安徽膨脹土摻石灰改良的試驗研究

張永生，崔可銳，查甫生，馬海春

(合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

膨脹土(李生林等，1992)是一種吸水膨脹、失水收縮、脹縮變形顯著的黏性土，其礦物成分以強親水性礦物蒙脫石和伊利石為主，主要工程性質是具有多裂隙性、超強固結性、強親水性和反復脹縮性。

膨脹土中黏粒主要由親水性礦物、氫氧化物和各種難溶鹽類組成，含有較多的蒙脫石、伊利石、高嶺石等，其特點是透水性差、吸水膨脹、失水收縮，并具有較大的脹縮變形能力，遇水導致強度降低，引起地基變形破壞。

改良膨脹土一般采用經濟實用的石灰。石灰對膨脹土的改良屬于膨脹土改良法中的化學改良法，是處理膨脹土的最普遍和有效的方法，具有經濟與實施方便的優點，在工程界應用十分普遍。

1 區域地質概況

安徽省位于中國東南部，居華東腹地，面積13.97萬km2。其中膨脹土面積總計41 742.41 km2，在宿州、懷遠、蚌埠、合肥、廬江、桐城膨脹土分布極其廣泛(圖1)。

2 石灰改良膨脹土的機理

在膨脹土中加入石灰進行改性處理，主要是針對黏土礦物中易親水的蒙脫石和伊利石，使其與石灰發生化學離子交換作用，通過微結構的改變來改變土的工程性質(查甫生等，2006)。

膨脹土中加入石灰后，二者發生物理和化學作用，包括離子交換、Ca(OH)2結晶、碳酸化和火山灰反應。Ca(OH)2解離后的Ca2+與黏土膠體顆粒反離子層上的K+、Na+進行交換，膠體吸附層減薄，膠體顆粒發生聚結;Ca(OH)2與水作用形成的含水晶體將黏土顆粒膠結成整體，以及形成CaCO3過程的碳酸化反應和形成硅酸鈣、鋁酸鈣過程的火山灰反應均改變了膨脹土的力學性質，其強度和水穩定性大大提高，脹縮性也得到了控制(劉錫勒，2004;張海彬，2005)。

3 研究區膨脹土摻灰比研究

摻灰比是指生石灰質量與干土質量之比。試驗時按比例稱取一定質量的生石灰將其消解冷卻后摻入土樣中，生石灰等級為二級(要求石灰中CaO和MgO的質量分數高于70%)。

圖1 安徽省膨脹土分布圖Fig.1 Map showing distribution of expansive soil in Anhui Province

對所取土樣按比例摻入石灰進行各項試驗并與素土試驗進行對比分析。摻入石灰的比例為2%～12%，相鄰的摻灰比之間相差2%。室內試驗方案按《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)進行，對石灰土進行物理、力學性質以及脹縮性質的試驗。

試驗所用土樣取自宿州、懷遠、蚌埠、合肥、廬江、桐城，其自由膨脹率如表1所示，均為典型膨脹土，主要形成于Qp時期，含大量球狀鐵錳結核。

表1 自由膨脹率試驗結果Table 1 Test results of free swelling rate

3.1 擊實試驗

將宿州、懷遠、蚌埠、合肥、廬江、桐城6地的素土和石灰土擊實試驗得到的數據制成表2和表3。

表2 安徽不同地區不同摻灰比灰土的最大干密度Table 2 Maximum dry density of lime soils with different lime ratios in different areas of Anhui

表3 安徽不同地區不同摻灰比灰土的最優含水率Table 3 Optimum moisture content of lime soils with different lime ratios in different areas of Anhui

通過對6個地區的膨脹土擊實試驗研究可知：(1)宿州、蚌埠、懷遠、合肥、廬江、桐城地區膨脹土的最大干密度與摻灰比呈反比變化;(2)總體而言，宿州、蚌埠、懷遠、合肥、廬江、桐城地區膨脹土最優含水率隨摻灰比的增加而增加。

3.2 強度試驗

采用上述擊實試驗所得到的最優含水率和最大干密度的0.95倍(相當于95%的壓實度)制作試件，分別測試摻石灰土樣的7天養護齡期和28天養護齡期的無側限抗壓強度(表4)。

表4 安徽不同地區摻灰膨脹土無側限抗壓強度Table 4 Unconfined comprehensive strength of lime-mixing expansive soils in different areas of Anhui

由表4可知：(1)石灰飽和土的無側限抗壓強度隨摻灰比的增加先增后減;(2)28天齡期的比7天齡期飽和土無側限抗壓強度有一定的提高;(3)宿州、蚌埠、懷遠、合肥、廬江、桐城地區土的無側限抗壓強度最佳摻灰比分別為8%、8%、6%、8% 、8% 、6% 。

3.3 脹縮試驗

為了研究膨脹土摻石灰處理后的脹縮性質，選擇2個典型地區的膨脹土，分別進行28天齡期的摻石灰土與其素土的自由膨脹率、膨脹力50 kPa壓力下的膨脹率試驗，結果見表5。

由表5可知：(1)膨脹土摻入石灰，可明顯地降低脹縮性;(2)摻入少量石灰(摻灰比在4%左右)就可以使膨脹土脹縮性大大降低;增大摻灰量，膨脹土的脹縮性仍可降低，但降低幅度不大，并逐漸趨于穩定。

表5 膨脹土脹縮性質Table 5 Swelling properties of expansive soils

4 結論

該研究以實驗為手段，對安徽省內的膨脹土進行綜合分析，對不同摻灰比條件下不同地區膨脹土進行試驗比較，得到如下結論。

(1)根據膨脹土的分類研究(陳善雄等，2005)由自由膨脹率數據可知合肥為中等偏弱膨脹土，其余地區均為弱膨脹土。

(2)膨脹土摻石灰后有效改良了土體的工程性質，提高了土體強度。

(3)摻入少量石灰(摻灰比在4%左右)就可以使膨脹土脹縮性大大降低;增大摻灰量，其脹縮性仍可降低，但降低幅度不大，逐漸趨于穩定。

(4)宿州、蚌埠、懷遠、合肥、廬江、桐城地區土的無側限抗壓強度最佳摻灰比分別為8%、8%、6% 、8% 、8% 、6% 。

陳善雄，余頌，孔令偉，等.2005.膨脹土判別與分類方法探討［J］.巖土力學，26(12)：1895－1900.

GB/T 50123—1999，土工試驗方法標準［S］.

李生林，秦素娟，薄遵昭，等.1992.中國膨脹土工程地質研究［M］.江蘇南京：江蘇科學技術出版社.

劉錫勒.2004.石灰在膨脹土施工中的試驗研究［J］.安徽建筑，(3)：66－66.

張海彬.2005.石灰改良膨脹土的理論與實踐［J］.鐵路建筑，(10)：38－40.

查甫生，劉松玉，崔可銳.2006.合安高速公路膨脹土摻石灰試驗研究［J］.公路交通科技，23(1)：36－39.