安徽膨胀土掺石灰改良的试验研究

张永生，崔可锐，查甫生，马海春

(合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

膨胀土(李生林等，1992)是一种吸水膨胀、失水收缩、胀缩变形显著的黏性土，其矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为主，主要工程性质是具有多裂隙性、超强固结性、强亲水性和反复胀缩性。

膨胀土中黏粒主要由亲水性矿物、氢氧化物和各种难溶盐类组成，含有较多的蒙脱石、伊利石、高岭石等，其特点是透水性差、吸水膨胀、失水收缩，并具有较大的胀缩变形能力，遇水导致强度降低，引起地基变形破坏。

改良膨胀土一般采用经济实用的石灰。石灰对膨胀土的改良属于膨胀土改良法中的化学改良法，是处理膨胀土的最普遍和有效的方法，具有经济与实施方便的优点，在工程界应用十分普遍。

1 区域地质概况

安徽省位于中国东南部，居华东腹地，面积13.97万km2。其中膨胀土面积总计41 742.41 km2，在宿州、怀远、蚌埠、合肥、庐江、桐城膨胀土分布极其广泛(图1)。

2 石灰改良膨胀土的机理

在膨胀土中加入石灰进行改性处理，主要是针对黏土矿物中易亲水的蒙脱石和伊利石，使其与石灰发生化学离子交换作用，通过微结构的改变来改变土的工程性质(查甫生等，2006)。

膨胀土中加入石灰后，二者发生物理和化学作用，包括离子交换、Ca(OH)2结晶、碳酸化和火山灰反应。Ca(OH)2解离后的Ca2+与黏土胶体颗粒反离子层上的K+、Na+进行交换，胶体吸附层减薄，胶体颗粒发生聚结;Ca(OH)2与水作用形成的含水晶体将黏土颗粒胶结成整体，以及形成CaCO3过程的碳酸化反应和形成硅酸钙、铝酸钙过程的火山灰反应均改变了膨胀土的力学性质，其强度和水稳定性大大提高，胀缩性也得到了控制(刘锡勒，2004;张海彬，2005)。

3 研究区膨胀土掺灰比研究

掺灰比是指生石灰质量与干土质量之比。试验时按比例称取一定质量的生石灰将其消解冷却后掺入土样中，生石灰等级为二级(要求石灰中CaO和MgO的质量分数高于70%)。

图1 安徽省膨胀土分布图Fig.1 Map showing distribution of expansive soil in Anhui Province

对所取土样按比例掺入石灰进行各项试验并与素土试验进行对比分析。掺入石灰的比例为2%～12%，相邻的掺灰比之间相差2%。室内试验方案按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)进行，对石灰土进行物理、力学性质以及胀缩性质的试验。

试验所用土样取自宿州、怀远、蚌埠、合肥、庐江、桐城，其自由膨胀率如表1所示，均为典型膨胀土，主要形成于Qp时期，含大量球状铁锰结核。

表1 自由膨胀率试验结果Table 1 Test results of free swelling rate

3.1 击实试验

将宿州、怀远、蚌埠、合肥、庐江、桐城6地的素土和石灰土击实试验得到的数据制成表2和表3。

表2 安徽不同地区不同掺灰比灰土的最大干密度Table 2 Maximum dry density of lime soils with different lime ratios in different areas of Anhui

表3 安徽不同地区不同掺灰比灰土的最优含水率Table 3 Optimum moisture content of lime soils with different lime ratios in different areas of Anhui

通过对6个地区的膨胀土击实试验研究可知：(1)宿州、蚌埠、怀远、合肥、庐江、桐城地区膨胀土的最大干密度与掺灰比呈反比变化;(2)总体而言，宿州、蚌埠、怀远、合肥、庐江、桐城地区膨胀土最优含水率随掺灰比的增加而增加。

3.2 强度试验

采用上述击实试验所得到的最优含水率和最大干密度的0.95倍(相当于95%的压实度)制作试件，分别测试掺石灰土样的7天养护龄期和28天养护龄期的无侧限抗压强度(表4)。

表4 安徽不同地区掺灰膨胀土无侧限抗压强度Table 4 Unconfined comprehensive strength of lime-mixing expansive soils in different areas of Anhui

由表4可知：(1)石灰饱和土的无侧限抗压强度随掺灰比的增加先增后减;(2)28天龄期的比7天龄期饱和土无侧限抗压强度有一定的提高;(3)宿州、蚌埠、怀远、合肥、庐江、桐城地区土的无侧限抗压强度最佳掺灰比分别为8%、8%、6%、8% 、8% 、6% 。

3.3 胀缩试验

为了研究膨胀土掺石灰处理后的胀缩性质，选择2个典型地区的膨胀土，分别进行28天龄期的掺石灰土与其素土的自由膨胀率、膨胀力50 kPa压力下的膨胀率试验，结果见表5。

由表5可知：(1)膨胀土掺入石灰，可明显地降低胀缩性;(2)掺入少量石灰(掺灰比在4%左右)就可以使膨胀土胀缩性大大降低;增大掺灰量，膨胀土的胀缩性仍可降低，但降低幅度不大，并逐渐趋于稳定。

表5 膨胀土胀缩性质Table 5 Swelling properties of expansive soils

4 结论

该研究以实验为手段，对安徽省内的膨胀土进行综合分析，对不同掺灰比条件下不同地区膨胀土进行试验比较，得到如下结论。

(1)根据膨胀土的分类研究(陈善雄等，2005)由自由膨胀率数据可知合肥为中等偏弱膨胀土，其余地区均为弱膨胀土。

(2)膨胀土掺石灰后有效改良了土体的工程性质，提高了土体强度。

(3)掺入少量石灰(掺灰比在4%左右)就可以使膨胀土胀缩性大大降低;增大掺灰量，其胀缩性仍可降低，但降低幅度不大，逐渐趋于稳定。

(4)宿州、蚌埠、怀远、合肥、庐江、桐城地区土的无侧限抗压强度最佳掺灰比分别为8%、8%、6% 、8% 、8% 、6% 。

陈善雄，余颂，孔令伟，等.2005.膨胀土判别与分类方法探讨［J］.岩土力学，26(12)：1895－1900.

GB/T 50123—1999，土工试验方法标准［S］.

李生林，秦素娟，薄遵昭，等.1992.中国膨胀土工程地质研究［M］.江苏南京：江苏科学技术出版社.

刘锡勒.2004.石灰在膨胀土施工中的试验研究［J］.安徽建筑，(3)：66－66.

张海彬.2005.石灰改良膨胀土的理论与实践［J］.铁路建筑，(10)：38－40.

查甫生，刘松玉，崔可锐.2006.合安高速公路膨胀土掺石灰试验研究［J］.公路交通科技，23(1)：36－39.