改性膨胀土的工程性质研究

司冬冬， 　崔素丽， 　王学攀，　杜延峰

(西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室， 陕西 西安 710069)



改性膨胀土的工程性质研究

司冬冬， 崔素丽， 王学攀，杜延峰

(西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室， 陕西 西安 710069)

[摘要]膨胀土具有较强的湿胀干缩性质，对建造在其上的建筑物有较强的破坏作用，因此在膨胀土地区进行工程建设时，通常需要向膨胀土中添加改性材料来改善其工程性质。分析了石灰、水泥、风化砂、粉煤灰、高炉水渣、水泥窑灰和碱渣等对膨胀土的水理性质、击实性质、胀缩性质和强度性质的改性效果。从微观结构的角度对膨胀土的改性机理进行了探讨，优选出了各改性材料的适宜掺量，为实际工程中膨胀土改性材料的选择提供了理论依据。

[关键词]膨胀土；改性材料； 改性效果；改性机理

由于膨胀土具有裂隙性、超固结性和胀缩特牲，工程性质极差，使膨胀土地区的房屋建筑、铁路、水利工程等经常遭受巨大的破坏，因此膨胀土研究是当前岩土工程的重要研究方向之一。从改善土体物质组成和结构入手，向膨胀土中添加改性材料对土质进行改性处理，能够从根本上解决膨胀土存在的问题。目前国内外常用的膨胀土改性材料有石灰、水泥、砂等建筑材料和高炉水渣、粉煤灰、水泥窑灰(Cement Kiln Dust)、碱渣等工业废弃物。本文通过分析各改性材料对膨胀土的基本物理性质、胀缩特性和强度特性的改性效果和改良机理，在实际工程中根据需要并结合当地的情况，优选出改性效果较好的改性材料，并确定其适宜材料。

1改性材料对膨胀土基本性质的影响

根据参考文献[1-7]得到各膨胀土的基本性质及其所用的改性土如表1所示，表中所列的膨胀土及其对应的基本指标和改性土均来自对应的参考文献。

表1　各膨胀土的基本性质

整理分析文献[1-7]中的相关数据，用Origin7.5绘制出各种改性土的塑限、液限、塑性指数、最大干密度、最优含水率、自由膨胀率、无荷载膨胀率随改性材料掺量的变化关系图，如图1—图7所示。

1.1改性土的水理性质

1.1.1对膨胀土塑限的影响

图1　塑限-改性材料掺量

改性材料对膨胀土塑限影响很大，由图1可以看出，随着改性材料掺量的增加，塑限值均增大，但增大的幅度不同。其中水泥对膨胀土的塑限值影响最大，而风化砂对膨胀土的塑限值影响最小。石灰和高炉水渣对膨胀土的塑限值改性效果表现为当掺量较低时，随着掺量的增加，塑限值增长得较快，当掺量达到一定值后，随着掺量的增加，塑限值增长较缓且有降低趋势并趋于稳定，但仍大于纯膨胀土的塑限值。

1.1.2对膨胀土液限的影响

图2是改性材料掺量对液限的影响，随着掺量的增加，液限值都降低。其中水泥对膨胀土液限值的影响最大，而高炉水渣对膨胀土的液限值影响不明显。粉煤灰、碱渣和风化砂改性土的液限值随掺量的增加而降低，但降幅不大，且随着掺量的增加，液限值基本趋于稳定。

1.1.3对膨胀土塑性指数的影响

塑性指数随各改性材料掺量的变化关系如图3所示，随着掺量的增加，水泥改性土的塑性指数降低幅度最大，粉煤灰改性土的塑性指数呈线性降低。石灰改性土在掺量小于8%时，其塑性指数随掺量的增加而持续大幅度降低，超过8%后，塑性指数反而有所升高。其他改性土的塑性指数随掺量的增加均有明显的降低趋势，且随着掺量的增加降幅逐渐减小。

图2　液限-改性材料掺量　　　　　　　　　　图3　塑性指数-改性材料掺量

1.2改性土的击实性质

1.2.1对膨胀土最大干密度的影响

由图4可知，随着掺量的增加，水泥改性土的最大干密度持续提高；风化砂改性土的最大干密度先升高后降低直至接近纯膨胀土的最大干密度，而水泥窑灰改性土的变化则与风化砂恰恰相反；高炉水渣改性土的最大干密度先增大后缓慢下降；碱渣和粉煤灰改性土的最大干密度先降低，后趋于稳定。

1.2.2对膨胀土最优含水率的影响

由图5可知，水泥窑灰改性土的最优含水率随掺量的增加而增大，但增大速率有变缓的趋势。粉煤灰和风化砂改性土的最优含水率随掺量的增加略有降低。当掺量在0～20%时，碱渣改性土的最优含水率随掺量的增加而略有降低，随着掺量的继续增大，其最优含水率值整体呈增大趋势，但变化不大。水泥改性土的最优含水率在掺量较低时(0～5%)呈增大趋势，掺量继续增加(5%～10%)，最优含水率降低，并接近纯膨胀土的最优含水率。石灰和高炉水渣对膨胀土的最优含水率影响不大。

图4　最大干密度-改性材料掺量　　　　　　　　　图5　最优含水率-改性材料掺量

2改性材料对膨胀土胀缩特性的影响

2.1对膨胀土自由膨胀率的影响

图6显示，自由膨胀率随掺量的增加均大幅度降低，其中水泥和石灰对膨胀土的自由膨胀率影响最大。水泥和粉煤灰改性土的自由膨胀率随掺量的增加呈线性降低，其他改性土的自由膨胀率下降的速率都逐渐降低，且自由膨胀率值趋于稳定，其中碱渣改性土自由膨胀率值向0趋近。

2.2对膨胀土无荷载膨胀率的影响

图7是无荷载膨胀率随改性材料掺量的变化关系图。由图可知，随着掺量的增加，膨胀率均降低，其中碱渣对膨胀率的影响最大，而风化砂的影响则最小。高炉水渣改性土的膨胀率随掺量先降低，当掺量大于15%后，膨胀率的值有所升高。石灰对膨胀土的膨胀率的影响仅在掺量为4%～6%时最为明显。随着掺量的增加，水泥改性土的自由膨胀率呈线性大幅减低。

图6　自由膨胀率-改性材料掺量　　　　　　　图7　无荷载膨胀率-改性材料掺量

3改性材料对膨胀土强度特性的影响

表2　各膨胀土的强度指标

根据文献[1,3-5,7-10]得到各膨胀土的强度指标如表2所示。表中各膨胀土及其强度指标和改性土所对应的参考文献与表1的参考文献对应方法相同，并通过整理分析以上文献的相关数据，用Origin7.5绘制出各改性膨胀土的粘聚力、内摩擦角和无侧限抗压强度随改性材料掺量的变化关系图，如图8—图10所示。

3.1对膨胀土抗剪强度的影响

3.1.1对粘聚力的影响

从图8可以看出，随着掺量的增加，高炉水渣和石灰改性土的粘聚力大幅度增加，碱渣改性土的粘聚力先增大，当掺量大于其适宜掺量(30%)后，粘聚力随掺量的增加而减小。当掺砂量较小时(0～10%)，风化砂改性土的粘聚力随着掺砂量的增加而增大，当掺砂量大于10%后，风化砂改性土的粘聚力随掺砂率的增大而逐渐减小，粘聚力减小的幅度先减小后增大。

当碱渣掺量较小时，碱渣和膨胀土之间发生化学反应，产生的新络合物增加了改性土的密实度[7]，当掺量大于30%后，由于碱渣本身是无粘聚力的粉土材料，过多的掺入碱渣反而会使改性土的粘聚力下降。风化砂没有粘性，当掺砂比例增大时，整个土体的粘性逐渐降低，当掺砂比例大于40%时，风化砂颗粒几乎将膨胀土颗粒完全包裹住，导致土体的粘性迅速衰减[11]。

3.1.2对内摩擦角的影响

从图9可以看出，随着掺量的增加，各改性土的内摩擦角均较对应的纯膨胀土有所提高。当掺渣量较低时(0～20%)，碱渣改性土的内摩擦角随掺量的增加略有增大，当掺量继续增加，其内摩擦角值整体呈下降趋势，并接近纯膨胀土的内摩擦角值。

3.2对膨胀土无侧限抗压强度的影响

从图10可以看出，水泥窑灰对膨胀土的无侧限抗压强度改良效果最好。风化砂改性土的无侧限抗压强度随掺量的增加先增大后下降，当掺砂量增至50%时，无侧限抗压强度降低到226 kPa，远远低于初始强度值。高炉水渣改性土的无侧限抗压强度随掺量的增加而降低。水泥和石灰改性土的无侧限抗压强度随掺量的增加而增大，并且水泥改性土的增大速率有提高的趋势。粉煤灰对膨胀土的无侧限抗压强度影响很小，可忽略不计。碱渣改性土的无侧限抗压强度随掺量的增加先增大后减小。

综上，向膨胀土中添加改性材料能够降低其可塑性，从而降低其胀缩性。一方面是改性材料中的高价阳离子与膨胀土中低价阳离子发生离子交换作用，使得土粒双电层中的扩散层变薄，导致结合水减少，从而使粘土颗粒间的结合力增强。另一方面离子交换对粘土颗粒还能产生絮凝或团聚作用，使土的组织结构发生变化，减小了粘粒含量，从而导致颗粒的比表面积减小，表面能降低，亲水性减弱。而风化砂和碱渣等降低膨胀土的可塑性主要是通过自身的掺入置换出了一部分膨胀土从而降低了其可塑性。

膨胀土中加入改性材料后，发生离子交换、聚凝和团聚等作用，使粘土颗粒相互靠拢，颗粒间结合力增大，并形成大的土团粒，增强了膨胀土的前期强度；同时，改性材料与膨胀土还发生碳酸化、凝胶等作用，形成新的化合物，而新生成的物质或自身硬凝，或发生胶结作用，改变膨胀土的结构，也会使土体强度增强。此外，文献[12-14]也表明，经过一定时间的养护，以化学改良为主的改性材料可以更加有效地降低膨胀土的可塑性和膨胀性，并提高膨胀土的后期强度。

4结论

(1)水泥和水泥窑灰对降低膨胀土可塑性效果最好，而碱渣对降低其膨胀性质效果最好；石灰和高炉水渣能显著提高膨胀土的抗剪强度，水泥和水泥窑灰则对无侧限抗压强度的改良效果最好。

(2)各改性材料的掺量并不是越多越好，而是存在一个适宜掺量值，石灰的适宜掺量为8%、高炉水渣的适宜掺量为15%，碱渣的适宜掺量为30%，粉煤灰的适宜掺量为14%～16%、风化砂的适宜掺量为15%～20%，而水泥窑灰的适宜掺量为15%～25%。

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[12]崔伟,李华銮,穆乃敏.石灰改性膨胀土工程性质的试验研究[J].岩土力学,2003,24(4):606-609.

[13]梁勇,曾尚.水泥改良膨胀土抗剪强度室内试验研究[J].南阳理工学院学报,2013,5(3):79-82.

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[责任编辑：魏 强]

Research on engineering properties of modified expansive soil

SI Dong-dong,CUI Su-li,WANG Xue-pan,DU Yan-feng

(State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geological,Northwest University, Xi’an 710069, China)

Abstract:Expansive soil has great destructive influence on the buildings on it because of its property of shrinkage and swelling. And modification materials are usually added to expansive soil to improve its engineering properties. The paper mainly analyzes the modification effect of modification materials on expansive soil engineering properties for water-physical, compaction property, swelling and shrinkage properties and strength property, which mixed with lime, cement, weathered sand, fly ash, granulated blast furnace slag, cement kiln dust and soda residue respectively. The mechanisms of modification for various modification materials on expansive soil are discussed. And the optimal ratios of each modification materials are proposed, which provides a theoretical basis for improving the engineering properties of expansive soil in actual projects.

Key words:expansive soil;modification materials;modification effect;modification mechanism

[中图分类号]TU443

[文献标识码]A

作者简介：司冬冬(1990—)，男，陕西省华阴市人，西北大学硕士研究生，主要研究方向为地质灾害防治；[通信作者]崔素丽(1980—)，女，河北省行唐县人，西北大学讲师，硕士生导师，博士，主要研究方向为地质工程。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41402260)；西北大学大陆动力学国家重点实验自主研究课题(2013-13)

收稿日期：2015-10-14修回日期：2015-11-24

[文章编号]1673-2944(2016)02-0014-05