膨胀土机理_石灰改性膨胀土机理及施工质量关键点研究

　　摘 要：文章针对某高速公路施工中所遇到的大面积膨胀土的情况，分析了膨胀土主要工程性质，讨论了用膨胀土作为路基建筑材料存在的主要问题，通过素土及改性土室内试验，验证石灰改性膨胀土的有效性，提出了用石灰作为膨胀土改性材料的施工关键点。
　　关键词：膨胀土；石灰改性土；自由膨胀率；砂化
　　中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）03－0069－03
　　
　　膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特殊黏性土，工程表现为多裂隙性、超固结性、强亲水性和反复胀缩性。膨胀土在世界范围内分布极广，迄今发现存在膨胀土的国家40多个，遍及六大洲，而我国有20多个省区发现有膨胀土［1］。膨胀土的特性造成房屋建筑、铁路、公路、机场、水利工程等遭受巨大的破坏［2］。在美国，它引起的经济损失已超过了洪水、飓风、地震和龙卷风每年所造成的损失总和。
　　在工程上，对弱膨胀土用控制含水量和密度的方法可以部分消除其胀缩性，但对于中、强膨胀土较难奏效，必须进行改性处理。土质改性的方法有很多，如掺入水泥、石灰、粉煤灰、氯化钠、氯化钙和磷酸等改性剂［3］。改性后的膨胀土，用于高等级公路的修筑，具有很大的经济实用价值，近年来应用广泛［4～5］。不少科研单位和个人对膨胀土性质及处理方法已做了不少试验研究。然而，由于膨胀土成因的复杂性，不同地区膨胀土性质的差异，试验方法的选择不同，［6］以前的研究成果和通过室内试验研究提出的措施效果如何，还要通过工程实践检验、改进，这就需要结合工程施工实际作进一步研究。通过研究不断改进施工工艺，确保膨胀土填筑路基的施工质量，确实降低改性土的胀缩性，以满足施工要求［7］。
　　1 石灰改性膨胀土机理研究
　　1.1 石灰改性机理
　　目前处理膨胀土的方法主要是化学改性，采用掺石灰处理膨胀土的方法最为普遍而且有效。掺石灰处理后降低胀缩性主要是通过减小土的塑性来实现的。石灰稳定的过程主要有两个：①石灰中的钙离子取代土中低价的阳离子，比如黏土颗粒表面的钠离子，发生的阳离子交换，而没有发生交换的钙离子可能会被吸收，造成总的离子单位重量增大；②当石灰与土混合时，通过黏土颗粒的絮凝，土的组织发生了变化。随着石灰含量的增加，人为地减少了黏粒含量，因而也就相应减小了膨胀与收缩。［8］
　　1.2 改性点选择
　　石灰与含水的黏土接触后将发生一系列物理化学反应，这些反应将引起土的物理力学性质改变。实践证明，在含水量合适的条件下，当灰剂量小于某个值时，反应石灰稳定土的性质指标随着灰剂量的增加而变化较快；当灰剂量大于某个值时，其性质指标随着灰剂量的增加而变化趋缓，这一灰剂量被称为“改性点”［9］。“改性点”随着土及石灰的材料差异而变化，但基本接近于3%。本文选取掺加3%的石灰作为石灰改性膨胀土的基本灰剂量。
　　1.3 影响土体膨胀性大小的因素
　　影响膨胀土的胀缩特性的因素很多，总的说来，可分为内因和外因两个方面［10］。
　　（1）膨胀土的矿物组成。
　　（2）膨胀土团粒的大小。土的粒度越细，它同石灰的相互作用将越充分，否则要适当增加石灰用量。
　　（3）石灰用量。当石灰用量不足时，一般不产生胶结作用，这时只是大幅度地降低了膨胀土的塑性，也减低其膨胀潜势和收缩性，但对其强度的影响不大；随着石灰用量的增加，胶结作用增加，逐渐增大石灰土强度，直到最佳用量时，改性土达到最大强度。
　　（4）时间。膨胀土与石灰掺和后，其强度是随着时间而逐渐增加的。3个月内强度随时间而变化明显，超过3个月增加趋缓；1个月内强度变化较快，所以一般工程中取28 d强度作为判断石灰处理效果的指标。
　　（5）湿度。湿度增加，石灰与膨胀土的作用过程将加快。
　　2 石灰改性膨胀土室内试验
　　2.1 工程概况
　　膨胀土来源为江苏省中部某高速公路。地质资料反映，路线有大面积覆盖于地表或埋藏在地表下浅层处的膨胀土。沿线共布设73个探坑，取土样146个。
　　（1）沿线膨胀土普遍分布于第1、2层黏土及下伏第2－l层黏土。第1、2层裸露地表，与路基关系密切，第2－l层部分地段裸露，大部分地段被第1、2层覆盖。鉴于部分路段可能为挖方，故对路基稳定性的影响不可低估。
　　（2）膨胀土岩性为黄褐色、褐灰色黏土，含铁锰质氧化斑纹、斑点及结核雏形，厚度0.5～2.0 m，局部地段厚度可达3 m。
　　对于膨胀性土层路基地段，应特别注意第1、2层黏土含水量变化，防止失水或浸水，需在试验指导下进行掺灰处理。对于2.0 m以下第2－1层弱膨胀性土，由于被上覆层掩盖较深，又位于地下水之下，对路基稳定性无影响，一般可不进行处理。
　　2.2 试验方法
　　（1）击实试验。在规定的试筒内，对素土及石灰改性土进行击实试验，［11］绘制土体含水量与干密度关系曲线，确定其最佳含水量和最大干密度。
　　（2）行保温保湿养生（湿度≥98%，温度保持20±2 ℃）。养生至最后一天，将试件浸泡在水中24 h后，测定无侧限抗压强度。［11］
　　2.3 改性前后膨胀土的胀缩特性
　　试验时将素土及石灰改性土土体采用烘箱将土样烘干后再加至不同含水量，再进行试验［12］。
　　2.3.1 自由膨胀率δef
　　从工程角度考虑，自由膨胀率是一个没有实际意义的指标，［13］但在一定程度上也能反映黏土矿物、粒度成分和交换阳离子成分等基本特征。
　　表1 素土及灰剂量3%改性土自由膨胀率 / %
　　土样 素土 改性土
　　自由膨胀率 42.0 2.1
　　可以看出，膨胀土的膨胀性得到了很好的抑制。
　　2.3.2 无侧限抗压强度
　　将现场取回的素土土样及改性土土样制成不同干密度试件（最大干密度取90%、93%、95%），分别养护7 d、28 d、56 d，进行无侧限抗压强度试验。
　　（1）图1为不同干密度、不同灰剂量（素土、3%灰、6%灰）养护28 d的素土与改性土应力－应变关系曲线。改性土曲线在开始阶段比较平缓，然后逐渐陡峭，即试样在开始受压时，较小的应力就产生了相对较大的应变，弹性模量也较小，而后弹性模量逐渐变大。
　　（2）由图1可知，膨胀土、素土在最佳含水量附近本身就具有较高的强度（达到1.046 MPa），改性后强度有进一步增大。干密度93%、灰剂量3%、养护时间为28 d的试样破坏强度达到了1.487 MPa。膨胀土加石灰改性不仅改善了胀缩性，也使强度有所提高，这是由于膨胀土中掺入石灰后，使得土中Ca2＋离子含量提高，而Ca2＋离子很容易和水以及空气中的CO2反应生成碳酸钙，碳酸钙本身就是一种非膨胀矿物，无疑会对提高强度、减小土的胀缩性起作用。如果碳酸钙以包膜的形式覆盖在土样表面上时，其作用就更为显著。其次，黏土矿物中的Al3＋离子与石灰中氢氧基形成氢氧化铝，使土脱水硬化，增强了土的胶结力，也会有一定的改性作用。
　　图1 素土及改性土σ～ε曲线
　　图2 改性土破坏强度与龄期关系（灰量3%）
　　（3）图2为改性土破坏强度与龄期的一般关系曲线，灰剂量为3%。可以看出，改性土强度随着养护时间的增加也在不断增大。另外，龄期为28 d时，不同压实度的试件破坏强度分别为1.047 MPa、1.487 MPa、2.216 MPa，随着压实度增大强度也在增加。
　　相关规范规定，公路石灰稳定土基层的抗压强度达到0.8 MPa就能满足工程需要。养护时间为28 d时，灰剂量3%的改性土试样强度达到1.047 MPa，说明改性后的膨胀土可以满足工程要求［14］。
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　　3.1 砂化的重要性
　　膨胀土作为高塑性黏土，具有很大的黏性，潮湿状态下具有很强的塑性，而风干后结成硬块，即使采用路拌机也可能较难粉碎。施工中可采用二次掺灰施工工艺，即将设计灰剂量分两次掺加，土体第一次掺灰后放置一段时间，此过程称为“砂化”。掺加石灰后，高液限黏土的液限减小，石灰与土的阳离子交换作用引起了石灰稳定土的级配和矿物成分的变化，使得土体黏性降低。
　　砂化在工程建设中具有重要意义。砂化后黏性土的黏性减小，土体更易破碎，含水量更容易有效降低，这就可以加快工程施工进度。二次掺灰工艺中，第一次掺灰主要目的就是降低黏性土的塑性指数，也使第二次掺灰更容易拌合均匀。而第二次掺灰，主要用以改善土体的变形性质以及增加土体的强度［15］。
　　实际施工中，可采用掺加2%的消解石灰对高塑性黏土集中砂化3 d后再进行施工，使用路拌机拌和2遍后即可达到施工颗粒要求，效果远优于砂化前拌和7遍的效果，既节省了大量的施工机具，又提高了工程质量。改性土砂化后的黏土颗粒细小，比表面积增大，易于和石灰充分发生反应，从而增加了二次掺灰的效果，石灰土强度较高，路基容易形成板体性结构。
　　3.2 砂化质量控制关键
　　砂化效果直接影响到后期石灰土的施工质量，砂化是石灰改性膨胀土改性过程中最重要的工序，必须严格管理。施工中应注意以下几点：
　　（1）砂化时间不宜过长，一般可控制为3～4 d，尤其在雨季进行石灰土基层施工时，要合理安排工期，防止砂化土遭受雨水冲刷。砂化过程应合理安排施工机械，形成流水作业、段落作业，保证施工的连续性。
　　（2）砂化时要对土体进行充分翻拌，以利于黏土颗粒和石灰的作用，保证砂化效果。
　　（3）砂化的关键是“焖灰”，对砂化土表面要拍打、碾压密实以便于保温，防止石灰和土反应过程中热量的丧失，以便加快砂化反应速度，提高石灰作用效果。
　　（4）对砂化土场地、土堆，要做好排水措施，加强排水。对于打堆砂化，表面拍打密实，做成斜坡；对于就地碾压的砂化土，注意加强横坡的控制，同时应具有一定的平整度。
　　4 结束语
　　（1）通过室内试验结果分析，可以认为，掺石灰对膨胀土的改性起到了不错的效果，膨胀土用石灰改性处理后，其膨胀性受到了较好的抑制，性质得到了很大改善，可应用于公路路基的修筑。
　　（2）作为石灰改性膨胀土的“改性点”，在膨胀土中掺加灰剂量为3%的石灰进行改性后，膨胀土的各项物理及力学指标均有较大改善，可以认为3%灰剂量能够达到膨胀土改性的目的。但由于工程施工中可能存在的施工工艺不同、施工不规范以及工程管理体制不完善等影响因素，应当将工程施工中的最低灰剂量选取为4%～5%。
　　（3）施工中切实加强石灰土的砂化施工工序的管理，这是确保石灰改性土质量的关键。
　　
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　　（编辑：王平）
　　
　　Research on Lime Modified Expansive Soil Mechanism
　　and the Key Points of Construction Quality
　　Zhou Xiaoshun, Wang Gang, Tan Lang
　　Abstract: The article, according to a large area of expansive soils in highway construction, analyzes the nature of the expansive soil engineering, discusses the main problems of using expansive soil as embankment construction materials, through indoor test of prime soil and modified soil, verifies the validity of expansive soil with lime, and proposes the key construction points of using lime as expansive soil modified materials.
　　Key words: expansive soils; lime modified soil; free expansion; sand
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