降低强膨胀土膨胀率提高抗剪强度的复合改良剂筛选

沈泰宇，邢书香，汪时机，程明书，黄 伟



降低强膨胀土膨胀率提高抗剪强度的复合改良剂筛选

沈泰宇，邢书香，汪时机※，程明书，黄 伟

（西南大学工程技术学院，重庆 400716）

为减小膨胀土对土木工程设施和农业生态环境的严重危害，该文进行复合改良膨胀土方法的室内试验。利用离子交换、高分子成膜作用，使用不同配比的石灰（CaO）、氯化钾（KCl）、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）、聚丙烯纤维组合对膨胀性土壤进行复合改良。通过54组自由膨胀率试验筛选出自由膨胀率低于40%且性价比高的改良组合（改良剂以质量分数计，下同）：0.8%PVA+5%KCl、0.8%PVA+4%CaO。最后根据2种组合设计5组（天然膨胀土、添加0.6%聚丙烯纤维、0.8%PVA+5%KCl、0.8%PVA+5%KCl+0.6%聚丙烯纤维、0.8%PVA+4%CaO）三轴压缩剪切试验，测定抗剪强度并比较改良效果。自由膨胀率试验、三轴压缩剪切试验结果表明复合改良方法效果显著。经过0.8%PVA+5%KCl的混合溶液改性，并添加0.6%聚丙烯纤维改良后的土样自由膨胀率由130%降至27%，三轴抗剪强度提高15%；经过0.8%PVA+4%CaO的混合溶液改性的土样自由膨胀率由130%降至33%，三轴抗剪强度提高110%。研究表明：PVA的成膜效应能强化KCl、CaO对膨胀土水化膨胀的抑制作用；KCl、PVA对聚丙烯纤维提高抗剪强度有抑制作用；聚丙烯纤维能有效减少膨胀土裂隙的萌生，提高抗剪强度。该文提出的强膨胀土复合改良方法的有效性得到了室内试验的验证，可以为今后工程建设中膨胀土的改良、水土流失防治等提供参考。

抗剪强度；聚乙烯醇；聚丙烯；成膜效应；复合改良方法；膨胀土；自由膨胀率

0 引 言

膨胀土是一种富含蒙脱石、伊利石等亲水性矿物，具有明显胀缩性的多裂隙黏性土[1]。在自然状态下，膨胀土反复发生湿胀和干缩变形，由原生裂隙发育出大量不均一的次生裂隙，严重破坏土体完整性，降低强度[2-3]。膨胀土会导致地基失稳，对轻型建筑、公路、机场、边坡、农田水利等土木工程设施造成巨大的危害，研究表明膨胀土每年在全球会带来超过50亿美元的经济亏损[4]。为消除、减小膨胀土的危害，可采用换土法、桩基法等常用工程处理措施[5]以及添加石灰等化学改良剂改性措施[6-7]。近10多年来换土法广泛使用[8]，用大量的非膨胀土置换膨胀土。膨胀土破坏农业设施且不利于植被生长[9]，常用工程措施弃土占地，导致水土流失，严重影响农业生态环境[10-11]，化学改良由于具有较好的性价比而受到重视[12-13]。董双快等[14]运用铁改性生物炭促进土壤中砷形态转化，使植物对砷的吸收明显降低；王金满等[15]运用脱硫石膏改良碱化土壤取得良好的效果；黄丽花等[16]使用聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）对黄土高原主要土壤类型水稳定性团聚体的改良效果明显。化学改良土壤已被普遍使用来防治水土流失。石灰类改良剂不能有效提高膨胀土抗剪强度，有机类改良剂经济成本较高，单一改良剂改良膨胀土难以达到更好的效果和更高的安全要求。王保田等[17]采用CTMAB[CaO]改良剂处理膨胀土，刘清秉等[18]使用离子土壤固化剂改良膨胀土，使膨胀性得到明显改善，证明复合改良膨胀土的方法是可行的。

研究表明[19]，在膨胀土中添加石灰改良剂是现在工程建设中运用最成熟的化学改良方法。K+因其在常见阳离子中具有最低水化能，能有效抑制黏土的水化膨胀[20]。聚乙烯醇能结合双电子层中的阳离子形成复杂的化合物提高黏土耐水性[21]。聚丙烯纤维能相互交织与土颗粒形成空间网状结构，提高土体的完整性，阻止裂隙开展[22]。本研究基于晶格扩张理论和双电子层理论（减小双电子层厚度来抑制胀缩性）的定性分析，配制由石灰、氯化钾、聚乙烯醇、聚丙烯纤维组成的不同改良剂组合，探讨复合改良剂抑制膨胀土胀缩、提高膨胀土抗剪强度效果及规律，以期为膨胀土的化学改良提供参考。

1 理论依据

1.1 膨胀土的胀缩机理

膨胀土水化膨胀可发生在黏土晶层之间或黏土颗粒之间。晶格扩张理论认为：水分子极易进入晶胞间形成水膜夹层，引起晶胞间距增大，导致膨胀土体积膨胀[23]。双电子层是由带有负电荷的黏土颗粒表面与吸附的水化阳离子层组成[24]，其内的离子能吸附水分子，被吸附的水分子在电场力作用下定向排列，在黏土颗粒的周围形成水化膜。由于水化膜增厚，黏土颗粒之间的距离增大，导致膨胀土体积膨胀、强度相对降低。

当双电子层热力电位（土颗粒矿物成分决定）不变时，土颗粒表面阳离子的价数越高，自由溶液中离子浓度越大，双电子层越薄，膨胀性越弱。同时，阳离子直径越大，双电子层越厚，膨胀性越强[25]。

1.2 改良剂作用原理

石灰、氯化钾的离子交换作用。Ca2+、K+置换出土颗粒表面的Na+等亲水金属阳离子，使双电子层变薄，减小胀缩性。Boek等[26]通过马尔科夫链（MC）模型研究不同膨胀土晶层膨胀过程表明，K+蒙脱土（K-MMT）的晶层间距远小于Na+蒙脱土（K-MMT）、Li+蒙脱土（K-MMT）；K+水化后仍然吸附于土颗粒表面，Na+、Li+充分水化后会立即离开土颗粒表面扩散为双电子层。K+能抑制双电子层形成，减小水化膜厚度。

石灰、氯化钾的胶结作用[8,27]：石灰溶液可以和膨胀土中硅、铝矿物发生反应，生成高强度的化合物：1）产生强黏结物质，并在强碱性条件下生成氢氧化钙铝、氢氧化钙硅；2）活性铝、硅矿物在Ca(OH)2溶液中生成含水的铝酸钙、硅酸钙等胶凝物。

Ca(OH)2+SiO2+H2O→CaO·SiO2·(+)H2O （1）

Ca(OH)2+Al2O3+H2O→CaO·Al2O3·(+)H2O （2）

式中,,,,为系数，根据具体的反应条件确定。

聚乙烯醇有良好的成膜性。高分子成膜后，对外的疏水基团可以阻止水分子进一步向黏土内部渗透[28]。聚丙烯纤维耐磨性、弹性好，强度高。当土体吸水膨胀时，纤维受力，在纤维与土颗粒之间产生约束力，抑制土体体积膨胀，并阻碍裂隙的开展[29]。4种改良剂复合作用，能通过削弱水分子吸附和阻止水分子进入等方面降低膨胀土膨胀性、生成高强度化合物和利用纤维约束力等方面提高膨胀土抗剪强度。

2 材料与方法

2.1 供试土壤及改良剂

试验采用邯郸膨胀土，其基本物理性质如下：相对密度2.72，干密度1.65 g/cm3，液限81.86%，塑限47.32%，塑性指数34.54，自由膨胀率为130%。自由膨胀率大于90%，属于强膨胀土[30]。塑性指数较大，含有大量的亲水性矿物。

改良剂：氧化钙（CaO），白色或带灰色颗粒粉末，纯度大于98%，溶于水；氯化钾（KCl），白色粉末，纯度大于98.5%，溶于水；聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA），絮状或粉末状固体，溶于水；聚丙烯纤维，3 mm长白色条状短纤维，不溶于水，均从生工Sangon Biotech购买。

2.2 自由膨胀率试验

分别对膨胀土、单一改良剂改良膨胀土、复合改良剂改良膨胀土进行试验，筛选出自由膨胀率低于40%（膨胀性体现为非膨胀土）[30]、改良耗材经济（性价比高）的改良组合。

2.2.1 改良剂制备

单一改良剂溶液制备：在烧杯中注入30 mL蒸馏水，然后放入相应的改良剂。用保鲜膜密封烧杯，轻微摇晃，待改良剂溶解完全。配制石灰溶液1%～8%（质量分数，下同）、氯化钾溶液3%～10%、聚乙烯醇溶液0.3%～1.0%。

混合溶液改良剂制备：0.4%、0.6%、0.8%聚乙烯醇溶液分别与3%、5%、7%、9%氯化钾溶液形成30 mL混合溶液；0.4%、0.6%、0.8%聚乙烯醇溶液分别与2%、3%、4%、5%石灰溶液形成30 mL混合溶液。

2.2.2 膨胀土改良

CaO、KCl、PVA改良膨胀土需在水溶液中发生反应，聚丙烯纤维直接添加在膨胀土中即可。

膨胀土中的水会改变改良溶液（CaO、KCl或PVA改良液）浓度，故将过0.5 mm筛的土样在电热鼓风干燥箱（精度0.1 ℃，重庆市松朗电子仪器有限公司）内，110 ℃下烘干，取烘干土样25 g加入装有30 mL改良溶液烧杯中浸泡24 h（图1a），然后在70 ℃条件下将烧杯中土样烘干，完成土样改良。同时，在过0.5 mm筛的烘干土样25 g中，分别按质量比0.2%（0.05 g）、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%均匀掺入长3 mm的聚丙烯纤维（图1b）。

a. 浸泡密封试样a. Soaking and sealing samplesb. 掺入聚丙烯纤维b. Adding polypropylene fiber

2.2.3 试验过程及指标计算

每组土样进行3次平行试验，3次结果相对误差控制在1%以内。在50 mL量筒注入30 mL蒸馏水，加入5 mL的5%NaCl溶液，用10 mL量土杯装满改良土样并倒入量筒内，然后用搅拌器上下搅拌悬液，最后用纯水冲洗搅拌器和量筒壁至试液达50 mL。待悬液澄清后，每2 h记录1次土面读数，至2次读数差值不超过0.2 mL，膨胀稳定，计算膨胀体积V。自由膨胀率[31]为

式中为自由膨胀率，%；V为试样膨胀稳定体积，mL；0为试样初始体积，10 mL。

2.3 三轴压缩剪切试验

根据自由膨胀率试验结果筛选出自由膨胀率低于40%且性价比高的复合改良组合，制备试样并测定其抗剪强度，观测裂隙情况。若测得抗剪强度低于未改良膨胀土（下文1#试样）时，则添加0.6%聚丙烯纤维提高抗剪强度。

2.3.1 试样制备

共制备5组试样，见表1。将重塑膨胀土（改变了原状土的含水率）以及改良膨胀土（处理方法同自由膨胀率试验）粉碎后过2 mm筛，分别在110和70 ℃下烘干24 h，取一定质量的蒸馏水均匀喷洒在土样上，使土样含水率达20%。试样直径为39.1 mm、高为80 mm，再根据含水率20%、相对密度2.72、干密度1.65 g/cm3计算得每个试样质量为190.00 g，试样制备在击样器内分5层击实，每层试样质量为38.00 g。各层接触面刨毛，待最后一层击实后，将试样两端整平，取出试样。

表1 三轴压缩试验试样处理方法

注：改良剂以质量分数计。

Note: Ameliorant is based on mass fraction.

2.3.2 试验过程

试验仪器：FLSY30-1型应力应变控制式非饱和土三轴仪，精度（轴力0.01 kN、轴向位移0.01 mm，进排水和体变0.001 mL），江苏溧阳永昌工程实验仪器厂、中国人民解放军后期工程学院联合研制。

5组试样均为控制净围压200 kPa和孔隙气压100 kPa的三轴固结不排水试验。在开始不排水剪切前，在净围压200 kPa、吸力100 kPa（吸力=孔隙气压-孔隙水压，固结时排水管与大气连通，孔隙水压为0）下固结，待排水量和体变稳定后在净围压200 kPa下开始剪切试验。判断稳定的标准是排水量和体积应变每2 h不超过0.012和0.063 cm3[32]。试验剪切速率为0.08 mm/min。当轴向应变大于15%时或偏应力不再增加时停止试验。仪器自动记录数据：轴力（kN）、轴向位移（mm）、进排水（mL）、体变（mL)。

2.3.3 指标计算

式中为轴向应变，%；Δ1为轴向位移，mm；0为试样初始高度80mm。1−3为偏差应力，kPa；为轴力，kN；0为试样初始断面积，0.001 200 m2。

根据偏差应力-轴向应变关系图，取最大破坏偏差应力(1−3)为破坏点，以剪应力为纵坐标、法向应力为横坐标，以(1−3)/2为圆心、(1−3)/2为半径作破坏应力摩尔圆，土体中任意点的应力状态为

式中为法向应力，kPa；为剪应力，kPa；为破坏面与大主应力作用面间的夹角，(°)。

土体最大抗剪强度为摩尔应力圆图半圆顶点所对应的纵坐标值；用数显角度尺（精度0.01°，盛泰芯科技生产）测量剪切试样破坏截面角度代入式（7）得

3 结果与分析

3.1 自由膨胀率分析

聚丙烯纤维含量对膨胀土的影响见图2a。最低为100%，大于40%，未满足要求；聚丙烯纤维质量分数大于0.6%后，随含量增加无明显降低，不经济，故复合改良时掺入0.6%聚丙烯纤维提高抗剪强度性价比较高。

聚乙烯醇溶液对的影响见图2b。最低为45%，大于40%，未满足要求；PVA质量浓度大于0.8%后，随浓度增加无明显降低，故0.8%PVA溶液性价比较高。

石灰、聚乙烯醇混合溶液对的影响见图2c。石灰质量浓度4%时，最低降至31%已符合改良要求；当石灰浓度不变时，聚乙烯醇溶液质量浓度从0增至0.8%，最多下降6%，聚乙烯醇与石灰复合作用效果并不明显。石灰质量浓度大于5%时，单一使用石灰呈上升趋势。离子交换能力和离子半径大小关系为Ca2+>Na+>Li+，半径大的Ca2+置换出大量半径小的Na+、Li+，离子直径的影响超过了溶液浓度以及离子价数的影响，从而导致双电子层增厚，土粒之间间距增大。

氯化钾+聚乙烯醇混合溶液对的影响见图2d。最低为20%，效果非常好；当氯化钾浓度不变时，聚乙烯醇溶液质量浓度从0增至0.8%，下降15%～29%，聚乙烯醇与KCl复合作用效果明显，二者复合作用效果远高于其单独作用。

综合自由膨胀率标准（<40%），性价比，并考虑试验时可能产生的误差影响，为确保应用安全，推荐4%CaO+0.8%PVA和5%KCl+0.8%PVA混合溶液为较好的配比。

3.2 三轴压缩剪切试验结果

由固结不排水三轴试验测得1#～5#试样的最大破坏偏差应力分别为856、1 276、712、978、1 826 kPa（图3）。1#～4#试样偏应力在轴向应变0～7%之间变化最快并达到峰值，之后趋于平缓；2#、4#试样（加0.6%聚丙烯纤维）的偏应力在轴向应变7%～13%时仍保持峰值；5#（4%CaO+0.8%PVA）试样偏应力在轴向应变0～6%之间变化最快并达到峰值，之后迅速下降。

破坏应力摩尔圆如图4所示。1#～5#试样的最大抗剪强度分别为428、638、356、489、913 kPa。与未改良土相比（1#），2#（加聚丙烯纤维）最大抗剪强度提高约50%，5#（4%CaO+0.8%PVA）提高约110%，3#（5%KCl+ 0.8%PVA）降低约20%；4#试样（5%KCl+0.8%PVA+ 0.6%聚丙烯纤维）提高约15%。经0.8%PVA+5%KCl+ 0.6%聚丙烯纤维混合溶液改性的土样自由膨胀率由130%降至27%；经0.8%PVA+4%CaO的混合溶液改性的土样自由膨胀率由130%降至33%。

如图5，1#～5#试样破坏后其截面角度分别为49.32°、46.72°、48.49°、49.68°、47.65°。其sin2在0.990～0.998之间，相差很小且都接近1。根据式（7），其破坏截面剪应力基本与最大抗剪强度一致，可通过最大抗剪强度比较其改良效果。

依据试验测定的抗剪强度，再结合观察截面凹凸程度和用手触碰的光滑程度定性分析试样表面粗糙程度2#>1#、4#>3#，1#>3#（图6）。试样掺入聚丙烯纤维后，纤维在土体中随机分布，纤维与纤维交织在一起与土颗粒形成空间网状结构，能提高土体的整体性，不易崩解；裂隙开展时，纤维与土颗粒之间的摩擦力大于土颗粒之间的摩擦力，形成凹凸不平的裂隙截面，表明提高了抗剪强度。氯化钾+聚乙烯醇处理后的膨胀土强度降低，加入纤维的效果也被减弱，其断开截面较为光滑，应是化学改良时生成了某种摩擦系数较小，强度低的反应物，但需进一步试验证实。从图5e看出，5#破坏时产生较多裂缝，卸压后土体直接解体：未添加纤维土体的整体性不强，改良生成的高强度反应物分布不均匀导致土体各部分干密度不同。改良处理时要注意均匀浸泡土样。

4 结论与讨论

本文通过自由膨胀率试验和5组三轴压缩剪切试验，研究经过不同方法改良后膨胀土的自由膨胀率以及抗剪强度变化规律，可得到以下结论：

1）聚乙烯醇、聚丙烯纤维单独使用不能将自由膨胀率降低至40%，未满足改良要求；聚乙烯醇与石灰、聚乙烯醇与氯化钾复合作用时，效果明显高于单独使用，自由膨胀率最低分别降为31%、20%；石灰+聚乙烯醇，聚丙烯纤维能明显提高膨胀土抗剪强度；聚丙烯纤维能抑制膨胀土裂隙萌生，并增强土体整体性。

2）5%氯化钾+0.8%聚乙烯醇混合溶液+0.6%聚丙烯纤维和4%石灰+0.8%聚乙烯醇混合溶液是2种效果很好的复合改良方法。实际应用可采用工厂预制混合溶液、现场土壤分层喷洒的方法,具体的推广应用需要进一步的设备设计和现场试验。

从试验结果分析出，聚乙烯醇对氯化钾，石灰抑制膨胀有促进作用；氯化钾+聚乙烯醇对聚丙烯纤维提高抗剪强度有抑制作用。促进和抑制作用机理有待进一步的研究。本文提出的膨胀土复合改良方法的有效性有待于进一步在实际应用中进行验证，可以为今后工程建设中膨胀土的改良提供参考。

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Complex ameliorants screening for reducing swelling ratio and improving shear strength of strong expansive soil

Shen Taiyu, Xing Shuxiang, Wang Shiji※, Cheng Mingshu, Huang Wei

(400716,)

More than 5 billion dollars economic loss is caused by expansive soil each year around the world. Soil chemical amelioration is better than the other methods, but better effect and higher safety cannot be achieved by a single ameliorant. In order to weaken serious damages to civil engineering facilities and agricultural ecological environment induced by expansive soils, composed ameliorants to improve the expansive soil were tested in laboratory tests in this paper. The low free swelling ratio (no more than 40%) and the high shear strength were required for the soil amendment. Expansive soil used for testing was collected from Handan in Hebei province in China. It was a strong expansive soil with 130% free swelling ratio (more than 90%) and contained large hydrophilic minerals. Based on the physical-chemical effect of ion exchange (to decrease thickness of hydration shell), polymer film-forming effect (to prevent hydrone from permeating clay particle) and so on, the combinations of different ratios of CaO (1%-8%), KCl(3%-10%), PVA(0.3%-1.0%), polypropylene fiber(0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%, 1.0%) were used to treat expansive soils. Based on the construction safety and experiment error, among 54 groups of free expansion ratio tests (using for measuring free swelling ratio), 5% KCl+0.8% PVA and 4% CaO+0.8% PVA had better improvement effect, and they were chosen for testing shear strength. A total of 5 groups were designed in triaxial compression tests: no amendment, 0.6% polypropylene fiber, 5% KCl+0.8% PVA, 5% KCl+0.8% PVA+0.6% polypropylene fiber, 4% CaO+0.8% PVA. They were tested for studying improvement effect by measuring axial force, axial strain and shear strength. The results showed that the improvement effects of composite ameliorants were remarkable. The free swelling ratio was reduced to 27% from 130%, and the shear strength was increased 15% by using the mixed solution of 0.8% PVA+ 5% KCl+0.6% polypropylene fiber. The free swelling ratio was reduced to 33% from 130%, and shear strength was increased 110% by using the mixed solution of 0.8% PVA+4% CaO. In addition, the research showed that the reduction of expansion rate due to adding KCl or CaO was reinforced by the film-effect of PVA and the increase of shear strength due to adding polypropylene fiber was weekend by KCl and PVA. Crack initiation of expansive soil was effectively reduced by adding polypropylene fiber and shear strength was improved too. The effectiveness of composed improvement methods of strong expansive soil was validated by the laboratorytests. The promotion and inhibition mechanism needs further research.

shear strength; polyvinyl alcohols; polypropylenes; film-effect; composed improvement methods; expansive soil; free swelling ratio

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.015

TU411.7; S156.2

A

1002-6819(2017)-02-0109-07

2016-04-28

2016-11-25

国家自然科学基金项目（11572262）；国家大学生创新创业训练计划项目（201510635052)；中央高校基本科研业务费专项资金项目（XDJK2016B006，XDJK2016D016）

沈泰宇，男，四川乐山人，主要从事膨胀土改性方面的研究。重庆西南大学工程技术学院，400176。Email：228585651@qq.com

汪时机，男，安徽安庆人，教授，主要从事水土力学方面的教学和科研。重庆 西南大学工程技术学院，400176。 Email：shjwang@swu.edu.cn

沈泰宇，邢书香，汪时机，程明书，黄 伟. 降低强膨胀土膨胀率提高抗剪强度的复合改良剂筛选[J]. 农业工程学报，2017，33(2)：109－115. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.015 http://www.tcsae.org

Shen Taiyu, Xing Shuxiang, Wang Shiji, Cheng Mingshu, Huang Wei. Complex ameliorants screening for reducing swelling ratio and improving shear strength of strong expansive soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 109－115. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.015 http://www.tcsae.org