石灰、水泥改良膨脹土性能試驗(yàn)研究

賈紅衛(wèi)

（甘肅省平?jīng)鍪泄肪?，甘肅 平?jīng)?744000）

0 引言

膨脹土作為一種具有特殊性質(zhì)的黏土，因其主要成分包含有蒙脫石-伊利石等礦物，而具有較強(qiáng)吸水性、較大的塑性且失水后極易產(chǎn)生裂隙等特性，同時其固結(jié)狀態(tài)較好、壓縮性較小。從土體整體性方面而言，膨脹土裂隙的存在會破壞其完整性。另一方面，由于出現(xiàn)裂隙的不規(guī)則性，極大地削弱了土體的承載能力。在實(shí)際工程中，由于膨脹土的不良工程特性，在膨脹土地區(qū)建設(shè)的邊坡、路基和地基等工程造成的危害往往具有長期潛在性、突發(fā)性和反復(fù)性的特點(diǎn)。例如，外界荷載和環(huán)境等因素的作用，使得膨脹土邊坡產(chǎn)生滑移，會造成邊坡周邊建筑物開裂、傾斜等危害。在公路工程中，膨脹土的漲縮特性易使路塹表面溜坍和淺層滑坡、路肩錯落等。因此由膨脹土引發(fā)的工程地質(zhì)問題已成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)[1-3]，提出合理的解決辦法已刻不容緩。

目前對于膨脹土的改良措施，國內(nèi)眾多學(xué)者已取得很多成果，并為其在工程中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。汪海洋[4]在通過大量室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對膨脹土做添加水泥黏結(jié)料的改良處理，發(fā)現(xiàn)水泥可有效改善膨脹土的力學(xué)性能，降低其脹縮性帶來的危害。陳善雄等[5]通過向膨脹土內(nèi)添加一定含量的石灰達(dá)到改善其性能的效果，發(fā)現(xiàn)石灰對中膨脹土改性效果顯著，能有效抑制其脹縮趨勢并提高土體強(qiáng)度。S.Akbulut等[6]研究了水泥、石灰和粉煤灰對膨脹土的加固機(jī)理，結(jié)果表明石灰和粉煤灰的機(jī)理較為接近，是通過減小膨脹土間的離子交換能力實(shí)現(xiàn)加固的；相反水泥則是增加了膨脹土的離子交換能力，但增加幅度并不顯著。

上述學(xué)者的眾多成果多數(shù)停留在某一種改良劑下對膨脹土的改良效果進(jìn)行研究，而較少將不同改良劑下膨脹土的改良效果進(jìn)行對比?；诖?，本文主要通過室內(nèi)試驗(yàn)研究，對水泥和石灰兩種不同的添加劑對膨脹土的改良效果做對比分析，以期為其在工程中的應(yīng)用提供參考。

1 改良膨脹土的作用機(jī)理

1.1 石灰改良膨脹土機(jī)理分析

石灰改良膨脹土作為應(yīng)用較早且在工程中應(yīng)用較為廣泛的方法，其主要是利用石灰與土顆粒中的某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而達(dá)到改善土體的目的。當(dāng)石灰與膨脹土充分拌和后，引起膨脹土出現(xiàn)結(jié)塊、可塑性降低，同時土體的最佳含水率增大而最大干密度縮小等物理性質(zhì)的改變。改良過程中所涉及的反應(yīng)階段主要有水化反應(yīng)和膠凝作用。

1.1.1 水化反應(yīng)

生石灰在于大量的水經(jīng)歷水化反應(yīng)后生成Ca（OH）2，其中 Ca2+和（OH）-離子會與土體的膠體顆粒表面含有的Na+、K+進(jìn)行離子置換，土體中Ca2+含量增加，減小了土粒之間的距離，從而增強(qiáng)土體的黏結(jié)力。因此所提供的石灰中活性氧化鈣的含量越高，改善膨脹土的效果越好。

1.1.2 凝結(jié)作用

膨脹土中的SiO2和Al2O3在生石灰與水發(fā)生水化反應(yīng)后逐步硬化凝結(jié)形成一層穩(wěn)定的保護(hù)膜覆蓋在土粒外圍的水化物，因其黏結(jié)力極強(qiáng)而使土體凝結(jié)成一個整體。

1.2 水泥改良膨脹土機(jī)理分析

水泥改良膨脹土主要是當(dāng)水泥與水混合后，水泥遇水發(fā)生水化反應(yīng)生成Ca（OH）2，土中的Ca2+含量急劇增加，在反應(yīng)后較短時間內(nèi)土體中Ca（OH）2達(dá)到飽和。隨著Ca2+被大量釋放，土體的黏結(jié)力增強(qiáng)從而實(shí)現(xiàn)對土體的加固。同時在后續(xù)過程中，Ca（OH）2與空氣中的二氧化碳發(fā)生氧化反應(yīng)生成耐水性較強(qiáng)的碳酸鈣，提高了膨脹土的強(qiáng)度。相關(guān)學(xué)者[7-8]在經(jīng)過大量試驗(yàn)后認(rèn)為，隨水泥摻量的增加，膨脹土的強(qiáng)度也會提高，但隨著水泥水化反應(yīng)的不斷發(fā)生，會大量消耗膨脹土內(nèi)部的水分，包括游離的自由水和土顆粒內(nèi)部的結(jié)合水，這樣就會使黏土礦物發(fā)生干縮和開裂，反而造成膨脹土強(qiáng)度下降，減弱膨脹土的穩(wěn)定性。因此對于采用水泥改良膨脹土?xí)r，應(yīng)嚴(yán)格控制水泥的摻入量。

2 改良膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 改良膨脹土的基本物理指標(biāo)

由于膨脹土的膨脹性主要由膨脹土的一般物理指標(biāo)決定，因此在對膨脹土做改良之前必須對其基本的物理參數(shù)進(jìn)行確定。本節(jié)試驗(yàn)取改良膨脹土土樣進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)的土工試驗(yàn)，分別測得膨脹土的顆粒分析、液塑限等基本物理指標(biāo)，采用X射線衍射儀對土體中所含的礦物成分進(jìn)行分析。根據(jù)液塑限試驗(yàn)、顆粒分析及礦物含量結(jié)果，評定該膨脹土為中膨脹土。對素土進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，得出該土樣的最大干密度為1.76 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.19%。土的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.2 試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)所用改良劑分別有生石灰粉和32.5級的普通硅酸鹽水泥兩種。其中生石灰中CaO的含量為75.44%，MgO為0.39%。改良試驗(yàn)中，為了更加精準(zhǔn)研究改良劑的改良效果，對于兩種改良劑的摻合比均為4.0%、5.0%、6.0%和8.0%四種。摻灰后的膨脹土土樣按照擾動土樣的植被程序重新制備[9-10]，經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后取出試件開展相關(guān)試驗(yàn)。對摻入改良劑的膨脹土進(jìn)行界限含水率、自由膨脹率和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究。通過重型擊實(shí)試驗(yàn)確定不同摻入比下膨脹土的最大干密度和最佳含水率，在此基礎(chǔ)上重新制備土樣，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測試土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同摻合比的改良膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)見表3。

表3 不同摻合比下改良膨脹土物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 界限含水率

表1 膨脹土物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 顆粒分析試驗(yàn)

土的界限含水是反映土顆粒的親水能力，一般包括液限、塑限和塑性指數(shù)。其中，液限和塑限可以更好地反映土體特性，塑性指數(shù)一般可作為判定膨脹土的分類標(biāo)準(zhǔn)。

從圖1中可以看出，膨脹土經(jīng)添加改良劑后，膨脹土的親水性逐漸下降。同時對比兩種改良劑發(fā)現(xiàn)，石灰對膨脹土的改良略比水泥好。就石灰改良膨脹土而言，隨摻灰量的逐漸增加，改良土的液限下降幅度較為明顯，當(dāng)摻灰量為8%時，液限整體下降28%。相對液限而言，塑限的下降趨勢較為平緩，且當(dāng)摻灰量由6%增加至8%的過程中，塑性下降量僅為1.3。由于液限的下降幅度更大，改良土的塑性指數(shù)亦呈下降趨勢，亦即膨脹土的膨脹性減小。分析原因，隨摻灰量的增加，膨脹土土體的親水性能變?nèi)酰蛎浶詼p小。

圖1 改良劑摻量對界限含水率的影響曲線

3.2.2 自由膨脹率

自由膨脹率作為反映膨脹土脹縮性的特征指標(biāo)，其與膨脹土的礦物成分、黏粒含量和化學(xué)組成等密切相關(guān)。膨脹土在與不同摻量的改良劑拌和后，其自由膨脹率明顯下降，說明改良劑起到了改善膨脹土的目的。由圖2可知，隨石灰摻量的不斷增大，膨脹土的自由膨脹率明顯下降，與膨脹土的原土相比下降了43.22%；但當(dāng)石灰摻量超過6%后，自由膨脹率的下降趨勢變得較為平緩，說明此時增大石灰的摻入量并不能有效減小其自由膨脹率。隨水泥摻量的不斷增加，膨脹土的自由膨脹率亦有下降，但下降幅度較石灰略小，且當(dāng)水泥摻量為8%時，自由膨脹率有所上升。因此可見改良劑的摻量并非越多越好，在工程應(yīng)用中建議采用的改良劑摻量為6%。

3.2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖3可知，膨脹土在加入改良劑后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到明顯提升，當(dāng)改良劑摻量均為4%時，與不添加改良劑時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比，石灰的提升了將近3倍，而水泥的大約提升了1.9倍。由此可見，石灰較水泥能夠更好地改善膨脹土強(qiáng)度。同時注意到，當(dāng)石灰作為改良劑時，隨石灰摻入量的增大，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈逐漸增加的趨勢，尤以摻灰量4%提升至5%時強(qiáng)度變化較為明顯。后期隨摻入石灰量的增加，改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加幅度逐漸下降。當(dāng)水泥作為改良劑時，摻入量由4%變化到6%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大致呈線性增加；但摻入量增大至8%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎沒有變化。

圖2 改良劑摻量對自由膨脹率的影響曲線

圖3 改良劑摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響曲線

4 結(jié)語

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)以膨脹土為主要研究對象，將石灰和水泥作為改良劑，研究了改良劑對膨脹土的界限含水率、自由膨脹率以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)論如下：

（1）石灰的改良效果略優(yōu)于水泥的改良效果。

（2）石灰和水泥均可使膨脹土的液限大幅度降低，但以石灰更為顯著。兩者對塑限的影響較液限小，因此可使膨脹土的塑性指數(shù)減小，從而降低膨脹土的親水能力，提高其穩(wěn)定性。

（3）自由膨脹率作為反映膨脹土的特性指標(biāo)，經(jīng)改良后的膨脹土土體的自由膨脹率得到有效降低，但并非隨改良劑摻量的增加，自由膨脹率一直下降。建議工程應(yīng)用中取改良劑摻量為6%為宜。

（4）改良劑可明顯提高膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。當(dāng)石灰摻量在4%左右時，其所達(dá)到的強(qiáng)度是原素土強(qiáng)度的近3倍。但當(dāng)摻入量逐漸增加到8%時，兩種改良劑下膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均沒有明顯提高。