北水利水電學報，2006，27(2):76-78．

［4］ 城鄉建設環境保護部．GBJ 112—87 膨脹土地區建筑技術規范［S］．北京:中國計劃出版社，1989．

［5］ 中華人民共和國水利部．GB/T 50123—1999 土工試驗方法標準［S］．北京:中國計劃出版社，1999．

［6］ 譚松林，黃玲，李玉花．加石灰改性后膨脹土的工程性質研究［J］．工程地質學報，2009，17(3):421-425．

［7］ 張小平，施斌，陸現彩．石灰改良膨脹土微孔結構試驗研究［J］．巖土工程學報，2003，25(6):761-763．

［8］ 程鈺，石名磊，周正明．消石灰對膨脹土團粒化作用的研究［J］．巖土力學，2008，29(8):2209-2214．

［9］ 杜紅偉，謝玉輝，張弛．南陽地區中弱膨脹土的試驗研究［J］．鐵道建筑，2010(8):107-109．