石灰改良膨胀土的试验研究

余晓彦，游 鹏，周 谈，李梦冉

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

膨胀土是一种具有吸水膨胀软化、失水收缩开裂特性的黏性土。一般的黏性土都具有胀缩性，但对工程没有太大的影响，而膨胀土的膨胀—收缩—再膨胀的反复变形特性给工程带来的破坏程度却往往是不可修复的。为了改变膨胀土的这种不良特性，在工程中往往掺入一些无机材料，使其与膨胀土中的黏粒成分发生物理化学反应，从而使膨胀土的物理力学性质得到改善。膨胀土一般被用于填筑路基，所以只有改变其压实性，提高其强度，降低其膨胀性，才能很好地控制施工质量，为此在室内模拟现场施工条件进行试验。在相同的击实功条件下对不同掺灰率的试样进行击实试验，探索掺灰率与最大干密度及最优含水率的影响关系，寻找最合理最经济的掺灰率，从而为工程实践提供有效合理的参考。

1 石灰改良膨胀土机理

石灰是目前改良膨胀土最常用的添加剂，在利用石灰改良膨胀土的时候，石灰的掺量（石灰质量/干土质量）一般控制在2%～8%之间［1］。石灰改良膨胀土的机理可以分为以下4种作用。

离子交换作用。石灰与膨胀土中的水反应形成大量的Mg2＋与Ca2＋等，相对高价的Ca2＋通过离子交换作用把粘土颗粒表面的Na＋和K＋置换出来，此交换作用可以有效的降低膨胀土的收缩性，提高膨胀土的强度。

絮凝作用。膨胀土中加入石灰，石灰吸水放出热量，使土中的含水量迅速减少，相对而言，孔隙水溶液中阳离子的浓度增大，此时，土颗粒表面的双电子层中的阳离子浓度会相应的有所增加，导致双电子层变薄，絮凝作用的最终结果就是土颗粒之间的间距变小，粗粒成分相对增加。

碳化作用。石灰与空气中的CO2发生化学反应，生成一种相对较弱的钙—镁或镁—碳——一种具有黏结性质的物质，从而使土发生碳化。

胶结作用。石灰与膨胀土中的化学成分硅、铝或与两者同时发生反应，生成一种新的具有较强黏结性的胶结物质。在改良膨胀土的过程中，胶结作用对提高膨胀土的强度是起决定作用的，而用于离子交换的石灰只有1%～2%［2］。

2 试验方法

试验土样取自南阳某公路路段的中膨胀土试验区，试验的步骤是严格按照《公路土工试验规程》（JTG E40～2007）的规定进行操作的，试验分别采用0、2%、4%、6%、8%五种不同的掺灰率进行了击实试验、静压成型试验、直剪试验及无侧限抗压强度试验。为了膨胀土与石灰能混合均匀，土与石灰均过0.5mm筛，然后按照不同含水率进行制样，进行为期7d、14d、21d、28d的标准养护，使石灰与土颗粒能够发生充分的离子交换作用，从而更好地达到试验要求。

3 试验材料

南阳地区的中膨胀土天然状态下呈现黄褐色，稍湿润，天然含水率为25.3%，自由膨胀率为71.5%，干密度为1.43cm3，小于0.002mm 的粘粒含量为69.9%；试验采用的石灰属于Ⅱ级镁质石灰，产自宜昌，其中氧化钙的含量为53.5%。

4 试验结果分析

针对膨胀土中掺入不同含量的石灰进行的击实试验，含水率与干密度的关系曲线见图1。从图1可以看出，在相同击实功的作用下，改良土的最大干密度均小于未改良土的干密度；且随着掺灰率的增加，改良土的最大干密度逐渐减小，最优含水率呈现逐渐增大的趋势。这是因为掺入石灰以后，石灰中的高价Ca2＋与土中的Na＋和K＋等低价阳离子进行了离子交换，从而使黏土颗粒凝聚起来了；同时在击实过程中形成水化的硅酸钙和铝酸钙，此种凝胶体与土颗粒相互搭接，填充在土体的孔隙中，形成“空间网架结构”［3］，在进行击实的过程中，这种“空间网架结构”会消耗掉一定的击实功。这说明掺入石灰的膨胀土的土干密度对含水率的敏感性比未改良土的要小，这种性质给改良土的施工带来了很大的方便［4］。

图1 含水率与干密度的关系曲线

由静压成型试验得出的试验结果见图2。由图2可以看出，石灰掺量在0～6%之间时，膨胀土的膨胀率随着石灰掺量的增加呈良好线性关系而迅速减小；当石灰掺量为6% 时，有荷膨胀率只有0.32%，此膨胀率基本上已经属于非膨胀土的范畴［5］；当石灰掺量大于6%时，膨胀率的变化的很小，基本趋于不变。

由收缩率试验得出收缩系数与石灰掺量的关系见图3，从图3可以看出，初始阶段膨胀土的收缩系数随着石灰掺量的增加而迅速减小，呈良好的线性关系；当石灰掺量在6%～8%时，收缩系数变化很小，基本趋于不变。由图2和图3基本可以判断出最佳掺灰率为6%。

图2 有荷膨胀率与石灰掺量的关系曲线

图3 收缩系数与石灰掺量的关系曲线

由图4可知，在含水率相同的情况下，粘聚力随着掺灰率的增加而逐渐增大；在相同掺灰率下，随着含水率的增加，粘聚力有增大的趋势，这点符合膨胀土的特性，掺灰率由6%变到8%时，粘聚力最多增大了2%，可见含水率的改变对膨胀土的粘聚力的影响还是比较明显的。

图4 掺灰率与粘聚力的关系曲线

由图5可知，在含水率相同的情况下，内摩擦角随着掺灰率的增加而增大；在相同掺灰率下，随着含水率的增加，虽然内摩擦角有增大的趋势但内摩擦角变化的范围很小，几乎没有变化。因此，从各个试验的结果来看，此膨胀土的最佳掺灰率为6%。

图5 掺灰率与内摩擦角的关系曲线

掺灰率6%时，对改良膨胀土分别进行7d、14 d、21d、28d养护，进行无侧限抗压强度试验，结果见图6，由图6可知，在7～14d，无侧限抗压强度的变化较大，14～28d，强度变化不大，据试验可以把14d看作改良膨胀土的最佳龄期。

图6 无侧限抗压强度与龄期的关系曲线

5 结论

1）石灰改良后的膨胀土可用作填筑路基，这样可以减少大量的弃方，并可以显著降低工程成本。

2）石灰改良膨胀土的最经济最有效的掺灰率为6%。此掺灰率只针对试验基地的膨胀土，由于其他地区的膨胀土的环境条件和地质成因有所不同，造成工程性质也不同，此掺灰率不宜在其他地区直接应用。

3）石灰改良膨胀土与龄期有着密切的相关关系，考虑到工程的进度问题及经济问题，把14d定为最佳养护龄期。

［1］ 余湘娟，王 媛.掺石灰处理膨胀土路基填料的试验研究［J］.公路，2000（01）:13-16.

［2］ 查普生，刘松玉，杜延军.石灰－粉煤灰改良膨胀土试验［J］.东南大学学报:自然科学版，2007，37（02）:339-344.

［3］ 陈 波，李 进.石灰改良膨胀土掺灰量的室内试验研究［J］.城市道桥与防洪，2011（05）:184-186.

［4］ 高春华，李 娜，张庆伟.粉煤灰改性膨胀土与膨胀土抗剪强度比较研究［J］.建筑科学，2011，27（07）:50-52.

［5］ 查甫生，杜延军，刘松玉，等.自由膨胀比指标评价改良膨胀土的膨胀性［J］.岩土工程学报，2008，30（10）:1 502-1 509.