外加劑改良膨脹土試驗(yàn)研究

賈延安 張洋 黃閃閃 郝朝偉

摘要：以江淮地區(qū)弱膨脹土為研究對(duì)象，選取脹縮總率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究水泥、石灰、玄武巖纖維和固化劑四種改性材料對(duì)膨脹土改良效果的影響，并對(duì)水泥、石灰改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著外加劑摻量提高，改良土的脹縮總率逐漸減小，且趨勢(shì)減緩。同等摻量下，石灰改性效果優(yōu)于水泥，固化劑和玄武巖纖維改性效果不明顯。隨著外加劑摻量增加，改良土的黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸增大，趨勢(shì)減緩；同等摻量下，石灰改性土的抗剪性能優(yōu)于水泥改性土。

關(guān)鍵詞：膨脹土?外加劑?膨脹潛勢(shì)?抗剪強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TU411

Experimental?Study?on?the?Improvement?of?Expansive?Soil?with?Admixtures

JIA?Yanan1??ZHANG?Yang1??HUANG?Shanshan1??HAO?Chaowei2*

1.?Anhui?Road?and?Bridge?Engineering?Co.，?Ltd.，?Hefei，?Anhui?Province，?230031?China;2.?Research?Institute?of?Highway，?Ministry?of?Transport，?Beijing，?100088?China

Abstract：?Taking?weak?expansive?soil?in?the?Jianghuai?area?as?the?research?object?and?selecting?the?total?swelling-shrinkage?percentage?as?the?evaluation?index，?this?paper?studies?the?impact?of?the?improvement?effect?of?the?four?modified?materials?of?cement，?lime，?basalt?fiber?and?curing?agent?on?expansive?soil，?and?also?studies?the?shearing?strength?of?cement?and?lime?improving?expansive?soil.?The?test?results?show?that?with?the?increase?of?admixture?content，?the?total?expansion?and?contraction?rate?of?improved?soil?decreases?gradually?with?a?slowing?trend，?that?under?the?same?dosage，?the?modification?effect?of?lime?is?better?than?that?of?cement，?and?the?modification?effect?of?curing?agent?and?basalt?fiber?is?not?obvious，?that?with?the?increase?of?admixture?content，?the?cohesion?and?internal?friction?angle?of?improved?soil?gradually?increase?with?a?slowing?trend，?and?that?under?the?same?dosage，?the?shearing?performance?of?lime-modified?soil?is?better?than?that?of?cement-modified?soil.

Key?Words：?Expansive?soil;?Admixture;?Expansion?potential;?Shearing?strength

1?背景介紹

膨脹土是一種遇水膨脹、失水收縮，并能反復(fù)脹縮變形的特殊黏性土，其主要由強(qiáng)親水性黏土礦物成分如蒙脫石和伊利石等組成，具有較強(qiáng)的脹縮特性和裂隙性。膨脹土的反復(fù)脹縮變形特性會(huì)對(duì)于公路工程造成嚴(yán)重的破壞，常常會(huì)使公路路基產(chǎn)生基床翻漿冒泥、路基下沉、邊坡滑坡、坍塌等病害，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的工程質(zhì)量事故。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于膨脹土改良方面的研究較多。譚曄等[1]選取南陽(yáng)膨脹土作為研究對(duì)象，針對(duì)不同摻比的石灰和水泥改良土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果顯示隨著從摻量提高，石灰改良土抗剪強(qiáng)度先增加后減小，水泥改良土抗剪性能線形增長(zhǎng)，并得出了石灰比水泥能更好地提高膨脹土的抗剪性能結(jié)論。韓晶等[2]以南水北調(diào)工程浙川段膨脹土為例，針對(duì)不同摻比的石灰和水泥改良土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果顯示同等摻量下的水泥改性土抗剪性能更優(yōu)，得出水泥相對(duì)于石灰對(duì)膨脹土的抗剪性能影響更大的結(jié)論。王佩等[3]通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)、壓汞實(shí)驗(yàn)和X射線衍射試驗(yàn)等方法對(duì)水泥改性膨脹土進(jìn)行了系統(tǒng)性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明水化產(chǎn)物C-H-S凝膠是決定水泥改性膨脹土微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、土體強(qiáng)度及收縮特性的關(guān)鍵因素。袁超等[4]以膨脹土與水泥的重量比為指標(biāo)，研究環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃纖維和水泥對(duì)膨脹土力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)得到了最佳外加劑摻量，并得出玻璃纖維通過(guò)基體間橋接作用延緩微裂紋發(fā)展來(lái)提高復(fù)合材料的延性和能量吸收的能力，從而提高試樣的抗彎強(qiáng)度。莊心善等[5]采取無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和膨脹力、抗剪強(qiáng)度三種指標(biāo)分別對(duì)玄武巖纖維、磷尾礦粉末、磷尾礦-玄武巖復(fù)合三種膨脹土改良方式進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并給出了對(duì)應(yīng)的最優(yōu)摻量。劉貴起等[6]提出一種纖維加筋和化學(xué)改良相結(jié)合的技術(shù)，探討了固化劑類(lèi)型和摻量、堿激發(fā)劑的摻入、玄武巖纖維摻量以及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，比較了不同改良方式的效果，并給出相應(yīng)最優(yōu)摻量。

從當(dāng)前研究可以看出由于作為研究對(duì)象的膨脹土自身組成成分不同，導(dǎo)致不同外加劑改性效果存在差異。對(duì)于較為新型的外加劑以及復(fù)合型外加劑改良方式，由于經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際可操作性等原因而導(dǎo)致其缺乏實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。現(xiàn)有研究中評(píng)價(jià)膨脹土改性效果的指標(biāo)有自由膨脹率、脹縮總率、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等，尚未形成較為統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)可供參考。

基于此，本文針對(duì)引江濟(jì)淮（安徽段）新橋大道橋項(xiàng)目所在地的膨脹土，選取工程常用外加劑（水泥、石灰）和具備工程可行性外加劑（玄武巖纖維、固化劑）兩類(lèi)改性材料，研究外加劑對(duì)膨脹土脹縮性能的影響。在脹縮總率試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取水泥、石灰兩種改良膨脹土，對(duì)其抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，最終確定最佳的改性材料。

2?試驗(yàn)材料和方法

2.1?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選取土樣來(lái)自引江濟(jì)淮（安徽段）新橋大道橋項(xiàng)目，土樣性質(zhì)見(jiàn)表1。所采取外加劑種類(lèi)及主要組成如下：石灰為有效含量（GaO和MgO）87%以上的Ⅰ級(jí)鈣質(zhì)生石灰；水泥為P·O32.5級(jí)水泥；固化劑是以SiO2和NaO為主要成分的無(wú)機(jī)類(lèi)固化劑；玄武巖纖維的主要成分為SiO2、NaO等氧化物，長(zhǎng)度為6?mm，纖維直徑17?μm。

2.2?試驗(yàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)取樣后通過(guò)自由膨脹率試驗(yàn)選取滿足膨脹潛勢(shì)指標(biāo)的膨脹土樣，再對(duì)土樣進(jìn)行液塑限、土粒比重、擊實(shí)試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)等試驗(yàn)以確定原膨脹土的基本性質(zhì)，詳見(jiàn)表1。進(jìn)行改良土相關(guān)研究過(guò)程中，需相繼開(kāi)展膨脹土改良試驗(yàn)及制樣工作、50kPa有荷膨脹試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)以及固結(jié)快剪試驗(yàn)。

本研究采取的改良試驗(yàn)大致試驗(yàn)步驟為將土樣烘干—破碎—過(guò)篩—二次烘干—拌和改良—養(yǎng)護(hù)—制樣成型—二次養(yǎng)護(hù)。考慮到采用壓樣法制樣的環(huán)刀體積較小，為避免出現(xiàn)大顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，提高外加劑與土顆粒結(jié)合程度，本研究中過(guò)篩尺寸為0.5?mm方孔篩。在拌和改良過(guò)程中，主要采取兩種方式：一是土樣與水先拌和再與固體固化劑拌均勻；二是液體固化劑與水混合后再和土樣拌和。土樣拌和改良后在20?℃及密閉條件下，經(jīng)24?h養(yǎng)護(hù)，再進(jìn)行壓樣法制樣。制樣完成后將試樣置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7?d并開(kāi)展后續(xù)試驗(yàn)。

3?改良土的試驗(yàn)研究

本研究中設(shè)置的外加劑摻量梯度為石灰（4%、5%、6%、7%），水泥（3%、4%、5%、6%），玄武巖纖維（0.15%、0.2%、0.25%、0.3%），固化劑（0.1%、0.15%、0.2%、0.25%）。通過(guò)50?kPa有荷膨脹試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)和固結(jié)快剪試驗(yàn)，得到相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1?脹縮總率

從圖1（a）中可以看出，經(jīng)石灰改良后，試樣的有荷膨脹率幾乎為零；試樣的收縮變形隨著石灰摻量提高而減小，且變形呈平緩趨勢(shì)；由脹縮總率計(jì)算公式[7]可知，此時(shí)其主要由線收縮率組成；當(dāng)石灰摻量達(dá)到5%時(shí)，土樣勉強(qiáng)達(dá)到弱膨脹土，摻量提高到6%時(shí)，土樣已改性為非膨脹土。這是因?yàn)殡S著石灰摻入土中，石灰中有效物質(zhì)與土中水，空氣中CO2，發(fā)生了離子交換、凝膠反應(yīng)等反應(yīng)，使土體的膨脹土分散性、坍塌性、親水性和膨脹性降低，黏聚力提高[8]。隨著石灰的摻量增大，因單位土體中黏粒數(shù)量一定，反應(yīng)逐漸減緩，外部表現(xiàn)為脹縮總率下降趨勢(shì)逐漸平緩。

從圖1?（b）中可以看出，經(jīng)水泥改良后，試樣的有荷膨脹率幾乎為零。試樣的收縮變形隨著水泥摻量提高而減小，脹縮總率主要由線收縮率組成，且變形呈平緩趨勢(shì)。原因是水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物與土顆粒發(fā)生團(tuán)聚，土顆粒之間逐漸黏聯(lián)形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，土顆粒間的孔隙被絮狀物逐漸填充，孔隙體積減小，外部表現(xiàn)為膨脹性減小，強(qiáng)度增大[3]。隨著土中黏粒反應(yīng)消耗，水泥改性效果呈減弱趨勢(shì)。值得注意的是：當(dāng)水泥摻量達(dá)到6%時(shí)，脹縮總率為1.075%，仍屬于弱膨脹土范疇[9]。

從圖1?（c）中可以看出，相較于石灰、水泥兩種改性方式，對(duì)于本次研究土樣及設(shè)置的摻量下，固化劑的改性效果較不明顯，0.25%摻量下試樣的脹縮總率為3.979%，相較于原膨脹土脹縮總率4.89%，下降了一定程度，但仍具備較強(qiáng)膨脹性。

從圖1?（d）中可以看出，相較于石灰、水泥兩種改性方式，對(duì)于本次研究土樣及設(shè)置的摻量下，玄武巖纖維的改性效果較弱，其膨脹潛勢(shì)僅略?xún)?yōu)于固化劑改性土。0.3%摻量下試樣的脹縮總率為3.434%，相較于原膨脹土脹縮總率4.89%，雖下降一定程度，但仍具備較強(qiáng)膨脹性。

3.2?抗剪強(qiáng)度

水泥和石灰作為工程中常見(jiàn)的兩種改良外加劑，且室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示了其對(duì)降低膨脹土膨脹性具有較為顯著的能力，本研究中對(duì)這兩種外加劑不同摻量下的改良土抗剪性能展開(kāi)了進(jìn)一步研究，數(shù)據(jù)如圖2所示。

從圖2（a）中可以看出，隨著石灰改性摻量的增加，改性土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨之增大，且二者都隨著摻量繼續(xù)增大而呈現(xiàn)增長(zhǎng)減緩趨勢(shì)。對(duì)比表1中原膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，相較于原膨脹土，石灰對(duì)膨脹土的黏聚力及內(nèi)摩擦角都具有較為顯著的改善效果。

從圖2?（b）中可以看出，隨著水泥摻量的增大，改性土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨之增大，且二者都隨著摻量繼續(xù)增大而呈現(xiàn)增長(zhǎng)減緩趨勢(shì)。對(duì)比表1中原膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，相較于原膨脹土，水泥對(duì)膨脹土的黏聚力及內(nèi)摩擦角都具有較為顯著的改善效果[10]。對(duì)比上圖中圖2?（a）和圖2?（b）可以看出：同等摻量下，石灰改性土的抗剪性能優(yōu)于水泥改性土。

5?結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展膨脹土的外加劑改良試驗(yàn)，并進(jìn)行改良土的脹縮總率和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論：

1. 隨著固化劑摻量提高，改性土的脹縮總率逐漸減小，且趨勢(shì)減緩。在所選取的外加劑種類(lèi)及摻量下，6%及以上摻量石灰改性土膨脹潛勢(shì)降到了非膨脹土。
2. 總體來(lái)看，石灰改性效果優(yōu)于水泥，固化劑和玄武巖纖維改性效果不明顯。隨著水泥（石灰）摻量增加，改性土的黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸增大，趨勢(shì)減緩。同等摻量下，石灰改性土的抗剪性能優(yōu)于水泥改性土。綜上，針對(duì)項(xiàng)目所在地膨脹土，在本研究選取的外加劑中，石灰的改良效果最佳。

參考文獻(xiàn)

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