菱苦土改性膨胀土工程性质的试验研究★

崔慧梅 王楷 马尧

(南京工程学院，江苏南京 210000)

1 概述

1.1 膨胀土的概述

膨胀土是一种在陆地表面分布较为广泛的特殊性黏土，在自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体，土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，其中包括蒙脱石、伊利石、高岭石等，具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特征的粘性土。由于它具有显著的胀缩性，常常给膨胀土地区的房屋建设、铁路、公路、机场、水利工程等带来巨大的破坏，给世界各国造成了巨大的经济损失。因此，为确保路基的稳定性和强度，对膨胀土性质的研究显得尤为重要。工程上对弱膨胀土用控制含水率和密度的方法，可以部分消除其胀缩性，但对于中强膨胀土用上述方法不能达到消除其胀缩性的目的，必须改性处理。土质改良的方法有很多，如掺少量的水泥、石灰、粉煤灰等。本文按照高等级公路路基施工的技术要求，从试验的角度研究了膨胀土用菱苦土改性后的物理力学性质。

1.2 菱苦土的简介及反应机理概述

菱苦土又名苛性苦土、苦土粉，它的主要成分是氧化镁。以天然菱镁矿为原料，在800℃ ～850℃温度下煅烧而成，是一种细粉状的气硬性胶结材料。颜色有纯白，或灰白，或近淡黄色，新鲜材料有闪烁玻璃光泽。其物理性质为白色轻松粉末，无臭、无味，本品不溶于水和乙醇，熔点2 852℃，沸点3 600℃，有高度耐火绝缘性能。菱苦土生产量大，价格便宜，运输方便，可以成为改良膨胀土的一种优良材料。

菱苦土的化学成分的含量见表1。

表1 菱苦土的化学成分

由表1可知，菱苦土里含量较多的是CaO，因此反应主要为CaO与水的反应。MgO与水反应很慢，所以对于化学改良膨胀土的作用不是很大，CaO与水反应的机理如下:CaO加入土中后，会发生一系列的化学反应和物理化学反应。这些反应的结果使粘土颗粒的结合水膜减薄，粘土胶粒絮凝，生成晶体氢氧化钙和含水硅铝酸钙等胶结物，这些胶结物逐渐由凝胶状态向晶体状态转化，致使石灰土的刚度不断增大，强度和水稳性不断提高。

2 试验方法

本次所有试验均按照部颁JTJ 051.93公路土工试验规程和JTJ 07.94公路工程无机结合料稳定土试验规程进行。土样经过风干、碾、过5 mm圆孔筛，预定掺入菱苦土量为9%，12%和15%。采用重型击实法测定其不同苦土剂量时的最大干密度和最佳含水量，再根据不同石灰掺量的最佳含水量采用静压法(压实度为95%)制备试样浸润24 h，进行直接剪切试验、无侧限抗压试验。对不同苦土掺量的界限含水量也进行了试验。

3 试验结果分析

3.1 菱苦土改性膨胀土的界限含水量

膨胀土的界限含水量是指黏土颗粒与水相互作用的一种属性。膨胀土主要由亲水的黏土矿物组成，含有较多的细小黏土颗粒成分，故具有扩散双电层较厚、比表面积大等特点，与一般细粒土相比而言，膨胀土一般具有高液限、高塑性指数的特点。

表2 不同掺灰率下的液限与塑限值

从表2可以看出，随着掺灰率的增加，塑限和液限都在提高，但提高的幅度不是很大，影响液限和塑限的主要原因是苦土里面含CaO，CaO与水发生化学反应，吸收水分，由于CaO在苦土里只占百分之二十几，所以在提高液塑限幅度上作用不是很明显。

3.2 改性后的膨胀土的强度

无侧限抗压试验是在没有围压的情况下测得轴向抗压强度，通过抗压仪器测得研究的土样抗压强度，将其数据绘制成表格和图形。直接剪切试验是在不同等级的垂直压力下抵抗剪力的强度，将其数据汇成表格和图形。

3.2.1 菱苦土改性膨胀土抗剪强度

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质指标之一。工程中的地基承载力，挡土墙的土压力，土坡稳定等问题都与土的抗剪强度直接相关。根据库仑定律，土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比。其本质是由于土粒之间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌作用产生的摩阻力，其大小决定于土粒表面的粗糙度、密实度、土颗粒的大小以及颗粒级配等因素。粘性土的抗剪强度由两部分组成，一部分是摩擦力，另一部分是土粒之间的粘结力。

用库仑定律公式表达为:

直接剪切试验是测定土抗剪强度指标的一种常用方法。通常将同一土样切取不少于四个试样，分别在不同的垂直压力下施加水平剪切力，测得破坏时的切应力，以确定土的内摩擦角和内聚力，为工程实践提供依据。

由表3可以看出各掺灰率下膨胀土在含水率12%，15%的情况下内摩擦角，粘聚力较大，在12%，15%含水率下的抗剪强度较大，在掺灰率增大的情况下，相同含水率下的膨胀土粘聚力下降。在掺灰率逐渐增大的情况下，同一含水率土样的抗剪强度有降低的趋势，因为在掺灰率增大的情况下，CaO与水反应，吸收了部分水，虽然CaO的反应物能够增强土粒之间的粘结力，但是，由于苦土中的CaO含量并不是很高，所能增加掺合物土的抗剪强度，不足以抵消由于粘粒量减少，掺灰土的内部黏土粘聚力的降低。苦土中主要是MgO，其在改良膨胀土中的主要作用是物理改良，MgO与水缓慢作用，不明显，随着MgO含量的增加，土样内的粉粒增多，粉粒容易发生滑移，所以强度自然有所降低。

表3 各掺灰率下膨胀土的内摩擦角和粘聚力

3.2.2 菱苦土改性膨胀土无侧限抗压强度

由图1和表4可知，养护7 d后的试样在掺灰9%的情况下，无侧限抗压强度达到最大，随着掺灰率的提高，无侧限抗压强度反而降低，这是由于高掺灰率的情况下，掺合物与水发生反应，在土样内部产生一定的孔隙，孔隙的产生，降低了土样部分的抗压强度，发生化学反应吸水也使微粒间的粘聚力降低，随着掺灰率的增大，黏土的含量减少，粉粒的含量增大，粉粒间容易产生滑移，从而更容易发生脆性破坏。从图1中还可以看出，无侧限的峰值主要产生于最优含水率的附近。

图1 无侧限抗压强度曲线

表4 各土样无侧限抗压下的最大强度值

4 结语

1)在菱苦土的混合物中，随着掺灰量的增加，液限增加，塑性增加，在菱苦土含量的增加下，自由膨胀率降低，但菱苦土含量达到15%后，基本达到降低膨胀率的要求，在菱苦土含量继续增加的情况下，对膨胀率的降低影响不大。随着菱苦土含量的增加，最优含水率增大，最大干密度也相应的增加。

2)养护7 d后的试样，在掺灰9%的情况下，无侧限抗压强度峰值达到最高，随着掺灰率的提高，无侧限抗压强度峰值反而降低。各掺灰率下膨胀土在含水率12%，15%的情况下内摩擦角，粘聚力较大，各不同掺灰含量下的膨胀土在12%，15%含水率下的抗剪强度较大，在掺灰率增大的情况下，相同含水率下的膨胀土粘聚力下降。

3)干湿循环下的抗剪强度:1次循环到5次循环后的各掺灰率下膨胀土的抗剪强度有比较明显的降低，10次、15次、20次循环试验下的抗剪强度基本降低不大，抗剪强度趋于稳定。

4)最优含水率下不同掺灰率的膨胀土，在随着菱苦土含量增加的情况下，压缩指数降低，但降低的不是很明显。

注:指导老师:张德恒。

［1］孙树林.废改良土及其环境影响的试验研究［M］.北京:科学出版社，2003.

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