電石灰改良膨脹土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

雒國(guó)鋒, 侯毓山

（新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司, 新疆烏魯木齊 830002）

1 概述

膨脹土是一種顆粒高度分散的高塑性粘土, 主要由粘土礦物組成, 對(duì)環(huán)境的濕熱變化極為敏感。膨脹土是在吸水條件下膨脹軟化, 失水條件下收縮開(kāi)裂的一種特殊土。在實(shí)際工程領(lǐng)域又稱災(zāi)害性土, 是不良地質(zhì)作用之一。

膨脹土具有膨脹收縮、裂隙和超固結(jié)三種性質(zhì)。也正是由于膨脹土的“三性”特性, 使得膨脹土的工程性能很差, 在工程建設(shè)中經(jīng)常引發(fā)各種工程事故[1-4]。

由于國(guó)家不斷加大大氣污染的治理力度, 使得各地政府紛紛關(guān)停高污染企業(yè), 生石灰的生產(chǎn)受到了很大的限制, 難以滿足工程建設(shè)的需要。電石灰是電石在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)的產(chǎn)物, 其主要成分為氫氧化鈣, pH值為13～14, 呈強(qiáng)堿性且具有較強(qiáng)的腐蝕性。由于電石灰的主要成分與消石灰相同, 都是氫氧化鈣, 因此, 可以將電石灰用于替代生石灰用于工程之中處治膨脹土[5-6]。

2 原材料性質(zhì)

2.1 膨脹土的基本性質(zhì)

本文選取的是河南某地區(qū)的土樣, 取樣深度為1.0～1.5m, 土樣呈現(xiàn)暗黃色且中間夾雜白色；同時(shí)所取土樣網(wǎng)狀裂隙極為發(fā)育, 有蠟面, 易風(fēng)化呈現(xiàn)細(xì)粒狀且裂隙中填著灰白、灰綠色粘土。烘干后的土樣如圖1所示。

圖1 烘干后土樣

通過(guò)自由膨脹率試驗(yàn)得出所取土樣的自由膨脹率為48.3%, 根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20-2011）[7]可以判斷該膨脹土為弱膨脹土。其物理力學(xué)指 標(biāo)如表1所示。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)

2.2 電石灰的基本性質(zhì)

電石灰中主要化學(xué)成分是CaO（質(zhì)量占比達(dá)70%以上）, 其主要化合物為Ca（OH）2, 與消石灰類似, 能夠與土發(fā)生一系列的物理、化學(xué)作用, 從而使電石灰穩(wěn)定土具有一定的強(qiáng)度。本試驗(yàn)所用電石灰（如圖2所示）來(lái)自某市電石灰調(diào)配中心, 由于出廠電石灰含水量較大, 使用前需要將電石灰烘干后再用。

圖2 電石灰

3 電石灰改良膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)研究

3.1 混合料配合比的選取

本文使用電石灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良, 參照既有研究成果并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況[8-9], 最終確定了電石灰和膨脹土之間的摻量, 其中, 電石灰劑量（電石灰占混合料的質(zhì)量百分比）分別為8%、12%、16%和20%, 剩余部分為膨脹土的質(zhì)量含量。具體各比例混合料的配比見(jiàn)表2。

表2 電石灰改性劑改良膨脹土配合比（質(zhì)量含量）

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定素膨脹土和其他四個(gè)配合比在各自不同含水率下的干密度, 并由此繪制含水率—干密度曲線圖。在干密度隨含水率變化曲線圖上峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的含水率和干密度即為該配比電石灰改良膨脹土的最佳含水率與最大干密度[10-11]。由素膨脹土及電石灰改良膨脹土的擊實(shí)可以看出, 試驗(yàn)結(jié)果得到的最佳含水率和最大干密度結(jié)果見(jiàn)表3, 可以看出, 隨著電石灰摻量的增加, 其最佳含水率逐漸減少（除了電石灰含水率為16%的混合料）, 而其最大干密度數(shù)值變化不大, 也沒(méi)有一定的規(guī)律。

表3 最佳含水率與最大干密度結(jié)果

4 電石灰改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

利用靜壓法制備電石灰改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度小試件（試件直徑和高分別為5cm, 每組配比制作6個(gè)小試件）, 置于恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)6d（養(yǎng)護(hù)溫度為20℃±2℃, 養(yǎng)護(hù)濕度為不小于95%）, 浸水1d, 然后利用路強(qiáng)儀測(cè)得的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖3所示[11]。

由圖3可以看出, 當(dāng)電石灰含量為0時(shí)（即素膨脹土）, 在最后一天的泡水養(yǎng)護(hù)中, 試件會(huì)崩解松散, 因而素膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0, 說(shuō)明, 膨脹土的水穩(wěn)定性極差, 在水浸泡之后無(wú)任何強(qiáng)度；隨著電石灰摻量的增加, 電石灰改良膨脹土混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值先增大后減小, 在電石灰摻量為16%和膨脹土含量為84%時(shí), 混合料7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最大, 為6.4kPa, 說(shuō)明摻加了電石灰的膨脹土混合料7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到了明顯提高, 因此電石灰可以用于膨脹土的改良；電石灰含量為20%的電石灰改良膨脹土混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比電石灰含量為16%的混合料的強(qiáng)度低, 說(shuō)明過(guò)量的電石灰不能一直提高混合料的強(qiáng)度, 因此, 在使用過(guò)程中需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果合理確定電石灰的摻量。

圖3 電石灰膨改良脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

5 電石灰改良膨脹土劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照上述無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件制備的方法制備試件并進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn), 結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出, 當(dāng)電石灰含量為0時(shí), 素膨脹土試件在最后一天的浸水中全部崩解, 其劈裂強(qiáng)度為0, 隨著電石灰含量的增加, 膨脹土的劈裂強(qiáng)度也隨之增加, 當(dāng)電石灰含量為16%時(shí), 電石灰改良膨脹土的劈裂強(qiáng)度最大為3.7kPa, 當(dāng)電石灰含量為20%時(shí), 電石灰改良膨脹土的劈裂強(qiáng)度降低到3.4kPa。

圖4 電石灰膨改良脹土劈裂強(qiáng)度

結(jié)果表明, 向原狀膨脹土中摻加適量的電石灰可以在一定程度上提高膨脹土的劈裂強(qiáng)度。

6 結(jié)論

利用電石灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良, 確定合理的配合比并進(jìn)行混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn), 結(jié)果表明：

（1）膨脹土的水穩(wěn)定性極差, 在水浸泡之后無(wú)任何強(qiáng)度；隨著電石灰摻量的增加, 電石灰改良膨脹土混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度都得到明顯提高, 并且無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均是先增大后減小, 在電石灰含量為16%時(shí)強(qiáng)度最高。因此, 電石灰可以用于改良膨脹土并提高其力學(xué)性能；

（2）過(guò)量的電石灰不能一直提高電石灰改良膨脹土混合料的力學(xué)性能, 過(guò)量的電石灰會(huì)降低混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度, 因此, 在使用過(guò)程中需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果合理確定電石灰的摻量。