石灰改良膨胀土的试验研究

2014-01-18余晓彦李梦冉

湖北工业大学学报 2014年5期

余晓彦，游鹏，周谈，李梦冉

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068）

膨胀土是一种具有吸水膨胀软化、失水收缩开裂特性的黏性土。一般的黏性土都具有胀缩性，但对工程没有太大的影响，而膨胀土的膨胀—收缩—再膨胀的反复变形特性给工程带来的破坏程度却往往是不可修复的。为了改变膨胀土的这种不良特性，在工程中往往掺入一些无机材料，使其与膨胀土中的黏粒成分发生物理化学反应，从而使膨胀土的物理力学性质得到改善。膨胀土一般被用于填筑路基，所以只有改变其压实性，提高其强度，降低其膨胀性，才能很好地控制施工质量，为此在室内模拟现场施工条件进行试验。在相同的击实功条件下对不同掺灰率的试样进行击实试验，探索掺灰率与最大干密度及最优含水率的影响关系，寻找最合理最经济的掺灰率，从而为工程实践提供有效合理的参考。

1 石灰改良膨胀土机理

石灰是目前改良膨胀土最常用的添加剂，在利用石灰改良膨胀土的时候，石灰的掺量（石灰质量/干土质量）一般控制在2%～8%之间［1］。石灰改良膨胀土的机理可以分为以下4种作用。

离子交换作用。石灰与膨胀土中的水反应形成大量的Mg2＋与Ca2＋等，相对高价的Ca2＋通过离子交换作用把粘土颗粒表面的Na＋和K＋置换出来，此交换作用可以有效的降低膨胀土的收缩性，提高膨胀土的强度。

絮凝作用。膨胀土中加入石灰，石灰吸水放出热量，使土中的含水量迅速减少，相对而言，孔隙水溶液中阳离子的浓度增大，此时，土颗粒表面的双电子层中的阳离子浓度会相应的有所增加，导致双电子层变薄，絮凝作用的最终结果就是土颗粒之间的间距变小，粗粒成分相对增加。

碳化作用。石灰与空气中的CO2发生化学反应，生成一种相对较弱的钙—镁或镁—碳——一种具有黏结性质的物质，从而使土发生碳化。

胶结作用。石灰与膨胀土中的化学成分硅、铝或与两者同时发生反应，生成一种新的具有较强黏结性的胶结物质。在改良膨胀土的过程中，胶结作用对提高膨胀土的强度是起决定作用的，而用于离子交换的石灰只有1%～2%［2］。

2 试验方法

试验土样取自南阳某公路路段的中膨胀土试验区，试验的步骤是严格按照《公路土工试验规程》（JTG E40～2007）的规定进行操作的，试验分别采用0、2%、4%、6%、8%五种不同的掺灰率进行了击实试验、静压成型试验、直剪试验及无侧限抗压强度试验。为了膨胀土与石灰能混合均匀，土与石灰均过0.5mm筛，然后按照不同含水率进行制样，进行为期7d、14d、21d、28d的标准养护，使石灰与土颗粒能够发生充分的离子交换作用，从而更好地达到试验要求。

3 试验材料

南阳地区的中膨胀土天然状态下呈现黄褐色，稍湿润，天然含水率为25.3%，自由膨胀率为71.5%，干密度为1.43cm3，小于0.002mm 的粘粒含量为69.9%；试验采用的石灰属于Ⅱ级镁质石灰，产自宜昌，其中氧化钙的含量为53.5%。

4 试验结果分析

针对膨胀土中掺入不同含量的石灰进行的击实试验，含水率与干密度的关系曲线见图1。从图1可以看出，在相同击实功的作用下，改良土的最大干密度均小于未改良土的干密度；且随着掺灰率的增加，改良土的最大干密度逐渐减小，最优含水率呈现逐渐增大的趋势。这是因为掺入石灰以后，石灰中的高价Ca2＋与土中的Na＋和K＋等低价阳离子进行了离子交换，从而使黏土颗粒凝聚起来了；同时在击实过程中形成水化的硅酸钙和铝酸钙，此种凝胶体与土颗粒相互搭接，填充在土体的孔隙中，形成“空间网架结构”［3］，在进行击实的过程中，这种“空间网架结构”会消耗掉一定的击实功。这说明掺入石灰的膨胀土的土干密度对含水率的敏感性比未改良土的要小，这种性质给改良土的施工带来了很大的方便［4］。