石灰-EPS顆粒復合改良膨脹土的膨脹性研究

孫健峰，李明東，潘耀森，朱麗萍，王升福

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013；2. 云浮市交通運輸事務服務中心，廣東 云浮 527300；3. 東華理工大學水資源與環境工程學院，江西 南昌 330013)

0 引 言

膨脹土在我國的分布范圍較廣，是一種具有吸水膨脹、失水收縮物理性質的特殊土體，其脹縮性引起的土體反復變形導致土體強度損失，易引起膨脹土邊坡淺層局部失穩、公路路基坍塌等工程問題[1-3]。為解決這一問題，諸多學者開展了膨脹土的改良研究。陳雷等[4]通過室內試驗研究了石灰改良膨脹土作為路基填料的膨脹和力學性質。邊加敏[5]研究了石灰改良膨脹土的水穩定性。李國維等[6]在弱膨脹土中摻入崩解性砂巖發現其膨脹率、膨脹力、最優含水率與摻入量負相關。余夢等[7]利用巴氏芽孢八疊球菌開展MICP壓力灌漿改性膨脹土室內試驗，灌漿處理后試樣的無側限抗壓強度最多提高了379.4%，膨脹力最高可減少25.3 kPa，滲透系數最大減少3個數量級。曾娟娟等[8]利用生物酶改良路基膨脹土，發現其自由膨脹率和50 kPa下有荷膨脹率顯著降低。劉宇翼[9]向膨脹土中添加了30%的電石渣和稻殼灰發現，膨脹土的自由膨脹率從82%下降到39%。實際工程中多采用基于素膨脹土最大干密度確定的最優含水率作為石灰改良膨脹土的施工含水率[10]，這種方法未考慮膨脹性這一膨脹土的根本問題。有學者研究發現，配土含水率對膨脹力有一定的影響，在控制其他變量相同的情況下，通常隨著配土含水率的增加，膨脹力會減小[11-12]，表明膨脹力可以作為膨脹性能指標研究配土含水率的影響。

EPS顆粒又稱聚苯乙烯泡沫塑料，2019年我國聚苯乙烯進口數量為131萬t[13]，由于回收價值低，大多廢棄為垃圾。在國家戰略推動之下，加快EPS顆粒的資源化利用日漸受到重視。因為其具備較好的抗水性和優異的緩沖性能，莊心善等[14]在膨脹土中添加EPS顆粒，通過EPS顆粒的變形吸收膨脹能量，從而改善膨脹土脹縮性，并有優良的保溫減振效果。朱偉等[15]在疏浚淤泥中添加固化材料和EPS顆粒，制作成淤泥EPS顆粒混合輕質土，既可以資源利用化疏浚淤泥，又可以減少軟土地基的處理費用。

本文綜合石灰和EPS顆粒改良膨脹土技術，提供了一種新的膨脹土改良技術。在遴選最佳石灰摻量和最佳摻水量的基礎上，摻入不同體積分數的EPS顆粒，測試復合改良膨脹土的有荷載膨脹率和膨脹力，分析EPS顆粒對膨脹性的影響規律。

1 試驗材料

(1)膨脹土。取自河南省南陽市某基坑，灰色，硬塑狀態，土中含有少量結核，結核呈灰白色。土樣的自由膨脹率為46%，為弱膨脹潛勢。基本物理指標見表1。

表1 膨脹土基本物理性質指標 %

(2)石灰。由江西惠灰石灰廠生產，白色，堆積密度為1.18 g/cm3。主要化學成分見表2。

表2 石灰的主要化學成分 %

(3)EPS顆粒。購自河南宮市乙豐泡沫制品廠，顆粒粒徑為1.2 mm，堆積密度0.019 g/cm3。

2 試驗方案

2.1 最佳石灰摻量的確定

考慮到石灰的吸水性，先分別制備含水率ω為18%、22%、24%、26%、28%、30%的素膨脹土，再分別與0、2%、4%、6%、8%、12%的石灰拌和制備得到石灰改良膨脹土試樣，共36組。按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[16]對試樣進行自由膨脹率試驗，分析自由膨脹率與不同石灰摻量的關系，獲得最佳石灰摻量。

不同含水率下，膨脹土的自由膨脹率隨石灰摻量變化見圖1。從圖1可知，加入石灰后，膨脹土的自由膨脹率大幅度下降，這是因為石灰電解生成高價陽離子Ca2+與Na+、K+發生置換反應[17]，使膨脹土吸水膜變薄，并形成團聚體[18]。當石灰摻量小于4%時，自由膨脹率隨石灰摻量的增加迅速下降；而石灰摻量大于4%時，再增加石灰摻量收效甚微，考慮到經濟性，可認定最佳石灰摻量為4%。

圖1 石灰摻量對膨脹土自由膨脹率的影響

2.2 最佳摻水量的確定

在最佳石灰摻量下，測試不同含水率下石灰改良膨脹土的自由膨脹率，分析改良土自由膨脹率與實測含水率的關系，自由膨脹率值最低點對應的含水率即為石灰改良膨脹土的最佳摻水量。

圖2是在最佳石灰摻量4%下，改良土自由膨脹率隨實測含水率變化。從圖2可以看出，隨著含水率的增加，改良土自由膨脹率呈現先下降后再上升的趨勢。含水率為21.04%時，自由膨脹率最低，為8.5%，由此認定，最佳摻水量為21.04%。

圖2 改良土自由膨脹率隨含水率的變化

2.3 石灰-EPS復合改良膨脹土試驗

在最佳石灰摻量和最佳摻水量下，將EPS顆粒按體積分數分別以0、5%、15%、30%、50%摻入改良土中，混合均勻后經過擊實得到5組土樣，分別用E0、E5、E15、E30、E50表示。在最佳摻水量下制作素膨脹土土樣，作為石灰-EPS復合改良的對照試樣，用W表示。分別進行有荷膨脹率試驗和膨脹力試驗，有荷膨脹率試驗在WG型單杠桿固結儀上開展，膨脹力試驗在WG型三聯低壓固結儀上開展。試樣匯總見表3。

表3 試樣匯總 %

3 石灰-EPS顆粒復合改良膨脹土的膨脹性

3.1 石灰-EPS顆粒對有荷載膨脹率的影響

EPS顆粒添加量對有荷載膨脹率的影響見圖3。從圖3可知，EPS顆粒摻量有助于降低膨脹土的有荷載膨脹率。為進一步分析EPS顆粒添加量對有荷載膨脹率的影響，參考莊心善等[19]的方法，定義改良效率A為在同一荷載下，不同EPS顆粒添加量下的絕對有荷載膨脹率降低率與EPS顆粒添加量之比。改良效率A反映了單位EPS顆粒添加量下的絕對有荷載膨脹率降低效率，公式為

(1)

圖3 EPS顆粒添加量對有荷載膨脹率的影響

式中，XE為EPS顆粒摻量的體積分數；Yi為XE下的某個荷載下的有荷載膨脹率；Y0為在施加與Yi相同荷載下土樣E0的有荷載膨脹率。

圖4為EPS添加量與有荷載膨脹率改良效率A的關系。從圖4可知，在不同荷載下，改良效率A總體上隨著EPS顆粒添加量的增加而降低，EPS顆粒添加量為5%時，改良效率A最大。

圖4 EPS顆粒添加量與改良效率A的關系

圖5 上覆荷載對有荷載膨脹率的影響

上覆荷載對有荷載膨脹土膨脹率的影響見圖5。從圖5可以看出，有荷載膨脹率隨著上覆荷載的增加而降低。出現這種情況的原因是，上覆荷載逐漸變大時，膨脹土會因為上覆荷載而壓縮，但膨脹土吸水會引起體積增大，因此當膨脹變形大于壓縮變形時，膨脹土整體會表現出膨脹狀態；當上覆荷載比較大時，膨脹變形不足以抵消壓縮變形，此時膨脹土就會表現出壓縮變形，因此出現了膨脹土隨著上覆荷載的逐漸增加，有荷載膨脹率由正值變負值的現象。當上覆荷載分別為25、50、75 kPa時，有荷載膨脹率隨著EPS顆粒添加量的增加而降低，這是因為EPS顆粒是一種穩定性好、吸濕性低的材料，不易吸水膨脹，當EPS顆粒摻量增加時，意味著膨脹土顆粒的占比會減小，所以膨脹性也會隨之降低。當上覆荷載為100 kPa時，素膨脹土的有荷載膨脹率最低，出現這種現象的原因是在此時的荷載下EPS顆粒不容易被壓縮，而膨脹土顆粒卻繼續被壓縮，導致素膨脹土的壓縮變形最大，有荷載膨脹率最低。

3.2 石灰-EPS顆粒對膨脹力的影響

EPS顆粒添加量對膨脹土膨脹力的影響見圖6。從圖6可知，隨著EPS顆粒含量由0增加至5%，膨脹土膨脹力由21.28 kPa下降到9.08 kPa，減少了12.20 kPa；EPS顆粒含量由5%增加至50%，膨脹土膨脹力由9.08 kPa減小到2.32 kPa，減小了6.76 kPa。可以看出，EPS顆粒摻量可以降低膨脹土的膨脹力。為進一步分析EPS顆粒添加量對膨脹力的改良效果，定義改良效率B為不同EPS顆粒添加量下的絕對膨脹力降低率與EPS顆粒添加量之比，改良效率B反映了單位EPS顆粒添加量下的絕對膨脹力降低效率，公式為

(2)

式中，Pi為XE下的膨脹力；P0為土樣E0的膨脹力。

圖6 EPS顆粒添加量對膨脹力的影響

圖7為EPS添加量與改良效率B的關系。從圖7可以看出，添加5%EPS顆粒時，改良效率B達到最大，為11.46%，而添加15%、30%、50%EPS顆粒時改良效率B呈下降趨勢。

圖7 EPS顆粒添加量與改良效率B的關系

4 結 語

本文基于不同的石灰摻量和不同的EPS顆粒添加量，對南陽市某基坑的膨脹土的膨脹性能進行了研究，得出以下結論：

(1)石灰摻入膨脹土中，對其膨脹性有一定的抑制作用，考慮經濟性的原則下，最佳的石灰摻量為4%。

(2)在最佳的石灰摻量4%下，實測改良土的含水率，其中自由膨脹率值最小的點對應的含水率為21.04%，即為最佳摻水量。

(3)基于最佳的石灰摻量4%和最佳摻水量21.04%，再向膨脹土中摻入EPS顆粒后發現，EPS顆粒添加量有助于降低復合改良土的有荷載膨脹率和膨脹力，屬于負相關關系。

(4)對不同EPS添加量下的有荷載膨脹率和膨脹力進行進一步的分析，得到不同EPS添加量下的改良效應系數曲線，當EPS摻量為5%時，改良效率A和改良效率B均最大。