外加剂改良膨胀土试验研究

贾延安 张洋 黄闪闪 郝朝伟

摘要：以江淮地區弱膨胀土为研究对象，选取胀缩总率为评价指标，研究水泥、石灰、玄武岩纤维和固化剂四种改性材料对膨胀土改良效果的影响，并对水泥、石灰改良膨胀土的抗剪强度进行了研究。试验结果表明，随着外加剂掺量提高，改良土的胀缩总率逐渐减小，且趋势减缓。同等掺量下，石灰改性效果优于水泥，固化剂和玄武岩纤维改性效果不明显。随着外加剂掺量增加，改良土的黏聚力和内摩擦角逐渐增大，趋势减缓；同等掺量下，石灰改性土的抗剪性能优于水泥改性土。

关键词：膨胀土 外加剂 膨胀潜势 抗剪强度

中图分类号：TU411

Experimental Study on the Improvement of Expansive Soil with Admixtures

JIA Yanan1  ZHANG Yang1  HUANG Shanshan1  HAO Chaowei2*

1. Anhui Road and Bridge Engineering Co.， Ltd.， Hefei， Anhui Province， 230031 China;2. Research Institute of Highway， Ministry of Transport， Beijing， 100088 China

Abstract： Taking weak expansive soil in the Jianghuai area as the research object and selecting the total swelling-shrinkage percentage as the evaluation index， this paper studies the impact of the improvement effect of the four modified materials of cement， lime， basalt fiber and curing agent on expansive soil， and also studies the shearing strength of cement and lime improving expansive soil. The test results show that with the increase of admixture content， the total expansion and contraction rate of improved soil decreases gradually with a slowing trend， that under the same dosage， the modification effect of lime is better than that of cement， and the modification effect of curing agent and basalt fiber is not obvious， that with the increase of admixture content， the cohesion and internal friction angle of improved soil gradually increase with a slowing trend， and that under the same dosage， the shearing performance of lime-modified soil is better than that of cement-modified soil.

Key Words： Expansive soil; Admixture; Expansion potential; Shearing strength

1 背景介绍

膨胀土是一种遇水膨胀、失水收缩，并能反复胀缩变形的特殊黏性土，其主要由强亲水性黏土矿物成分如蒙脱石和伊利石等组成，具有较强的胀缩特性和裂隙性。膨胀土的反复胀缩变形特性会对于公路工程造成严重的破坏，常常会使公路路基产生基床翻浆冒泥、路基下沉、边坡滑坡、坍塌等病害，甚至导致严重的工程质量事故。

当前国内关于膨胀土改良方面的研究较多。谭晔等[1]选取南阳膨胀土作为研究对象，针对不同掺比的石灰和水泥改良土进行抗剪强度试验，结果显示随着从掺量提高，石灰改良土抗剪强度先增加后减小，水泥改良土抗剪性能线形增长，并得出了石灰比水泥能更好地提高膨胀土的抗剪性能结论。韩晶等[2]以南水北调工程浙川段膨胀土为例，针对不同掺比的石灰和水泥改良土进行直剪试验，结果显示同等掺量下的水泥改性土抗剪性能更优，得出水泥相对于石灰对膨胀土的抗剪性能影响更大的结论。王佩等[3]通过扫描电镜试验、压汞实验和X射线衍射试验等方法对水泥改性膨胀土进行了系统性试验研究，结果表明水化产物C-H-S凝胶是决定水泥改性膨胀土微观孔隙结构特征、土体强度及收缩特性的关键因素。袁超等[4]以膨胀土与水泥的重量比为指标，研究环氧树脂、玻璃纤维和水泥对膨胀土力学性质和微观结构的影响。试验得到了最佳外加剂掺量，并得出玻璃纤维通过基体间桥接作用延缓微裂纹发展来提高复合材料的延性和能量吸收的能力，从而提高试样的抗弯强度。庄心善等[5]采取无侧限抗压强度、无侧限抗压强度和膨胀力、抗剪强度三种指标分别对玄武岩纤维、磷尾矿粉末、磷尾矿-玄武岩复合三种膨胀土改良方式进行了评价，并给出了对应的最优掺量。刘贵起等[6]提出一种纤维加筋和化学改良相结合的技术，探讨了固化剂类型和掺量、碱激发剂的掺入、玄武岩纤维掺量以及养护龄期对改良膨胀土无侧限抗压强度的影响规律，比较了不同改良方式的效果，并给出相应最优掺量。

从当前研究可以看出由于作为研究对象的膨胀土自身组成成分不同，导致不同外加剂改性效果存在差异。对于较为新型的外加剂以及复合型外加剂改良方式，由于经济性和实际可操作性等原因而导致其缺乏实际工程应用价值。现有研究中评价膨胀土改性效果的指标有自由膨胀率、胀缩总率、无侧限抗压强度等，尚未形成较为统一的评价指标可供参考。

基于此，本文针对引江济淮（安徽段）新桥大道桥项目所在地的膨胀土，选取工程常用外加剂（水泥、石灰）和具备工程可行性外加剂（玄武岩纤维、固化剂）两类改性材料，研究外加剂对膨胀土胀缩性能的影响。在胀缩总率试验结果的基础上，选取水泥、石灰两种改良膨胀土，对其抗剪强度变化规律进行了试验研究，最终确定最佳的改性材料。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

试验所选取土样来自引江济淮（安徽段）新桥大道桥项目，土样性质见表1。所采取外加剂种类及主要组成如下：石灰为有效含量（GaO和MgO）87%以上的Ⅰ级钙质生石灰；水泥为P·O32.5级水泥；固化剂是以SiO2和NaO为主要成分的无机类固化剂；玄武岩纤维的主要成分为SiO2、NaO等氧化物，长度为6 mm，纤维直径17 μm。

2.2 试验方法

现场取样后通过自由膨胀率试验选取满足膨胀潜势指标的膨胀土样，再对土样进行液塑限、土粒比重、击实试验，直剪试验等试验以确定原膨胀土的基本性质，详见表1。进行改良土相关研究过程中，需相继开展膨胀土改良试验及制样工作、50kPa有荷膨胀试验、收缩试验以及固结快剪试验。

本研究采取的改良试验大致试验步骤为将土样烘干—破碎—过筛—二次烘干—拌和改良—养护—制样成型—二次养护。考虑到采用压样法制样的环刀体积较小，为避免出现大颗粒团聚现象，提高外加剂与土颗粒结合程度，本研究中过筛尺寸为0.5 mm方孔筛。在拌和改良过程中，主要采取两种方式：一是土样与水先拌和再与固体固化剂拌均匀；二是液体固化剂与水混合后再和土样拌和。土样拌和改良后在20 ℃及密闭条件下，经24 h养护，再进行压样法制样。制样完成后将试样置于标准养护条件下养护7 d并开展后续试验。

3 改良土的试验研究

本研究中设置的外加剂掺量梯度为石灰（4%、5%、6%、7%），水泥（3%、4%、5%、6%），玄武岩纤维（0.15%、0.2%、0.25%、0.3%），固化剂（0.1%、0.15%、0.2%、0.25%）。通过50 kPa有荷膨胀试验、收缩试验和固结快剪试验，得到相关数据。

3.1 胀缩总率

从图1（a）中可以看出，经石灰改良后，试样的有荷膨胀率几乎为零；试样的收缩变形随着石灰掺量提高而减小，且变形呈平缓趋势；由胀缩总率计算公式[7]可知，此时其主要由线收缩率组成；当石灰掺量达到5%时，土样勉强达到弱膨胀土，掺量提高到6%时，土样已改性为非膨胀土。这是因为随着石灰掺入土中，石灰中有效物质与土中水，空气中CO2，发生了离子交换、凝胶反应等反应，使土体的膨胀土分散性、坍塌性、亲水性和膨胀性降低，黏聚力提高[8]。随着石灰的掺量增大，因单位土体中黏粒数量一定，反应逐渐减缓，外部表现为胀缩总率下降趋势逐渐平缓。

从图1 （b）中可以看出，经水泥改良后，试样的有荷膨胀率几乎为零。试样的收缩变形随着水泥掺量提高而减小，胀缩总率主要由线收缩率组成，且变形呈平缓趋势。原因是水泥水化反应产生的水化产物与土颗粒发生团聚，土颗粒之间逐渐黏联形成体积较大的絮状物或者絮状体，土颗粒间的孔隙被絮状物逐渐填充，孔隙体积减小，外部表现为膨胀性减小，强度增大[3]。随着土中黏粒反应消耗，水泥改性效果呈减弱趋势。值得注意的是：当水泥掺量达到6%时，胀缩总率為1.075%，仍属于弱膨胀土范畴[9]。

从图1 （c）中可以看出，相较于石灰、水泥两种改性方式，对于本次研究土样及设置的掺量下，固化剂的改性效果较不明显，0.25%掺量下试样的胀缩总率为3.979%，相较于原膨胀土胀缩总率4.89%，下降了一定程度，但仍具备较强膨胀性。

从图1 （d）中可以看出，相较于石灰、水泥两种改性方式，对于本次研究土样及设置的掺量下，玄武岩纤维的改性效果较弱，其膨胀潜势仅略优于固化剂改性土。0.3%掺量下试样的胀缩总率为3.434%，相较于原膨胀土胀缩总率4.89%，虽下降一定程度，但仍具备较强膨胀性。

3.2 抗剪强度

水泥和石灰作为工程中常见的两种改良外加剂，且室内试验结果显示了其对降低膨胀土膨胀性具有较为显著的能力，本研究中对这两种外加剂不同掺量下的改良土抗剪性能展开了进一步研究，数据如图2所示。

从图2（a）中可以看出，随着石灰改性掺量的增加，改性土的黏聚力和内摩擦角随之增大，且二者都随着掺量继续增大而呈现增长减缓趋势。对比表1中原膨胀土抗剪强度参数可以发现，相较于原膨胀土，石灰对膨胀土的黏聚力及内摩擦角都具有较为显著的改善效果。

从图2 （b）中可以看出，随着水泥掺量的增大，改性土的黏聚力和内摩擦角随之增大，且二者都随着掺量继续增大而呈现增长减缓趋势。对比表1中原膨胀土抗剪强度参数可以发现，相较于原膨胀土，水泥对膨胀土的黏聚力及内摩擦角都具有较为显著的改善效果[10]。对比上图中图2 （a）和图2 （b）可以看出：同等掺量下，石灰改性土的抗剪性能优于水泥改性土。

5 结论

通过开展膨胀土的外加剂改良试验，并进行改良土的胀缩总率和抗剪强度试验研究，主要得出以下结论：

1. 随着固化剂掺量提高，改性土的胀缩总率逐渐减小，且趋势减缓。在所选取的外加剂种类及掺量下，6%及以上掺量石灰改性土膨胀潜势降到了非膨胀土。
2. 总体来看，石灰改性效果优于水泥，固化剂和玄武岩纤维改性效果不明显。随着水泥（石灰）掺量增加，改性土的黏聚力和内摩擦角逐渐增大，趋势减缓。同等掺量下，石灰改性土的抗剪性能优于水泥改性土。综上，针对项目所在地膨胀土，在本研究选取的外加剂中，石灰的改良效果最佳。

参考文献

[1]  谭晔，吴超，张蒙飞. 膨胀土石灰、水泥改良抗剪强度特性试验研究[C]//《工业建筑》杂志社.《工业建筑》2017年增刊III.2017：592-595.

[2]  韩晶，王乐华，马莉，等.水泥及石灰掺量对改良膨胀土抗剪强度的影响[J].人民黄河，2015，37（4）：137-139，144.

[3]  王佩，宋新江，徐海波，等.水泥改性膨胀土基本特性试验[J].水利水电科技进展，2021，41（3）：56-60.

[4]  袁超，周峙，张家铭，等.环氧树脂-玻璃纤维对水泥改性膨胀土的加固机理试验研究[J].武汉大学学报（工学版），2021，54（8）：709-716，724.

[5]  庄心善，李凯，王康，等.磷尾矿-玄武岩纤维改良膨胀土试验研究[J].湖北工业大学学报，2019，34（4）：104-107.

[6]  刘贵起，徐洪钟，孙义杰，等.纤维增韧地质聚合物改良膨胀土力学特性试验[J].南京工业大学学报（自然科学版）， 2019，41（4）：456-462.

[7]  中交第二公路勘察设计研究院.公路路基设计规范：JTG D30-2015 [S].北京：人民交通出版社，2015.

[8]  惠會清，胡同康，王新东.石灰、粉煤灰改良膨胀土性质机理[J].长安大学学报（自然科学版），2006（2）：34-37.

[9]  王欢，曹素娟，李宝宝.不同固结条件下改良弱膨胀土微观分析[J].建筑科学与工程学报，2023，40（4）：163-170.

[10]  李林，叶铜，刘状壮.低气压养护对水泥砂浆微观孔隙及抗渗性能的影响[J].建筑材料学报，2023，26（8）：823-830.