电石灰改良膨胀土水稳定性试验研究

侯毓山 张朝元

（新疆北新路桥集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

1 概述

膨胀土的塑性较高，具有胀缩性。并且其土壤中含有大量的伊利石、蒙脱石等粘土矿物，具有良好的亲水性。膨胀土浸在水里之后，它的体积急剧膨胀，失去水分后它的体积又明显收缩，对路基的性能影响很大。经常引起路面隆起、沉陷或开裂，还会引起边坡失稳、路堤滑塌、路堑滑塌等问题[1-2]。与此同时，工业经济的发展和城市化进程中产生的电石灰等工业废料对生态环境造成的一系列影响也是当前急需解决的热点问题。因此，探索电石灰等工业废料的回收利用新途径以及解决公路建设中面临的原材料短缺等问题，均具有十分重要的意义[3-6]。本文尝试使用电石灰改良膨胀土，结合规范和他人的研究确定了五组配合比，通过击实试验得到五组配比的最佳含水率和最大干密度，进而进行电石灰改良膨胀土干湿循环后无侧限抗压强度和膨胀量试验，分析了不同掺量电石灰对膨胀土强度以及水稳性的影响，确定了比较合理的配合比。

2 原材料性质

2.1 膨胀土的基本性质

本文选取的是河南某地区的土样，取样深度为1.0～1.5m，土样呈现暗黄色且中间夹杂白色；同时所取土样网状裂隙极为发育，有蜡面，易风化呈现细粒状且裂隙中填着灰白、灰绿色黏土。

通过自由膨胀率试验得出所取土样的自由膨胀率为48.3%，根据《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011）[7]判定，本实验所取土样为弱膨胀土。其物理力学指标如表1 所示。

表1 膨胀土的基本物理性质

2.2 电石灰的基本性质

本次试验所用电石灰来自某市电石灰调运中心。

化工企业生产过程中会产生的副产品之一为电石灰。电石与水的化学反应如式（1）所示：

电石灰基本物理性质的测试结果见表2。从外观上看，电石灰整体呈浅灰色，局部呈团状，原含水率较高，并伴有刺激性气味，经烘干后发现其颜色由浅灰色变为灰白色，并伴有较大的扬尘，故在实际工程应用中，电石灰应保持一定的含水率，以确保施工过程中不发生较大扬尘，从而对环境造成较大影响。

表2 电石灰物理性质

3 电石灰改良膨胀土击实试验研究

3.1 混合料配合比的选取

在电石灰改良膨胀土混合料的配合比确定过程中，电石灰的掺量对改良后的膨胀土的力学性能和水稳定性能影响都较大，因此，确定合理的电石灰掺量是电石灰改良膨胀土工程应用的重要步骤。结合前期研究成果及工程经验，最终确定了电石灰的掺量，电石灰剂量分别占混合料质量含量的8%、12%、16%和20%，剩余的成分为膨胀土的含量。最终确定了素膨胀土和四组配合比。

3.2 击实试验结果及分析

击实试验结果如表3 所示，通过对数据进行分析不难发现，随着电石灰掺量增加，膨胀土的最佳含水率先减小后增大，最大干密度先增大后减小。纯膨胀土的最佳含水率最大为17.0%，当电石灰掺量达到16%时，最佳含水率最小为10.1%，当电石灰掺量大于16%时，最佳含水率开始增大。当配比为电石灰16%、膨胀土84%时，最大干密度取得最大值，为1.62g/cm3，对应的最佳含水率为10.1%。

表3 击实试验结果

4 电石灰膨胀土浸水膨胀量试验研究

4.1 膨胀量计算

试件的膨胀量按照式（2）计算：

H0-试件初始高度（mm）。

同一组配合比需要进行两个试件的重复试验，最终膨胀量取两个试验数据的平均值。

4.2 试验结果分析

根据《公路土工试验规程》（JTE40-2020）等规范[8-9]采用击实成型试件时[10-12]，选用内径为152mm、高170mm 的金属圆筒，每层击数一般为59 次，采用静压成型制做膨胀量测试试件。泡水时，槽内水面的水份应保持在试筒顶部上方25mm 左右，且试件要泡4 个昼夜。膨胀量随着电石灰掺量变化曲线如图1 所示。

图1 电石灰掺量-膨胀量图

由图1 可以看出，随着电石灰掺量增多，电石灰改良膨胀土的膨胀量呈下降趋势，5 种电石灰改良膨胀土对比纯膨胀土（图中电石灰掺量为0%）膨胀量明显降低，纯膨胀土的膨胀量最大为4.6%，电石灰掺量为20%膨胀土的膨胀量最小为2.6%，相比纯膨胀土电石灰掺量为20%的膨胀土膨胀量明显下降，下降幅度为43.4%。并且从图中可以看出电石灰掺量12%到16%时膨胀量下降幅度最大，电石灰掺量16%到20%时膨胀量下降幅度最小。

5 电石灰膨胀土崩解试验

5.1 崩解率计算

浸水过程中土的崩解率可用式（3）表示。

式中：Ct-试样浸水过程中t 时刻的崩解率（%）；m1-试样全部浸入水中的瞬时的天平读数（kg）；

mt-试样浸入水中在t 时刻测力计的读数（kg）；

me-金属网空载时浸入水中天平的读数（kg）；

由于试样浸水可能立即崩解，可以在试样外部包裹一个塑料袋，然后封紧袋口对其进行单独测试。为了提高数据准确度，采用多次空载方式测定，求取平均值以备后期求崩解率。同一组配比需要进行三个试件的重复试验，最终浸水崩解试验取三个试验数据的平均值。

上述成型后的试验进行崩解试验，不同掺量电石灰膨胀土均不产生崩解，因此对试件进行干湿循环，模拟沿海地区的高温暴雨循环的气候变化，探究电石灰对膨胀土的崩解的影响[13]。

5.2 试验结果分析

为了模拟突降暴雨造成的土体迅速饱和过程，采用浸水法将试样浸入水中。将试件放在孔径较大的金属网上，在1min 内每隔10s 记录一次天平的读数，试验进行1min 后，每隔30s 记录一次读数，同时观察并记录试样的崩解现象。当试验结束时，记下此时天平的读数。崩解开始的试样如图2 所示。由图2 可知，只有纯膨胀土和8%掺量电石灰的膨胀土崩解率达到100%，完全崩解。电石灰掺量为12%的膨胀土最终崩解率达到92.5%，电石灰掺量为16%的膨胀土最终崩解率达到69.9%，电石灰掺量为20%的膨胀土最终崩解率达到62.8%。并且从图中可以看出纯膨胀土的崩解速率最快，随着电石灰掺量增加，膨胀土崩解速率逐渐降低。还可以看出膨胀土和电石灰膨胀土在刚浸水的60S 内，崩解速率较快，在一分钟以后崩解速率逐渐降低。

图2 崩解率与浸水时间关系图

6 结论

6.1 纯膨胀土的膨胀量最大为4.6%，随着电石灰掺量的增加膨胀土的浸水膨胀量减小，电石灰掺量为20%时膨胀量最小为2.6%。根据试验结果得知随着电石灰掺量增加，膨胀土的膨胀量呈下降趋势。因此，掺电石灰能够降低膨胀土的由于涨缩性所带来的工程安全问题。

6.2 纯膨胀土和8%掺量电石灰的膨胀土在10min 内崩解率能够达到100%，完全崩解。电石灰掺量为12%的膨胀土最终崩解率达到92.5%，电石灰掺量为16%的膨胀土最终崩解率达到69.9%，电石灰掺量为20%的膨胀土最终崩解率达到62.8%，随着电石灰掺量增加，膨胀土崩解速率逐渐降低。