钙矾石形成引起石灰改良土膨胀研究

章 敏

(京沈铁路客运专线辽宁有限公司，辽宁 沈阳 110006)

1 概况

为了改善土工材料的性能，经常使用诸如石灰、水泥等材料对土进行改良。在石灰改良土高pH值环境下，矿物活性被激发，引起石膏、芒硝等硫酸盐与改良土发生化学反应，形成钙矾石晶体导致膨胀变形，对改良土体产生不利影响。

本文针对硫酸盐侵蚀形成钙矾石引起改良土膨胀问题进行了研究，通过室内试验模拟了改良土中钙矾石形成及其膨胀过程，对硫酸盐侵蚀膨胀的物质基础及影响因素进行了研究，为改良土中钙矾石形成机理提供了理论依据。

2 试验设计

试验主要针对钙矾石生成的物质基础进行研究，主要使用生石灰(氧化钙)、含铝矿物铝酸钠与高岭土、硫酸钠3类反应矿物模拟钙矾石在改良土中的形成以及其膨胀，钙矾石形成的反应式为：

表1 试验配比以及基本物理参数

试验共开展9组不同配比试验，为使试验结果尽可能明显，试样干密度接近最大干密度，所有试样在标准砂最佳含水率5%时进行击实。9组试样击实后测得干密度为1.97～2.02 g/cm3，干密度基本接近。值得指出的是，为保证试样条件接近，本次试验中所有参与钙矾石生成反应的氧化钙、硫酸钠、铝酸钠、高岭土等外加剂含量为占标准砂的质量比，而含水率为占改良土的质量比。保证试样在近似的颗粒级配、孔隙比等基本物理条件下可以对比其变形量，研究钙矾石形成引起改良土膨胀变形影响。

3 试验膨胀变形过程分析

图1所示为试样1至试样5共5组试验的膨胀变形随时间的变化规律。试样1、试样2、试样3膨胀变形相近，分别为1.16,1.07,1.06 mm，变形基本在600 min 时已趋于稳定，这3组的膨胀变形主要是由于生石灰遇水发生了体积膨胀，硫酸钠、铝酸钠与生石灰不会生成特殊物质产生膨胀，2种盐类自身也不具有膨胀性。

图1 试样1—试样5膨胀变形时程曲线

试样4、试样5同时加入了氧化钙、硫酸钠、铝酸钠，具有形成钙矾石所需的钙、铝、硫酸根3类矿物的物质基础，其膨胀变形分别为1.93，2.34 mm，明显大于生石灰自身的吸水膨胀变形，分析认为在此配比以及试验条件下，钙矾石在石灰改良土中形成，引起土体膨胀。试样4、试样5膨胀变形过程可以分为3个阶段：Ⅰ阶段(1～200 min)快速期，该阶段膨胀变形主要由生石灰吸水引起；Ⅱ阶段(200～600 min)减速期，该阶段生石灰吸水膨胀变形逐渐减小，也伴随有部分钙矾石生成引起膨胀变形；Ⅲ阶段(600～3 000 min)稳定期，该阶段生石灰吸水膨胀变形基本结束，其变形主要是由于钙矾石生成引起。在试验的室内模拟环境下，钙矾石反应在 3 000 min 时间结束，膨胀变形趋于稳定。在试样的组成矿物、土颗粒种类结构、试验环境都相同的情况下，试样5膨胀变形略大于试样4。这是由于试样5是击实后立即开始浸水试样，而试样4击实后放置了约30 min左右才开始浸水试验，导致在放置的过程中已经损失了一部分矿物活性。

4 钙矾石的鉴别

X衍射分析(X-ray Diffraction,XRD)方法普遍应用于岩土材料的矿物晶体组成研究，国内外学者多采用X衍射的方式查证钙矾石晶体的存在。矿物的晶体都具有特定的X射线衍射图谱，图谱中的特征峰强度与样品中该矿物的含量正相关。因此，采用试验的方法可以确定某种矿物的含量与其特征衍射峰的强度之间的正相关关系，进而通过测量未知样品中该矿物特征峰的强度而求出该矿物的含量。图2为试样5在试验完成后，进行XRD定量分析的衍射图。

图2 试样5的XRD定量分析

由图2可知，试样5中主要矿物晶体为石英(77%)，少量白云石(10%)、方解石(2%)、云母(2%)等标准砂成分，以及试验生成的石膏(2%)、钙矾石(2%)2类矿物晶体。通过XRD试验明确检测出试样5中已生成了钙矾石晶体，其含量为2%，但是XRD定量分析的方法精度只能达到1%数量级，对于微量的矿物晶体含量定量判别精度有限，只能做定性判断。在试样5的级配、矿物含量以及试验条件下，生成2%钙矾石，土体膨胀率约为5%。

5 钙矾石形成的物质条件

图3所示为试样6至试样9共4组土样的膨胀变形随时间的变化规律。试样6、试样7膨胀变形相近，分别为1.16,1.18 mm，变形基本在600 min时已趋于稳定，这2组的膨胀变形主要是由于生石灰遇水发生了体积膨胀，本试验所用的高岭土本身不具有膨胀性。试样8、试样9未加入铝酸钠试剂，而加入了5%的高岭土，其膨胀变形分别为2.16，1.97 mm。

图3 试样6—试样9膨胀变形时程曲线

黏土矿物中一般都含氧化铝和二氧化硅，由于石灰引起的高pH值环境，氧化铝会从黏土矿物中释放。其反应式如下：

高岭土是一种含铝量较高的细颗粒黏土矿物，在碱性环境下，释放出来可供反应的铝与可溶性硫酸根共同参与钙矾石晶体的形成。试验结果表明，试样8、试样9中高岭土在碱性环境下释放了可供反应的铝，形成钙矾石晶体导致土体膨胀。同时，高岭土颗粒极细，高岭土的存在加速了钙矾石的形成，试样8、试样9基本在1 400 min变形已经趋于稳定。钙矾石形成引起改良土体的膨胀主要是由于石灰稳定剂中的钙、土中的可供反应的铝和硫酸盐反应引起。

在高pH值的环境下，若Al3+可以来源于黏土矿物，不考虑离子迁移的密闭环境内，改良土中铝的含量是过量的，只要一直维持高pH值的碱性环境，可供反应的铝将一直从黏土矿物中释放，则钙矾石生成量由碱性改良土石灰中具有活性钙基离子和环境中的硫酸盐含量决定，对于细颗粒含量较高的碱性改良土，铝含量不是限制钙矾石形成以及改良土膨胀量的关键因素。

6 结论

1)钙矾石在石灰改良土中形成引起改良土的膨胀主要分为快速期、减速期以及稳定期3个阶段，在试验的室内模拟环境下，钙矾石反应在 3 000 min 结束，膨胀变形趋于稳定。

2)钙矾石形成引起改良土体的膨胀主要是由于石灰改良剂中的钙以及土中的可供反应的铝和硫酸盐反应引起。

3)X射线衍射验证了试样中钙矾石的形成，分析表明生成2%钙矾石，土体膨胀率约为5%。

4)黏土矿物可提供钙矾石形成所需的Al3+，对于细颗粒含量较高的碱性改良土，铝含量不是限制钙矾石形成以及改良土膨胀变形的关键因素。