高速公路膨润土掺灰试验研究

张法宝

（安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 蚌埠 233000）

高速公路膨润土掺灰试验研究

张法宝

（安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 蚌埠 233000）

随着我国高速公路的大量修建，穿越膨润土地区的公路越来越多，膨润土边坡失稳成为影响工程质量和行车安全的主要因素。本文通过对膨润土的石灰改良试验研究，对比分析膨润土改良后粘粒含量、含水量、CBR等与不同掺灰率之间的关系，确定了膨润土的最佳掺灰率，试验结果可供相关工程参考。

高速公路 膨润土 石灰 改良

1 引言

对于公路建设而言膨润土是一种不良土质，在全国范围内分布比较广泛，在高速公路建设过程中，有时会不可避免地遭遇膨润土路基路段。膨润土主要是由蒙脱石、伊利石、高岭石等组成，由于这些亲水物质造成膨润土吸水膨胀，失水收缩，常给膨润土地区的工程建设造成严重的破坏以及巨大的经济损失，且其造成的破坏是长期的、反复的和潜在的。

膨润土对工程建设造成的破坏主要表现为：其一，在路堤填筑后，膨润土可能在其表面产生滑动；其二，在各种荷载作用下，路堤易产生不均匀下沉；其三，路基含水率的不均匀变化将引起土体的不均匀胀缩，产生幅度很大的横向波浪形变形；其四，雨季路面渗水，路基浸水软化，在行车荷载作用下，易造成唧浆。

针对膨润土的这些影响，目前工程上采用的改良方法主要是化学改性。例如在膨胀土中掺石灰、水泥、粉煤灰、氯化钠和磷酸等外掺稳定剂对其进行改性。其中，利用石灰改良膨润土是最普遍、最有效的方法之一。

山东境内某高速公路沿线分布有膨润土，由于不断受到雨水侵蚀作用，部分边坡不同程度地发生了沉陷、溜塌、坍塌，严重危及到道路畅通和行车安全。针对膨润土造成的病害，本文通过对高速公路沿线膨润土路段掺入石灰进行研究，由于掺灰率的多少对膨润土的治理效果影响较大，为此采用对膨润土掺入不同比例的石灰，通过室内试验以期找到最佳掺灰率而达到最佳的膨润土改良效果。

2 石灰改良土的改良机理

在改良过程中，石灰与膨润土发生作用：

（1）阳离子交换作用

石灰中的Ca2+与土颗粒表面的阳离子如：Na+、K+、H+发生交换作用，使土颗粒胶体的双电层中扩散层变薄，土颗粒间结合力增强，土体强度提高，改善土体性质。由于石灰中的Ca2+与土颗粒表面的阳离子发生交换作用，改变了土颗粒表面的带电性质，从而使胶体颗粒加速絮凝，小的团粒相互凝聚变成大的团粒。

（2）胶凝作用

石灰中的CaO与土中的SiO2、Al2O3发生反应，生成复杂的化合物，如硅酸钙盐、铝酸钙水化物，产生较强的粘结作用，使改良土的强度提高。

（3）碳酸化作用

改良土中的石灰与空气中的CO2发生钙化反应，生成CaCO3使土硬化，起到了固化土体的作用。

（4）由于生石灰与水在熟化过程中，发生吸水、发热、膨胀作用，可以降低土体含水量，促进土体的固结，这也有助于土体强度的提高。

3 膨润土掺灰试验

室内试验操作按《公路土工试验规程》（JTJ051—2004）进行。

3.1 试验方法

掺石灰率是指生石灰质量与干土质量之比，主要是通过试验研究来完成。试验时按比例称取一定质量的生石灰将其消解后掺入干土中。在掺石灰过程中，掺石灰率是影响改良质量的重要因素。生石灰等级为二级（要求石灰中的CaO和MgO的含量高于70%）。为了确定膨润土的最优含水率和最佳干密度，击实试验的掺石灰率从5%到9%，每相邻的掺石灰率之间相差2%。

3.2 取样

通过现场实际调查，该高速公路沿线的膨润土一般为棕黄色、黄色粘土，硬塑-半坚硬状态，含有较多灰白色高岭土。为了确保能取到典型的土样，在对全路段各种土源膨胀性指标进行详细查明后，在K24+200～K31+100和K33+500～K51+300两个路段选取了有代表性的弱膨润土土源，采集膨润土土样。

3.3 试验研究

根据《公路土工试验规程》，本次试验包括土的常规物理指标试验和反映膨润土特性的试验。主要试验有液塑限联合测定法、颗粒大小分析试验、密度试验、自由膨胀率试验、膨胀力、承载比（CBR）试验、击实试验以及膨润土不同掺灰率的相关试验和有机质含量试验及易溶盐含量试验。通过以上试验，可得到膨润土不同掺灰率改良前后的各项指标值，对各种不同掺灰比的膨润土混合料的试验数据进行分析，以期以最佳掺灰量达到最好的改良效果。

3.4 试验结果分析

为了明确膨润土的颗粒、膨胀量、含水率、最大干密度、承载比等与不同掺灰率的关系，应选取有代表性的土工试验进行分析。主要试验有掺灰前后的击实试验、室内CBR（承载比）试验以及不同掺灰率的条件下的击实试验、室内CBR（承载比）试验等。

3.4 .1 掺灰前后的颗粒分析对比试验

掺灰前后的颗粒分析对比试验成果表见表1。

由表1可以看出，改良土中砂粒组含量增大，而粘粒含量及胶粒含量减少，表明土的比表面积减少，土粒分散程度降低，土颗粒之间因离子交换作用形成了比原土颗粒之间更为紧密的结构，土颗粒与水分的接触面积减少。

3.4 .2 掺灰前后的击实试验

通过对掺灰率分别为5%、7%、9%改良后的膨润土样及掺灰前的膨润土样击实试验数据结果整理和对比分析，可以得出最优含水量、最大干密度与不同掺灰量的关系曲线。改良土最优含水量与掺石灰量的关系曲线见图1，改良土最大干密度与掺石灰量的关系曲线见图2。

从图1和图2可以看出，在击实功相同的情况下，改良土的最优含水量随着掺灰剂量的增加而增加，但是增幅并不十分明显，而其最大干密度随着掺灰剂量的增加而减小，且在掺剂量为0～3%之间变化得最为明显，随后变化相对比较缓慢。其主要原因是：首先，从膨润土具有的双电层结构与水化膜来看，膨润土的双电层是由固定层和扩散层构成，而水化膜是由强结合水与弱结合水构成，固定层和扩散层又分别与膨润土粘粒周围的强结合水与弱结合水分别相对应，当膨润土中加入石灰后，石灰会与膨润土发生离子交换作用使膨润土粘粒双电层电位降低，进而导致扩散层厚度减小，弱结合水膜厚度减小，也就是使粘粒周围的一部分弱结合水与粘粒脱离，从而使掺石灰膨润土的密度减小；其次，即使在含水量相同的情况下，石灰的密度本身就比素的膨润土的密度小，因而两者即便是物理混合也会使掺石灰膨润土的密度减小。

3.4 .3 掺灰前后的膨胀量试验

通过对掺灰前和掺灰后的膨润土击实试验数据分析整理，可以得到膨胀量与不同掺灰率的关系曲线，改良土的膨胀量与掺石灰量的关系曲线图如图3所示。

从图3可以看出，在击实功相同的情况下，改良土的膨胀量随着掺剂量的增加而减小，且在掺剂量0～5%之间变化得最为明显，随后变化相对比饺缓慢。掺灰量超过5%后，膨胀量基本没有多大的变化。

3.4 .4 掺灰前后的承载比（CBR）贯入试验

改良土的CBR值与不同掺灰量的关系曲线如图4所示。膨润土在不进行掺石灰改良的时候，其CBR的值较低，不符合路基压实的要求。掺石灰对CBR值的提高是相当明显的。另外，击数对CBR值的影响也不小，随着击数的增加，掺石灰膨润土的CBR值也显著增加。由图4可知，掺石灰对膨润土的CBR值有相当的提高值，但是并不是掺石灰率越大，CBR的值就提高越多，相反，当掺石灰剂量超过7%后，其CBR值将随着掺灰剂量的增加而降低。对于本试验试样的膨润土来说，掺石灰率应大约在5%～7%之间，当采用5%的掺石灰率来改良膨润土，CBR值高达110，符合路基压实的要求。

表1 掺灰前后颗粒分析对比试验成果表

图1 改良土最优含水量与掺石灰量的关系曲线

图2 改良土最大干密度与掺石灰量的关系曲线

图3 改良土的膨胀量与掺石灰量的关系曲线

图4 改良土的CBR值与掺石灰量的关系曲线

3.4 .5 最优掺灰率的确定

分析以上不同比例的石灰掺入改良膨润土的各项指标值，改良效果与掺入量不成线性关系，因此合理确定掺入量是膨润土改良效果的关键之一。对弱膨润土而言，5%～7%的掺灰率改良的膨润土效果相差不是很明显，考虑到工程造价等因素，确定弱膨润土的最佳掺灰率为5%。

3.5 试验总结

通过对膨润土掺灰改良试验，得到了以上各项指标与不同掺灰率关系曲线图，试验结果表明：（1）在击实功相同的情况下，改良土的最优含水量随着掺剂量的增加而增加；其最大干密度随着掺剂量的增加而减小。（2）在击实功相同的情况下，改良土的膨胀量随着掺剂量的增加而减小，且在掺灰剂量0～5%之间变化得最为明显，随后变化相对比较缓慢。过了5%以后，膨胀量基本没有多大的变化。（3）掺灰对膨润土的CBR值有相当的提高值，但是，并不是掺灰率越大，CBR的值就提高越多。CBR值随掺石灰率的增加呈抛物线变化，CBR值最大时，掺石灰率大约在5%～7%之间。同时，击数的增加对膨润土的CBR值提高影响比较明显。

4 结束语

对于膨润土，石灰是一种很好的改良剂。一定剂量的石灰可使膨润土体的膨胀性能显著降低，但这种降低并不是无限制的。试验路段采集的弱膨润土经石灰改良处理后，土的颗粒组成、物理性质、胀缩特性等均有明显改善，力学强度得到提高。

掺入石灰改良膨润土的过程就是降低其膨胀性，提高其强度的过程，随着石灰的掺入，膨润土体的各项指标，例如与土体粘性相关的粘粒含量、最大干密度等都出现不同程度的下降，最优含水量和CBR值出现不同程度的提高，说明石灰改良膨润土的方法是可行的