膨胀土地区高速公路路基石灰改良的胀缩性研究

邹祎

摘  要：膨胀土因其吸水膨胀、失水收缩会造成严重的工程病害而受到广泛关注，尤其是对高等级公路路基稳定和变形问题更为突出。文章以某高速公路膨胀土路基工程为依托，开展了石灰改良膨胀土的胀缩性试验研究。结果表明，石灰掺入膨胀土中可显著降低膨胀土的胀缩性，但掺灰率超过一定阈值后，改良效果变差。分析认为，土-水-石灰系统间复杂物理化学反应的产物，胶结分散颗粒和充填孔隙，有效的减少孔隙空间和阻止水分迁入，弱化膨胀土的晶格扩张和双电层膨胀。

关键词：路基;膨胀土;石灰改良;胀缩性

中图分类号：U414         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）22-0057-02

Abstract： Expansive soil has been widely concerned because its water absorption expansion and water loss shrinkage will cause serious engineering diseases， especially for the stability and deformation of high-grade highway roadbed. Based on the expansive soil subgrade project of an expressway， the expansion and shrinkage test of expansive soil improved by lime is carried out in this paper. The results show that the swelling and shrinkage of expansive soil can be significantly reduced by adding lime into expansive soil， but the improvement effect becomes worse when the lime content exceeds a certain threshold. The analysis shows that the products of complex physical and chemical reactions between soil-water-lime system， cementitious dispersed particles and filling pores， effectively reduce pore space and prevent water from moving in， and weaken the lattice expansion and double layer expansion of expansive soil.

Keywords： subgrade; expansive soil; lime improvement; expansion and shrinkage

1 概述

膨胀土富含蒙脱石、伊利石等亲水性黏土矿物，是一种对环境的湿热变化高度敏感的高塑性黏土，具有多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性等特点，常给工程建设带来严重的危害，如墙体开裂、道路倾斜、滑坡等[1-2]。根据现有资料，在四川、云南、广西、湖北、河南、陕西等20多个省、自治区均有残积或残坡积成因的膨胀土分布。随着高速公路建设的蓬勃发展，路网密度不断增大，在工程建设中遇到的膨胀土工程问题也日益增多。截止目前，据不完全数据统计表明，我国膨胀土路基病害处置的费用每年远远超过数百万元[3]。由此可见，膨胀土地区路基的病害问题是目前工程界迫切需要解决的关键科学问题。

为此，针对膨胀土地区修建高速公路面临诸多病害，本文以某高速公路路基工程为依托，基于膨胀土工程性质的改良，通过无荷膨胀量试验和收缩试验对石灰改良膨胀土胀缩性的改善情况及其机理进行了探析。该研究成果可为类似工程实践提供重要的理论参考数据。

2 试验概况

试验土体取自广西宁明县，取土深度地下1.5～2.5m，呈灰白色、斑纹状，为残积型膨胀土，其基本的性质指标如表1所示。

首先，取回的膨胀土经风干土、碾碎、过筛（2.0mm），测得其风干含水率为3.7%;称取一定质量的上述风干土和预定剂量（0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0%）的生石灰粉（过1.0mm筛）倒入干粉混合器中匀速搅拌20min后取出;然后喷洒蒸馏水拌匀，装入自封袋密封，放置保湿缸中焖料72h。之后，取出复测湿土含水率，其值控制在20%～0.5%内。根据预设的干密度（1.4g/cm3），称取相应质量的湿土，分两层（每层土料质量相等）静压制样。为保证各土层间接触良好，压实后将其上表面刨毛。最后，试样被密封养护7天后，装入膨胀仪和收缩仪中进行胀缩性试验测试。详细试验操作参看《土工试验规程》[4]。所有试验均在室温约25℃且湿度变化较小的条件下进行。

3 试验结果

3.1 无荷膨胀量试验

图1呈现了在无荷载有侧限条件下，试样浸水后竖向膨胀率随掺灰率的变化曲线。可以看出，掺灰率在0～9%范围内，试样无荷膨胀率随掺灰率的增加并不是单调降低的，而是先急剧降低后略有回升，其最小膨胀率对应的掺灰率约为5%。这说明石灰改良膨脹土的膨胀性存在一个临界阈值，超过该阈值后改良效果变差，故工程实践中为达到经济、高效的目的，应因地制宜选择合适的掺灰率。相类似的试验结果在陈爱军[5]对石灰改良膨胀土的研究中也曾有报道。

3.2 收缩试验

不同掺灰率的石灰改良膨胀土的体收缩率测试结果，如图1所示。从图中可以看出，随着掺灰率的不断增加，体收缩率不断的减小;当掺灰率超过4.5%后，其体收缩率的变化趋稳定，即使后续掺灰率增至9%仍并未有较大的改善体收缩率。该试验结果表明，掺入石灰可有效改善膨胀土的收缩性，但影响程度有限;过多地增加掺灰量来改善膨胀土的收缩量，也是不可取的做法。

4 分析与讨论

目前主要是通过晶格扩张膨胀理论和扩散双电层膨胀理论来解释膨胀土胀缩性的变化[5]。前者是指土体与水接触时，极性水分子在电场作用下嵌入晶层成为水化阳离子，晶层间水膜加厚，使晶层间距增大产生体积膨胀，见图2（a）;后者是指为了满足电中性和力平衡的要求，黏土颗粒表面将吸附水分子、水化阳离子等形成扩散双电层，见图2（b），由于扩散双电层增厚发生重叠而将岩土颗粒楔开，增大固体基质之间的距离，导致土体膨胀。

当石灰掺入膨胀土后，在土-水-石灰构成的系统中将发生复杂的物理化学反应，主要包括：离子交换反应、结晶反应以及碳酸化和火山灰反应[6]。

4.1 离子反应

在水的作用下，石灰将解离成（Ca2+）和（OH）-离子，二价（Ca2+）离子与一价（如K+、Na+）离子发生阳离子交换，使颗粒表面扩散双电层变薄（膨胀性减弱）而发生集结，形成新的土颗粒结构。

4.2 结晶反应

石灰与水反应生成的Ca（OH）2，其部分不发生解离并保留在土中形成晶体，将分散的膨胀土固体颗粒胶结成一个整体，从而使土体获得初期的水稳性。

4.3 碳酸化和火山灰反应

膨胀土自身释放的CO2以及土中的SiO2和Al2O3将与（2）中保留的Ca（OH）2晶体发生碳酸化和火山灰反应，生成坚硬的CaCO3、CaSiO3和Ca（AlO2）2等物质，充填于膨胀土内部错综复杂的孔隙、裂隙等中，把固体颗粒胶结在一起形成整体阻止外界水分的进入，并减少了有效孔隙空间。这对改良膨胀土的胀缩性起着决定性作用。

5 结论

本文以某高速公路膨胀土路基石灰改良土为例，从无荷膨胀率和体收缩率的角度探讨了石灰掺入率对膨胀土胀缩性的影响，获得以下结论：

（1）石灰的掺入可有效地降低膨胀土的胀缩性，满足工程实践的需求，是一种经济有效的改良剂。当掺灰率超过临界阈值后，再增加掺灰率改良效果变差，故存在最佳掺灰率。

（2）石灰掺入膨胀土发生的离子、结晶、碳酸化和火山灰等反应，生成的物质胶结充填于土体孔隙中，使膨胀土的晶格扩张和双电层膨胀减弱，进而有效的改善了膨胀土的胀缩性。

参考文献：

[1]杨洋，姚海林，陈守义.广西膨胀土的孔隙结构特征[J].岩土力学，2006，27（1）：155-158.

[2]李斌.膨胀土地区[M].北京：人民交通出版社，1993.

[3]周晶晶，席志飞.膨胀土地区修建高速公路路基填料改良及效果研究[J].黑龙江交通科技，2019，42（02）：4-6，9.

[4]中华人民共和国水利部.SL237-1999土工试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，1999.

[5]陈爱军.南友公路膨胀土路堤石灰改良的试验研究[D].长沙理工大学，2004.

[6]李宏沖，郑培溪.石灰改良高速公路路基膨胀土的试验研究[J].黑龙江交通科技，2013，36（9）：22-24.