皂化残渣改良膨胀土路基的自由膨胀率试验研究

王 超 孙路路 黄元德 郑建波

（山东滨化新型建材有限责任公司，山东 滨州 256600）

0 引言

由于膨胀土具有明显的胀缩性，使用膨胀土填筑路堤或者作为路堑地基时，在土体含水率发生变化的过程中会产生灾害性的变形，导致路面结构层发生破坏，危及行车安全。 因此，许多国家标准技术方法规定不得直接用膨胀土做路基填料，公路建设面临着要么用大量的非膨胀土对膨胀土进行置换，要么对膨胀土进行改良的问题。 若采用置换膨胀土的方法，往往会使工程造价大幅度增加，而且废弃不用的膨胀土也会造成环境污染。因此，研究膨胀土改良利用具有重要的社会价值和巨大的经济效益。

近些年来，随着膨胀土改良研究的不断深入，从最开始的换土法，到之后的化学改性法，其改良技术不断趋于成熟、经济、环保。其中，化学改性方法从根本上对膨胀土的性质进行改良，效果稳定可靠，具有很好的研究前景。在诸多化学改性方法中，比较成熟和常用的方法是在膨胀土路堤填料中掺入石灰、水泥等，其改良机理都是硅酸盐和铝的水化物与土颗粒相互间的胶结作用，胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用，从而降低液限，增大土体的抗剪强度。由于膨胀土在中国的很多地区分布广泛，实际工程中需要用大量的石灰、水泥对其进行改良处理使其达到相关的规范要求。虽然石灰、水泥的价格相对便宜，但是由于用量很大，在工程成本中占有比较大的比重，所以寻找更加经济、有效的改良剂和改良方法至关重要。

一方面膨胀土在中国广泛分布，对膨胀土进行经济、有效的改良处理非常必要，另一方面由于造化残渣的化学成分主要是氢氧化钙，我国的造化残渣在全国不仅分布广泛而且排出量非常巨大，同时对于此类固体废弃物的综合利用程度还远远不够。鉴于以上两个方面，本文以皂化残渣应用于膨胀土改良作为研究对象，使工厂排弃的无害固体废弃物安全而合理合格地使用在膨胀土改良中。

1 自由膨胀率试验

自由膨胀率作为反映土体膨胀性的一种指标，其与土体的粘粒含量、粘土矿物成分以及化学成分等均有着非常紧密的关系，用它可以对土体在没有结构力作用下的膨胀潜势进行测定，使得能够初步地判定土体的胀缩等级。作为判别膨胀土的指标，想要获得自由膨胀率指标十分容易。规范的定义为：自由膨胀率是膨胀土经历烘干粉碎之后，一定体积的松散土粒在水中无任何限制条件下进行充分吸水发生自由膨胀，体积增加趋于稳定之后的体积增量和初始体积的比值，用来判定粘性土在无结构力影响下的膨胀潜势，以百分比表示。按照下式计算土体的自由膨胀率：

式中：δef—自0由膨胀率(%)；

Vwe—吸水膨胀后体积(cm3)；

V0—烘干土自由堆积状态下体积(cm3)。

(1)将无颈漏斗放于支架上，漏斗的下口对准量土杯的中心并且保持l0mm 的距离，使用取土匙取适量的土样倒入漏斗中，一边倒一边用细铁丝搅动，直到量土杯装满土样并且开始溢出时移开漏斗，刮掉杯口的多余土，将量杯中的试样倒入匙内，再次倒入漏斗中并且落入量土杯中，刮掉多余的土，称量土杯的质量；

(2)重新取土样，重复步骤(1)，二次测定的差值不得大于0.1g；

(3) 往量筒内注入30ml 的纯水，并且加入5ml 浓度为5%的纯Nacl 溶液，将准备好的试样慢慢倒入量筒内，用搅拌器上下搅拌溶液各l0 次，用纯水淋洗搅拌器和量筒壁至悬液50ml，静置待悬液澄清后每间隔2h 测读一次土面高度(估读至0.1ml)，直到6h 内二次读数值不超过0.2ml 为止，如果土面倾斜读数取中值。

皂化残渣掺量(%) 自由膨胀率(%) 0 46 2 35 4 26 6 17

2 皂化残渣改良膨胀土的机理分析

对于高速公路工程中的膨胀土，一定要对其进行合理的处理才能在实际工程中应用。大量的工程应用反映化学类的处理方法对膨胀土的改良效果十分明显，它广泛地应用于工程中。因此，本文从化学处理法这个角度出发来考虑膨胀土的改良。

皂化残渣对膨胀土的改良机理方面，主要有以下两个方面：

(1)阳离子交换与絮凝作用：膨胀土中胀缩性的粘土矿物主要为伊利石与蒙脱石，它们大多数是由负电的胶粒与电子层外部的阳离子所构成，皂化残渣掺入膨胀土后，粘土矿物中吸附在粘土颗粒外面的低价金属阳离子就会马上和电石渣所具有的Ca2+产生离子置换，而离子的置换会导致双电层的厚度发生变化，从而引起粘土矿物表面的电荷增多，颗粒直接互相吸引产生絮凝状，使土体的初期强度得到加强。粘土矿物的阳离子层中大部分是单价的钾离子和钠离子，皂化残渣加入土中，在水的催化作用下，迅速分解为(OH)-与Ca2+。其中钙离子和钾、钠离子发生离子置换作用，从而使得胶体的吸附层厚度变得很薄，ξ-电位迅速减小，土体的胶粒之间迅速产生凝聚。而离子交换会引起土体变得分散并且使其粘土的塑性减小，同时增强了土体的微粒结构的稳定性与强度，该过程是随着皂化残渣中化学成分的离解与钙离子在土中的扩展而缓慢开展的，在皂化残渣刚开始掺入土中使反应较迅速，该过程中这种化学作用成为土体初期产生改变的主要因素。

(2)凝硬反应：随着反应时间的增加，皂化残渣与土的相互作用发展成为长久的阶段，也就是所谓的火山灰反应。它主要是指土体中所包含的活性Si、Al 等矿物成分在皂化残渣的碱性催化作用下出现离解，在水的外加作用下和氢氧化钙发生反应形成含水的铝酸钙与硅酸钙的一种化学反应过程。该反应过程中产生的化合物和水泥水解反应后所产生的化合物相似，它的水稳定性良好。在这种反应缓慢发生的过程中连续吸水，因此它的水硬性良好。同时，二氧化碳通过孔隙与水进入土体内部，于是氢氧化钙和二氧化碳反应生成碳酸钙，而碳酸钙较高的水稳定性与强度比较高，它是土体的后期强度能够较好形成的主要原因之一。