石灰土灰劑量測定的探討★

張 亞 濤

(安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

我國多達20余個省、市、自治區分布有膨脹土。膨脹土是指粘粒成分主要由強親水性礦物蒙脫石與伊利石組成，具有顯著濕脹干縮和反復濕脹干縮性質的特殊粘性土，膨脹土對公路建設危害較大，常出現油面開裂、路基翻漿、邊坡沉塌、滑坡等危害。隨著我國經濟的快速發展，大量高等級的公路需要修建，然而膨脹土不能直接用于路基填筑，使用前必須對其進行特別處理，摻加石灰作為一種簡便易行的方法越來越受到重視。因為石灰土在成型初期具有一定的穩定性、水穩性和板結性，且隨著時間的增長，強度、板結性及水穩性也會增長，又因其取材方便，施工工藝簡單，所以石灰土被廣泛應用于我國的道路工程。但不同區域素土配成的石灰土的灰劑量都有一個最佳值，過高或過低都會造成石灰土的無側限抗壓強度的下降，因此控制石灰土質量的重點和難點就是石灰劑量的控制[1-4]。目前常用EDTA滴定法檢測石灰劑量，該方法能夠在工地快速測定出石灰穩定材料中灰劑量，并可用于檢查現場拌和、攤鋪的均勻性。

現實中，有的工地沒有條件進行現場測試，需要拿到檢測單位進行檢測時，當送的樣比較多，一天內做不完時(不同齡期對應著不同的EDTA二鈉標準溶液消耗量與灰劑量的標準曲線)，或者為了以后工程質量問題的檢查與責任追究，我們就需要把石灰土盡可能固定在某一個齡期。由于石灰與膨脹土間主要是離子置換反應，而這種交換過程是通過土粒四周的結合水和自由水的離解作用發生的。從張志宏、楊貞武和王崗[5,6]對石灰土的研究中可知：石灰土中含水量越高，石灰中的鈣、鎂離子越容易與土內部的離子發生置換作用，從而使石灰土中游離態的Ca2+減少。因此我們可以采用快速烘干法把石灰土的含水量盡可能的減小，從而使其對石灰與素土間反應的影響可以忽略不計。這樣以來，烘干以后的石灰穩定材料中的鈣離子就幾乎不與土中的礦物發生反應，但是烘干過程中是否有鈣離子與素土中的礦物發生反應，則不得而知，且這個過程對最終測定結果的影響程度如何，這些都是試驗中需要解決的問題。

1 試驗

1.1 石灰改良膨脹土的機理

1.1.1膨脹土膨脹性的改良機理

膨脹土中的膨脹性礦物吸水，在膨脹土晶格、粘土顆粒和聚集體間形成結合水膜，水膜的厚度決定著膨脹土變形的大小。水膜越薄，顆粒間的粘結力就越大，土的脹縮性就越小；反之，水膜越厚，顆粒間的粘結力就越小，土的脹縮性就越大[6,7]。因此，為了減小膨脹土的膨脹性，就必須盡可能地減小結合水膜的厚度。

膨脹土中摻入石灰可使膨脹土中Ca2+含量提高，這時高價的Ca2+就會置換結合水膜中低價的Na+和K+，使結合水膜的厚度減小，顆粒間的粘結力增大，最終達到降低膨脹性的目的。

1.1.2膨脹土力學性能的改良機理

石灰與含水的膨脹土接觸后，將發生團聚、膠結、火山灰化和碳化等一系列物理化學反應的作用，這使石灰改良膨脹土形成了凝膠結晶的網狀混合結構[8-11]，改良了膨脹土的物理力學性能。實踐證明：當改良膨脹土的含水量小于某值時，石灰與膨脹土基本不發生化學反應[6]。

從石灰改良膨脹土的機理中我們可以看出，水的存在對石灰劑量在齡期中的變化起著至關重要的作用。

1.2 石灰劑量的測定原理與方法

根據JTG E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程中規定的試驗步驟，石灰土中加入10%的NH4Cl溶液，主要是把其中鈣的化合物轉化為易溶的CaCl2，然后取上層懸浮夜，加入1.8%的NaOH溶液(內含三乙醇胺)，使溶液pH值在12.5～13.0之間，主要是規避石灰土溶液中Mg2+的干擾(Mg2+在pH值大于11時，會形成難溶的Mg(0H)2沉淀)，而溶液中的三乙醇胺可以與石灰土溶液中Al3+，Fe3+形成非常穩定的配合物，因此EDTA二鈉標準溶液只是對石灰土中Ca2+含量進行滴定。

因為一定的Ca2+含量對應著一定的石灰劑量，所以我們可以用EDTA二鈉標準溶液的消耗量來反映石灰土中的石灰劑量。由于素土和石灰中都能用10%的NH4Cl溶液溶出Ca2+，且當石灰劑量改變時，素土質量也隨著改變，所以EDTA二鈉標準溶液的消耗量和石灰土中石灰劑量不存在嚴格的線性關系。但是從張福海、劉嶄、張志宏等[5,8,12]對石灰土的研究結果中可知：石灰土中的石灰劑量與EDTA二鈉標準溶液的消耗量存在近似線性的關系，筆者大量的試驗也證實了這一點。究其原因，就是同等質量的素土和石灰，在相同試驗環境下，素土中溶出的Ca2+量與石灰中溶出的Ca2+量相比，前者非常小，所以，某一石灰土的石灰劑量可以在經過線性擬合后的EDTA二鈉標準溶液消耗量、石灰劑量曲線中查得。

2 試驗

2.1 試驗內容

把從工地取來的素土、消石灰烘干后，分別根據6%和8%石灰土最佳含水量配置成6%和8%的石灰土，再把不同劑量的石灰土分成三份(每份300 g)，按照表1中三種處理方式分別進行處理，6%石灰土處理后的試樣分別為6-1，6-2和6-3，8%石灰土處理后的試樣分別為8-1，8-2和8-3。

表1 試樣處理方式

2.2 試驗結果與分析

105 ℃±5 ℃環境中處理試樣6 h后，于干燥器中冷卻至常溫，然后加入600 mL 10%氯化銨溶液，震蕩5 min，靜止，10 min左右取上層澄清液10 mL，加入適量鈣紅指示劑，用配好的EDTA二鈉標準溶液進行滴定，記錄消耗EDTA二鈉標準溶液的體積。同時，向20 ℃±3 ℃環境中保存的300 g石灰土中加入600 mL 10%氯化銨溶液，按上述方法進行試驗，測定出10 mL上層清液EDTA二鈉的消耗量。試驗后單位質量的石灰土消耗EDTA二鈉標準溶液的體積如表2所示。

表2 不同處理方式石灰土的EDTA二鈉消耗量 mL/g

從表2中可以看出，攤開放于105 ℃±5 ℃環境中烘6 h的石灰土與20 ℃±3 ℃環境下密封保存6 h的石灰土單位質量消耗EDTA二鈉量相比，明顯下降。說明烘制過程造成石灰土中的鈣離子嚴重減少，烘制過程有加速土壤中的礦物與鈣離子反應的作用，因為烘制過程中的含水量從初始狀態到很低(或接近零)需要有一個過程，盡管該過程時間很短。密封保存在105 ℃±5 ℃的環境中6 h的石灰土與20 ℃±3 ℃下密封保存6 h的石灰土單位質量消耗EDTA二鈉量相比，下降更多，這說明，在有水和較高溫度環境下土壤中的礦物與鈣離子反應的速度更快；以上這些從側面表明：在有水存在時，溫度升高會加快石灰與膨脹土間的反應，溫度降低，則會減弱石灰對膨脹土的改性效果；影響石灰改良膨脹土灰劑量測定值的因素不僅有齡期，還有溫度和含水量。同時也解釋了楊志強等[13]的研究成果：石灰膨脹土試樣在80 ℃下養護48 h后的強度可以達到同樣的試樣在室溫下養護兩年后的強度。在這里把這種現象稱之為石灰土的“時溫等效性”，即正常環境下，石灰土在長時間后才能達到的性能，可以通過人工控制的環境在短時間內實現。這為以后對于石灰土的研究會大有幫助，比如想知道長時間后石灰土的一些性能參數值，我們在試驗室內可以短時間內實現，還可以進行一些齡期和灰劑量的追溯。

3 結語

影響石灰土灰劑量測定的因素除了齡期外，還有溫度和含水量；石灰土中也存在“時溫等效”現象，該現象的存在將為日后長齡期石灰土的研究提供一種可能。