鈣礬石形成引起石灰改良土膨脹研究

章 敏

(京沈鐵路客運專線遼寧有限公司，遼寧 沈陽 110006)

1 概況

為了改善土工材料的性能，經常使用諸如石灰、水泥等材料對土進行改良。在石灰改良土高pH值環境下，礦物活性被激發，引起石膏、芒硝等硫酸鹽與改良土發生化學反應，形成鈣礬石晶體導致膨脹變形，對改良土體產生不利影響。

本文針對硫酸鹽侵蝕形成鈣礬石引起改良土膨脹問題進行了研究，通過室內試驗模擬了改良土中鈣礬石形成及其膨脹過程，對硫酸鹽侵蝕膨脹的物質基礎及影響因素進行了研究，為改良土中鈣礬石形成機理提供了理論依據。

2 試驗設計

試驗主要針對鈣礬石生成的物質基礎進行研究，主要使用生石灰(氧化鈣)、含鋁礦物鋁酸鈉與高嶺土、硫酸鈉3類反應礦物模擬鈣礬石在改良土中的形成以及其膨脹，鈣礬石形成的反應式為：

表1 試驗配比以及基本物理參數

試驗共開展9組不同配比試驗，為使試驗結果盡可能明顯，試樣干密度接近最大干密度，所有試樣在標準砂最佳含水率5%時進行擊實。9組試樣擊實后測得干密度為1.97～2.02 g/cm3，干密度基本接近。值得指出的是，為保證試樣條件接近，本次試驗中所有參與鈣礬石生成反應的氧化鈣、硫酸鈉、鋁酸鈉、高嶺土等外加劑含量為占標準砂的質量比，而含水率為占改良土的質量比。保證試樣在近似的顆粒級配、孔隙比等基本物理條件下可以對比其變形量，研究鈣礬石形成引起改良土膨脹變形影響。

3 試驗膨脹變形過程分析

圖1所示為試樣1至試樣5共5組試驗的膨脹變形隨時間的變化規律。試樣1、試樣2、試樣3膨脹變形相近，分別為1.16,1.07,1.06 mm，變形基本在600 min 時已趨于穩定，這3組的膨脹變形主要是由于生石灰遇水發生了體積膨脹，硫酸鈉、鋁酸鈉與生石灰不會生成特殊物質產生膨脹，2種鹽類自身也不具有膨脹性。

圖1 試樣1—試樣5膨脹變形時程曲線

試樣4、試樣5同時加入了氧化鈣、硫酸鈉、鋁酸鈉，具有形成鈣礬石所需的鈣、鋁、硫酸根3類礦物的物質基礎，其膨脹變形分別為1.93，2.34 mm，明顯大于生石灰自身的吸水膨脹變形，分析認為在此配比以及試驗條件下，鈣礬石在石灰改良土中形成，引起土體膨脹。試樣4、試樣5膨脹變形過程可以分為3個階段：Ⅰ階段(1～200 min)快速期，該階段膨脹變形主要由生石灰吸水引起；Ⅱ階段(200～600 min)減速期，該階段生石灰吸水膨脹變形逐漸減小，也伴隨有部分鈣礬石生成引起膨脹變形；Ⅲ階段(600～3 000 min)穩定期，該階段生石灰吸水膨脹變形基本結束，其變形主要是由于鈣礬石生成引起。在試驗的室內模擬環境下，鈣礬石反應在 3 000 min 時間結束，膨脹變形趨于穩定。在試樣的組成礦物、土顆粒種類結構、試驗環境都相同的情況下，試樣5膨脹變形略大于試樣4。這是由于試樣5是擊實后立即開始浸水試樣，而試樣4擊實后放置了約30 min左右才開始浸水試驗，導致在放置的過程中已經損失了一部分礦物活性。

4 鈣礬石的鑒別

X衍射分析(X-ray Diffraction,XRD)方法普遍應用于巖土材料的礦物晶體組成研究，國內外學者多采用X衍射的方式查證鈣礬石晶體的存在。礦物的晶體都具有特定的X射線衍射圖譜，圖譜中的特征峰強度與樣品中該礦物的含量正相關。因此，采用試驗的方法可以確定某種礦物的含量與其特征衍射峰的強度之間的正相關關系，進而通過測量未知樣品中該礦物特征峰的強度而求出該礦物的含量。圖2為試樣5在試驗完成后，進行XRD定量分析的衍射圖。

圖2 試樣5的XRD定量分析

由圖2可知，試樣5中主要礦物晶體為石英(77%)，少量白云石(10%)、方解石(2%)、云母(2%)等標準砂成分，以及試驗生成的石膏(2%)、鈣礬石(2%)2類礦物晶體。通過XRD試驗明確檢測出試樣5中已生成了鈣礬石晶體，其含量為2%，但是XRD定量分析的方法精度只能達到1%數量級，對于微量的礦物晶體含量定量判別精度有限，只能做定性判斷。在試樣5的級配、礦物含量以及試驗條件下，生成2%鈣礬石，土體膨脹率約為5%。

5 鈣礬石形成的物質條件

圖3所示為試樣6至試樣9共4組土樣的膨脹變形隨時間的變化規律。試樣6、試樣7膨脹變形相近，分別為1.16,1.18 mm，變形基本在600 min時已趨于穩定，這2組的膨脹變形主要是由于生石灰遇水發生了體積膨脹，本試驗所用的高嶺土本身不具有膨脹性。試樣8、試樣9未加入鋁酸鈉試劑，而加入了5%的高嶺土，其膨脹變形分別為2.16，1.97 mm。

圖3 試樣6—試樣9膨脹變形時程曲線

黏土礦物中一般都含氧化鋁和二氧化硅，由于石灰引起的高pH值環境，氧化鋁會從黏土礦物中釋放。其反應式如下：

高嶺土是一種含鋁量較高的細顆粒黏土礦物，在堿性環境下，釋放出來可供反應的鋁與可溶性硫酸根共同參與鈣礬石晶體的形成。試驗結果表明，試樣8、試樣9中高嶺土在堿性環境下釋放了可供反應的鋁，形成鈣礬石晶體導致土體膨脹。同時，高嶺土顆粒極細，高嶺土的存在加速了鈣礬石的形成，試樣8、試樣9基本在1 400 min變形已經趨于穩定。鈣礬石形成引起改良土體的膨脹主要是由于石灰穩定劑中的鈣、土中的可供反應的鋁和硫酸鹽反應引起。

在高pH值的環境下，若Al3+可以來源于黏土礦物，不考慮離子遷移的密閉環境內，改良土中鋁的含量是過量的，只要一直維持高pH值的堿性環境，可供反應的鋁將一直從黏土礦物中釋放，則鈣礬石生成量由堿性改良土石灰中具有活性鈣基離子和環境中的硫酸鹽含量決定，對于細顆粒含量較高的堿性改良土，鋁含量不是限制鈣礬石形成以及改良土膨脹量的關鍵因素。

6 結論

1)鈣礬石在石灰改良土中形成引起改良土的膨脹主要分為快速期、減速期以及穩定期3個階段，在試驗的室內模擬環境下，鈣礬石反應在 3 000 min 結束，膨脹變形趨于穩定。

2)鈣礬石形成引起改良土體的膨脹主要是由于石灰改良劑中的鈣以及土中的可供反應的鋁和硫酸鹽反應引起。

3)X射線衍射驗證了試樣中鈣礬石的形成，分析表明生成2%鈣礬石，土體膨脹率約為5%。

4)黏土礦物可提供鈣礬石形成所需的Al3+，對于細顆粒含量較高的堿性改良土，鋁含量不是限制鈣礬石形成以及改良土膨脹變形的關鍵因素。