石灰改良膨胀土的工程特性试验研究

2019-05-1533

广西大学学报（自然科学版） 2019年2期

(1.深圳市勘察测绘院有限公司广东深圳518028；2.桂林理工大学土木与建筑工程学院, 广西桂林541004；3.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004)

0 引言

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种具有多裂隙性和显著胀缩特性的特殊性黏土[1]，其主要矿物成分由强亲水性的蒙脱石或伊利石所构成，具有吸水膨胀软化和失水收缩硬裂两大特性，且经常发生反复的干缩湿胀变形。据统计，在世界范围内，每年因膨胀土而造成的直接经济损失超过50亿美元[2]，仅美国就达20亿美元之多[3]。因此，膨胀土问题被称为“工程中的癌症”[4]。

膨胀土发生上述灾变的主要原因在于其工程特性发生了不可逆转的劣化，而这些变化都是由于膨胀土特殊的矿物成分和独特的微孔隙结构引起的。在工程实践中，人们往往利用物理[5-6]、化学[7-8]、生物[9-10]等方法对膨胀土进行改良，以达到改善膨胀土的工程性质、防治膨胀土灾变之目的。在工程中被广泛推广应用的是石灰改良膨胀土：顾明芬[11]、陶飞飞[12]、刘林芽[13]等研究了石灰改良膨胀土的物理力学性能；莫红艳[14]、张义贵[15]等探讨了石灰改良膨胀土的路用性能及施工技术；Guney[16]、Kalkan[17]、Runigo[18]等研究了石灰改良膨胀土的干湿循环效应及水稳定性；上述研究结果表明该方法具有改性效果好、施工推广度高、经济效益好等优点。但是，目前对于石灰改良膨胀土的工程特性尚缺乏系统的研究，在工程实践过程中也未能有效地确定掺灰比和养护龄期。因此，有必要对石灰改良膨胀土的工程特性进行室内试验研究。

本文对素膨胀土和不同掺量的石灰改良膨胀土进行了一系列室内实验，获得其物理、力学、水理性质等指标的变化规律，在此基础上对石灰改良膨胀土的工程特性进行了相关分析，可为石灰改良膨胀土在铁路工程方面的应用提供有效的参考依据。

1 石灰改良膨胀土的作用机理

石灰作为一种气硬性胶凝材料，可与黏土矿物中的活性铝、硅矿物发生火山灰反应，生成含水的硅酸钙和铝酸钙等胶结物，广泛应用于地基、路基、砌块、墙体抹面等工程方面，目前国内外学者对于石灰作为膨胀土改良剂已有较为成熟的研究，石灰可与膨胀土发生一系列的物理化学反应，生成的物质改变了土体的力学性能及基本物理性质，从而使得膨胀土的不良工程特性得以控制，其改良机理主要集中在以下几个方面：

①离子交换反应

膨胀土中的膨胀性矿物(蒙脱石和伊利石)是膨胀土具有膨胀性的主要原因，由于在静电力的吸引下，表面带有一定负电荷的黏土颗粒周围吸引了大量带Na+、K+的水化阳离子，从而导致膨胀土土颗粒间存在着较厚的吸着水膜，吸着水膜厚度的变化可显著影响膨胀土的物理力学特性。石灰加入膨胀土后，石灰电解生成Ca2+、Mg2+，这些高价阳离子可与Na+、K+发生置换反应。由于双电子层厚度与孔隙中阳离子的价数成反比，因此石灰的掺入可减小膨胀土的吸着水膜厚度，从而降低了膨胀土的膨胀性。

②胶结作用

石灰属于无机性胶凝材料，在高碱性的条件下，石灰掺入膨胀土中可与土中大量存在的活性硅、活性铝在碱性条件下发生反应生成氢氧化钙硅和氢氧化钙铝，从而使得土体强度得到提高。火山灰反应则是生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，这些胶凝材料具有水硬性，可在水中逐渐硬化，随着养护龄期的增加从而使石灰改良土的强度和水稳性不断增加。

③碳化作用

土中未反应的石灰在长期过程中可与空气中的二氧化碳发生反应，生成碳酸钙，整个反应在有水的条件下进行，由于石灰与空气中二氧化碳接触面积较小，因此碳化作用是一个缓慢的过程。反应生成的碳酸钙为结晶体，对膨胀土的胶结作用起到了一定的促进作用，对改良土的后期强度和水稳性的影响主要体现在后期。

④硬凝反应

石灰加入膨胀土中，经过一定的物理和化学反应，石灰改良土可发生团聚，并产生胶凝物，形成胶凝团聚结构。随着养护龄期的增加，土体中不断有棒状和纤维状的结晶生成，构成了网状的结晶体结构，胶凝结构会不断加厚，网架不断加密，从而使石灰改良土的稳定性得到了进一步的提高。

2 试验概述

2.1 试验材料

试验用土取自南宁至广州高速铁路南宁东站附近，取土深度约2.0 m；土样取回后，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[19]进行了土粒相对密度、天然含水率、密度、界限含水率、自由膨胀率等试验，结果见表1。由表1可知，膨胀土样的塑性指数为28.9，液限大于50 %，塑性指数大于0.73(ωL-20)，按照《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)[20]，该土样可划分为高液限黏土(CH)；该土样自由膨胀率为54 %，由于40 %<54 %<65 %，按照《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112—2013)[21]规定，该土样属弱膨胀性土。

表1 膨胀土基本物理性质指标Tab.1 Basic physical properties of expansive soil

2.2 试验方案

2.1.1 物理性能试验

石灰改良膨胀土可以作为铁路路基的填筑材料，其自由膨胀率、界限含水率和击实性能(最优含水率和最大干密度)是最关键的参数。因此，分别对不同石灰掺量的膨胀土试样进行上述三种物理性能试验。

①自由膨胀率试验

将试验土样风干碾碎过0.5 mm筛，分别按照0 %、2 %、4 %、6 %、8 %的质量百分数掺加消石灰，拌和均匀，养护时间分别为7 d、14 d、28 d。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[19]进行上述土样的自由膨胀率试验。

②界限含水率试验

将试验土样风干碾碎过0.5 mm筛，分别按照0 %、2 %、4 %、6 %、8 %的质量百分数掺加消石灰，拌和均匀。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[19]进行上述土样的界限含水率试验。

③击实试验

将试验土样风干碾碎过5 mm筛，分别按照0 %、2 %、4 %、6 %、8 %的质量百分数掺加消石灰，拌和均匀。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[19]，每组试验分别配置5种不同含水率的土样，由于掺入的石灰需要一定的反应时间，因此，所有试样静置养护3 d后进行击实试验。

2.1.2 力学性能试验

抗剪强度是膨胀土力学性能参数中最典型的一个指标。因此，本次试验主要通过直剪试验探究不同石灰掺量、不同养护龄期对石灰改良膨胀土抗剪强度的影响。具体方案和试验过程如下：①将试验土样风干碾碎过2 mm筛，分别按照0 %、2 %、4 %、6 %、8 %的质量百分数掺加消石灰，拌和均匀；②按上述素膨胀土(石灰掺量0 %)击实试验得出的最优含水率加水，在恒温恒湿的条件下静置24 h，使土样含水率均匀；③采用静压法将含水率均匀的土样压制成环刀样(内径61.8 mm，高20 mm)，环刀样的密度之差小于0.01 g·cm-3；④将制备的环刀试样分别放置在相同含水率的粉土中进行养护，表面铺盖一层保鲜膜，养护时间分别为1 d、7 d、14 d、28 d；由于养护时间较长，需定期测定粉土含水率，防止试样含水率发生过大变化；⑤采用抽气真空饱和法对试样进行饱和，饱和度在95 %以上时满足试验要求；⑥按照土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[19]进行快剪试验，每组4个试样。

2.1.3 水稳性试验

工程实践中，膨胀土工程性质劣化引发的灾变问题大部分与自然环境中的水密切相关，尤其是干湿交替频繁的大气环境常常引起膨胀土体中水分发生迁移，致使土体产生湿胀干缩和裂纹。因此，对石灰改良膨胀土开展干湿循环试验，探讨其水稳定性能。具体方案和试验过程如下：

①试样制备

按2.1.2节步骤1)～4)制备环刀试样，按石灰掺量(质量百分数：0 %、2 %、4 %、6 %、8 %)分为5个大组，每大组按干湿循环次数(0次、1次、2次、3次、4次、5次、6次)又分为7个小组，每个小组4个环刀试样，一共140个试样。

②干湿循环

为了模拟自然环境中膨胀土经历雨季和旱季的干湿循环过程，室内干湿循环过程中，采用环刀试样在恒温恒湿条件下进行浸水和脱湿试验。

浸水过程：环刀试样放置在透水石上，透水石和试样之间放置滤纸，防止土颗粒堵塞透水石。加水淹没透水石至试样的2/3高度处，利用土体的毛细吸力作用吸水至试样饱和，此为一个湿循环。

脱湿过程：在恒温恒湿条件下，将试样放置在阴凉处自然风干，由于自然环境中膨胀土在干旱季节有一个较为稳定的含水率(根据现场调查，该稳定风干含水率为15 %)，因此在风干过程中采用称重法控制含水率，达到15 %时即完成一个干循环。

完成一个湿循环和一个干循环即为一次干湿循环，上述140个试样分组完成0～6次干湿循环过程。

③体积量测

干湿循环过程中，对每个完成干循环和湿循环的试样进行体积量测，采用游标卡尺分3次量测试样直径和高度，取平均值作为体积计算的直径和高度值。

④直剪试验

对完成干湿循环的试样采用抽气真空饱和法进行饱和，饱和度在95 %以上时满足试验要求；按照土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[19]进行快剪试验，每组4个试样。

3 试验结果及分析

3.1 物理性能试验

不同掺量石灰改良膨胀土的自由膨胀率试验、界限含水率试验和击实试验的结果如图1～图3所示。

图1表明石灰掺量对膨胀土的自由膨胀率产生了显著影响，仅仅掺加了2 %的石灰，自由膨胀率δef由素膨胀土(石灰掺量为0)的54 %迅速降至14 %左右，降幅高达76 %；随着石灰掺量的增加，自由膨胀率δef继续降低，但是降低速度缓慢，石灰掺量为4 %时，自由膨胀率降幅为82 %，后面的降幅基本维持不变。这主要是因为石灰水解生成的Ca2+、Mg2+高价阳离子与膨胀土中黏土矿物Na+、K+低价离子发生置换反应，减小了膨胀土的吸着水膜厚度，从而降低了膨胀土的膨胀性；但是黏土矿物中Na+、K+离子数量是一定的，所以随着石灰掺量的增加，离子交换速率变慢，所以自由膨胀率降低速度也渐缓慢并趋于稳定。由图1可知，不同石灰掺量的膨胀土自由膨胀率均满足δef≤ 40 %的要求，按照《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112—2013)[21]规定，所有的石灰改良膨胀土不具有膨胀性。由于自由膨胀率试验是在溶液中进行，石灰和膨胀土黏土矿物的反应均以离子交换的形式进行，所以养护龄期对此影响不明显，图1中3种不同养护龄期的石灰改良膨胀土自由膨胀率变化曲线近乎重合刚好证明了这一点。

图1 自由膨胀率与石灰掺量的关系
Fig.1 Relationship between freeswell ratio and lime content

图2 界限含水率与石灰掺量的关系
Fig.2 Relationship between waterratio limit and lime content

(a) 干密度与含水率的关系

(b) 最大干密度、最优含水率与石灰掺量的关系

图3 击实试验结果
Fig.3 Compaction test results

图2表明石灰改良膨胀土的界限含水率指标，相比素膨胀土而言有明显改善；随着石灰掺量的增加，液限含水率和塑性指数递减，塑限含水率递增；石灰掺量为2 %时，相对素膨胀土，液限含水率和塑性指数分别降低了15 %和33 %，塑限含水率增加了6 %；石灰掺量为4 %时，相对素膨胀土，液限含水率和塑性指数分别降低了19 %和46 %，塑限含水率增加了13 %；此后，随着石灰掺量的递增，界限含水率的变化幅度逐渐减小。另一方面，当石灰掺量为4 %时，改良膨胀土的塑性指数降低为15.5 %，较好地满足了作为一般路用高液限黏土材料的基本要求。上述现象可以这么解释：石灰与黏土矿物反应，立刻发生离子交换和絮凝作用，其中离子交换作用与黏粒(<0.002 mm)含量有直接关系，由于黏粒具有比较大的比表面积，其含量越高，颗粒表面电荷所形成的的表面能就越大，相应的离子交换能力就越强，离子交换作用就越显著。离子交换的结果使土粒的双电层变薄，结合水减少，因此降低了土粒之间的结合力；其宏观现象就是界限含水率的变化。

图3表明随着石灰掺量的增加，改良膨胀土的最大干密度递减，最优含水率递增。石灰掺量为2 %时，相对素膨胀土，最大干密度减少了4.4 %，最优含水率增加了3.0 %；石灰掺量为4 %时，相对素膨胀土，最大干密度减少了7.5 %，最优含水率增加了5.9 %；此后，随着石灰掺量的递增，上述二者的变化幅度逐渐减小。上述现象可以从两个方面来解释：一方面，由于石灰加入膨胀土中，经过一定的物理和化学反应，石灰改良土可发生团聚，并产生胶凝物，形成胶凝团聚结构，导致黏土颗粒减少，团聚体内孔隙增多，也就是说土体内部孔隙体积增加了，因此最大干密度随石灰掺量的增加而减少；而这部分团聚体内孔隙可以吸收更多的水分，因此最优含水率随石灰掺量的增加而递增。另一个方面，石灰在水解的过程中，需要吸收周围土体的大量水分，因此，随着石灰掺量的增加，土体需要更多的水分补充以便石灰能够充分水解，这就是石灰改良膨胀土最优含水率递增的另一个原因。

3.2 力学性能试验

石灰改良膨胀土直剪试验结果如图4～图5所示。

(a) 黏聚力

(b) 内摩擦角

图4 黏聚力、内摩擦角与石灰掺量的关系
Fig.4 Relationship between cohesion force & internal friction angle and lime content

图4显示了直剪参数(黏聚力c、内摩擦角φ)随石灰掺量的变化曲线，由此可以看出：随着石灰掺量的增加，土的黏聚力和内摩擦角均呈现出不同程度递增的趋势。主要原因是石灰掺入膨胀土中可与土中大量存在的活性硅、活性铝在碱性条件下发生反应生成氢氧化钙硅和氢氧化钙铝，从而使得土体黏结强度得到提高。另一方面，火山灰反应生成的硅酸钙、铝酸钙胶体使得土颗粒胶结成团粒，增大了颗粒间的咬合力，在这个过程中土体的黏聚力和内摩擦力均大幅度的增加，从而表现出黏聚力和内摩擦角随石灰掺量递增而递增的特点。具体来看，图4中石灰改良膨胀土抗剪强度在石灰掺量2 %～6 %之间呈现出明显增加的趋势：以1 d养护期曲线为例，石灰掺量为2 %、4 %、6 %时，相对素膨胀土(0 %)而言，黏聚力c的增长幅度分别为126 %、180 %、238 %，内摩擦角φ的增长幅度分别为111 %、139 %、200 %。但是，在石灰掺量6 %～8 %之间强度增长速度渐渐缓慢，掺量为8 %时，相对素膨胀土(0 %)而言，黏聚力c和内摩擦角φ的增长幅度分别为248 %和219 %，但是与掺量6 %的强度值相比，上述二者的增长幅度仅仅分别提高了10 %和19 %。由此得到结论：过量的石灰掺量并不能起到大幅度增加石灰改良膨胀土体强度的作用，石灰掺量4 %是一个比较合理的数值。

图5显示了直剪参数(黏聚力c、内摩擦角φ)随养护龄期的变化曲线，由此可以看出：随着养护龄期的增加，黏聚力c呈现明显递增趋势，内摩擦角φ并没有发生明显变化而在一定范围内波动。具体地分析，图5(a)中不同掺量石灰改良膨胀土的黏聚力随养护龄期的递增而增大，表现出变化趋势的一致性。在1 d养护龄期，相对素膨胀土(0 %)而言，黏聚力c呈现出较大的强度增长：石灰掺量为2 %、4 %、6 %、8 %时，c的增长幅度分别为126 %、180 %、238 %、248 %；同时，由图5(a)各曲线的斜率可以看出，养护龄期0～7 d、7～14 d和14～28 d各段内的增长速率是不一样的，由大到小依次排列为：(0～7 d)>(7～14 d)>(14～28 d)。因此，养护龄期7 d左右是石灰改良膨胀土强度发展的高峰期，而14～28 d是强度增长的缓慢期，其前期黏聚力发展较为迅速的原因主要由石灰中的Ca(OH)2与土体中的活性硅、铝矿物发生火山灰反应生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙的胶结作用，而后期黏聚力发展缓慢的因素可能是由于Ca(OH)2与空气中二氧化碳反应生产了不溶性的CaCO3的包裹作用阻止了Ca(OH)2火山灰反应继续发生。图5(b)中不同掺量石灰改良膨胀土的内摩擦角随养护龄期的增加而无规律性变化，表明养护龄期对于内摩擦角的增长并没有明显的作用，原因在于：尽管石灰的掺入能在短期内改变层间结合水的状态和土颗粒间咬合力的作用方式，但是这些作用只能在1 d龄期内引起内摩擦角的增长，如石灰掺量为2 %、4 %、6 %、8 %时，相对素膨胀土而言，内摩擦角φ的增长幅度分别为111 %、139 %、200 %、219 %。随着龄期的增加，这些作用就微乎其微，对内摩擦角的影响几乎可以忽略不计。

(a) 黏聚力

(b) 内摩擦角

图5 黏聚力、内摩擦角与养护时间的关系
Fig.5 Relationship between cohesion force & internal friction angle and curing period

3.3 水稳性试验

石灰改良膨胀土的水稳性试验结果见图6～图8。

图6显示了不同掺量的石灰改良膨胀土试样在经历了4次干湿循环后的裂纹开展情况：石灰掺量2 %的膨胀土试样表面出现裂隙和脱环现象，4 %掺量石灰改良膨胀土仅出现脱环现象并未有明显的宏观裂隙产生，6 %及8 %掺量的石灰改良膨胀土试样表面完整、无颗粒脱落现象，也无贯穿裂隙的发展，土样收缩明显减小，未出现脱环现象；这表明石灰掺量的增加可有效的降低膨胀土的胀缩特性和裂隙的开展。众所周知，膨胀土具有显著的湿胀干缩现象，干湿循环过程会促使土体裂隙的开裂和发展；但是石灰的掺入可减小膨胀土的吸着水膜厚度，从而降低了膨胀土的膨胀性，这在前文中已经得到证实；同时，石灰与膨胀土发生的胶结作用、碳化作用和硬凝反应会促使石灰改良土的稳定性得到进一步的提高。因此，随着石灰掺量的增加，石灰改良膨胀土的裂隙性和胀缩性不断弱化而出现如图6所示的现象。

(a) 石灰掺量2 %

(b) 石灰掺量4 %

(d) 石灰掺量8 %

图6 干湿循环后不同掺量的石灰改良膨胀土试样
Fig.6 Improved expansive soils with different lime content after wetting and drying cycles

上述干湿循环后试样形态的变化情况只能定性地观察石灰改良膨胀土的水稳性情况，不能定量地反映出石灰掺量对膨胀土水稳性的影响。为了定量研究石灰改良膨胀土的水稳性，采用干湿循环过程中土样的相对膨胀率δr和绝对膨胀率δa来描述改良膨胀土在干湿循环过程中的胀缩特性。

(1)

(2)

式中：δa为绝对膨胀率，δr为相对膨胀率；hi为试样第i次干湿循环后膨胀稳定高度，hi-1为试样第i-1次干湿循环后风干稳定高度，h0为试样初始高度。

图7显示了干湿循环过程中试样的绝对膨胀率和相对膨胀率随干湿循环次数的变化规律：在干湿循环过程中，素膨胀土的绝对膨胀率和相对膨胀率均较大，其绝对膨胀率呈现递增的趋势，在前2次干湿循环中具有较大增幅，在经历3次干湿循环后趋于稳定，其相对膨胀率在第一次干湿循环后呈现出降低的趋势；对比石灰改良前后的数据可以发现，石灰改良膨胀土具有较低的膨胀性，整体上随着石灰掺量的增加，其绝对膨胀率和相对膨胀率都有较大幅度的降低；其中石灰掺量为2 %时，随着干湿循环次数的增加，其绝对膨胀率呈现增加趋势，原因是干湿循环破坏了石灰改良膨胀土中生成硅酸钙的胶结能力，但当石灰掺量大于4 %时，石灰改良膨胀土表现出更好的水稳性，原因是更多石灰的掺入可以使土体中亲水性黏粒数量进一步减少，减小了黏粒的双电子层厚度，而且随着在干湿循环过程能够继续进行火山灰反应产生更多的胶结物质，从而使土体能够保持体积稳定。

(a) 绝对膨胀率

(b) 相对膨胀率

图7 石灰改良膨胀土的膨胀率随干湿循环的变化规律
Fig.7 Change rule of swelling ratio of lime-improved expansive soil with the drying-wetting cycle

图8显示了干湿循环过程中石灰改良膨胀土抗剪强度指标随干湿循环次数的变化规律。由此可看出，素膨胀土和石灰改良膨胀土的黏聚力c随干湿循环次数的增加而递减，干湿循环对内摩擦角φ的影响不明显，这符合多数学者对膨胀土干湿循环效应的研究结论[22-24]。图8也表明，对于同一次循环，随着石灰掺量的增加，石灰改良膨胀土的黏聚力和内摩擦角均有较大幅度的增加，主要原因在于：由于石灰可与土中的活性铝、硅矿物发生火山灰反应，生成含水的硅酸钙和铝酸钙的等胶结物，从而在养护一定龄期后能大大提高土体强度和水稳性；同时石灰同空气中的二氧化碳也可发生碳化反应，从而能进一步增强土体的整体强度。

(a) 黏聚力

(b) 内摩擦角

图8 抗剪强度指标与循环次数的关系
Fig.8 Relationship between shear strength index and cycle number

同时由图8可以看出，在干湿循环过程中，石灰改良膨胀土在1～2次干湿循环后土体的黏聚力降低幅度逐渐减小，并趋于稳定，2 %掺量石灰改良土黏聚力降低幅度较4 %以上掺量降低幅度大，说明4 %以上掺量的石灰可发生更多的火山灰反应从而产生更多的胶结物质，从而增加了石灰改良膨胀土的水稳性；但6 %和8 %的石灰掺量对黏聚力的提升幅度相当，因此可以认为过多的石灰掺量并不能过大的提高膨胀土的强度和水稳性，石灰掺量4 %是一个比较合适的数值。