路基膨胀土改良试验研究

张晓果，杨博，王笑风，赵亚婷

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司 郑州451450）

膨胀土是一种高塑性黏土，其主要由蒙脱石、伊利石和高岭土等亲水性矿物质组成，一般其自由膨胀率大于40%，液限高于40%［1-2］。干燥时具有很高的承载强度，但被水浸泡时，含有的强亲水性矿物成分迅速吸水膨胀，使土体表现出明显的膨胀性。膨胀土的胀缩变化较大，会导致路基沉降、结构开裂、边坡失稳等工程问题，给工程项目造成巨大的经济损失［3］。

本文以某高速沿线路基土为研究对象，该高速公路是河南省高速“双千工程”项目之一，全长148.841 km，途经驻马店、信阳2 市6 县27 个乡镇，地质情况复杂，特别是有部分地区地下水位高且土质为膨胀土。

受限于工程情况，采用填换土的方案不能实施，只能利用当地的不良土源如中等膨胀土或弱膨胀土来填筑路基。按照《公路路基设计规范：JTG D30-2015》［4］要求，强膨胀土不能直接用于路堤填筑，中、弱膨胀土也需经过工程处理后才能用于填筑。综合考虑设计要求、造价预算经济以及生态环保等情况，拟用P.C 32.5 水泥、消石灰、固化剂3 种改性剂处理方案进行对比试验，对膨胀土进行室内改良试验研究，探索改性剂对膨胀土力学性能等的影响效果，为工程应用提供参考。

1 试验材料

1.1 膨胀土

试验土样来自于某高速沿线取土点（K129+150），取样深度为1.0～1.5 m，土样成暗黄色，中间夹杂白色，相关技术指标如下：最大干密度ρdmax=1.855 g/m3，最佳含水率wop=13.5%，液限wL=47%，塑限wP=25%，塑性指数IP=22%，自由膨胀率δef=52%，天然含水率w=21.70%。

可以看出，该土的自由膨胀率为52%，按文献［4］进行分类，判定为弱膨胀土，且天然含水率较高，远大于其最佳含水率。

1.2 改性剂

试验所用改性试验材料为P·C 32.5 水泥、消石灰、固化剂3种，其中固化剂是由粉煤灰、煤矸石、钢渣粉、电石渣等工业废渣制成的。改性材料主要化学成分如表1所示。

表1 改性材料主要化学成分Tab.1 Main Chemical Composition of Modified Materials

2 试验方法

试验所涉及到的常规试验主要依据《公路土工试验规程：JTGE 40-2007》相关试验方法进行，包括击实试验，液、塑限试验，CBR 试验，无侧限抗压强度试验，有荷载膨胀率试验，收缩试验等。

非标准试验依照下列要求实施：

⑴改良膨胀土7 d 自由膨胀率试验：将养护7 d已测试的固化土无侧限抗压强度试件，经过105 ℃烘24 h，冷却至室温，破碎，用0.5 mm 筛筛分，然后按《公路土工试验规程：JTGE 40-2007》进行检测。

⑵改良膨胀土浸水试验：将养护7 d 而未测试的固化土无侧限抗压强度试件，经过80 ℃烘24 h，冷却至室温，进行浸水试验，与素土进行同条件对比，观察经改良膨胀土的耐水性能。

3 试验结果与分析

3.1 改良膨胀土性能研究

为研究改性剂改良膨胀土的路用性能，确定改性剂及最佳掺量、稳定材料的最佳含水率和最大干密度等指标，根据文献［4］规定，对稳定膨胀土进行击实试验、液塑限试验、胀缩总率试验和不同压实度K 下的CBR试验，结果如表2所示。

从表2可以看出：

⑴素土不满足上路床CBR＞8%的要求，经各改性剂改良固化土的CBR值均满足路基设计规范要求，各种改性剂都会大幅提高膨胀土的CBR 值［5］。相同掺量时，消石灰改良固化土的CBR值增加幅度最为明显，水泥次之，固化剂的作用效果最差。

表2 改性膨胀土性能试验Tab.2 Performance Test of Modified Expansive Soil

⑵由于塑性指数综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，塑性指数愈大，表明土的颗粒愈细，比表面积愈大，土的粘粒或亲水矿物（如蒙脱石）含量愈高。试验数据显示，各种改性剂改良固化土的液限和塑限均有增大，但改良土的塑性指数没有明显变化，与素土保持一致。这是由于界限含水率试验时间较短，改性剂的掺入只改变土的部分物理性质，使改良土塑液性产生一定变化，但没有本质上改变土的微观结构。

⑶素土的胀缩总率为4.51%，改良后的固化土胀缩总率都会大幅降低。与同掺量的水泥、固化剂相比，消石灰降低胀缩总率幅度最为明显，5%掺量固化剂与5%掺量消石灰改良膨胀土的胀缩总率均不超过0.7%，满足公路路基设计规范中对改良膨胀土胀缩总率的要求，可以作为路基填料使用。

3.2 7 d无侧限抗压强度和7 d自由膨胀率

进一步研究水泥、消石灰、固化剂3种改性剂对膨胀土7 d 无侧限抗压强度的影响，试件在试验前已浸水养护24 h，观察试件外观，包括素土在内的所有试件均完好，无崩解、缺失等情况。数据如表3所示。

表3 改性膨胀土7 d无侧限抗压强度与7 d自由膨胀率Tab.3 7 d Unconfined Compressive Strength and 7 d-Free Expansion Ratio of Modified Expansive Soil

从表3 可以看出：3 种改性剂改良膨胀土的7 d 无侧限抗压强度比素土均有较大增加，尤其消石灰改性膨胀土的7 d 无侧限抗压强度增加明显，均比同掺量水泥和固化剂高，而水泥对膨胀土的固化作用又比固化剂好。

这是由于膨胀土成分多以蒙脱石等亲水性强的成分为主，其结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的晶体结构，层状结构一般含有较多的低价阳离子，如Na+、K+等，这些阳离子与蒙脱石晶胞的作用很不稳定，导致层间的连接较弱，当遇到水时，土体会发生崩解。当掺入改性剂后，改性剂水化产生Ca2+，Ca2+就会与层状结构间的Na+、K+交换，增加层间的范德华力，随着养护龄期的增加，Ca2+还会与黏土颗粒中的活性二氧化硅发生火山灰反应，生成水化硅酸钙［6］，进一步提高土体耐水性能。

从表3可知，经过水泥、消石灰、固化剂改良的膨胀土7 d自由膨胀率均有一定降低，都在40%以下，已经不属于膨胀土［7-8］。其中，消石灰作用效果最为明显，掺5%消石灰的改良膨胀土7 d自由膨胀率只有26%。

3.3 浸水试验

在检测膨胀土及其改性土的7 d 无侧限抗压强度时，虽然试件浸水养护1 d，但包括素土在内的所有试件外观均完好，无崩解、缺失等情况，7 d 无侧限抗压强度检测结果真实有效。说明这个试验过程不能真正反映出膨胀土及其改性土试件实际的耐水性，这是由于在整个养护过程中试件始终保持较大的含水率，泡水前后黏土始终处于蓄水状态，其内部结构没有经历“干燥-蓄水”较大的状态变化。为了进一步研究各种改良膨胀土的耐水性能［9］，直观反映出改性剂对膨胀土的实际改良效果，需要通过干燥后泡水试验来加以检验。试验结果如图1和表4所示。

图1 浸水试验Fig.1 Immersion Test

表4 改性前后膨胀土浸水对比试验Tab.4 Contrast Test of Immersion of Expansive Soil before and after Modification

从图1可以明显看出，素土及采用水泥、固化剂改性的固化土试件泡入水中1 min 后表面就发生明显崩解现象，而采用消石灰改性的固化土试件，轮廓清晰，没有发生崩解现象，消石灰改良的膨胀土浸水24 h，尚能保持原形，并没有出现大量崩解，而水泥、固化剂改良的膨胀土，24 h 后完全崩解，说明经过消石灰改性后的膨胀土耐水性有较大提高。

从表2 可知，掺5%水泥与4%消石灰的膨胀土CBR 值也基本保持一致，K=93%时，分别为21.2%、20.7%；K=94%时，分别为24.5%、22.8%；K=96%时，分别为28.5%、27.2%。掺5%水泥的膨胀土胀缩总率为0.98%，略小于掺4%消石灰膨胀土的胀缩总率1.05%。从表4可知，掺5%水泥与4%消石灰的膨胀土7 d无侧限抗压强度基本保持一致，分别为0.97 MPa和0.95 MPa；掺5%消石灰改良膨胀土的胀缩总率为0.55%，掺5%固化剂改良膨胀土的胀缩总率为0.65%，均不超过0.7%。从表4 可知，经过“干燥-浸水”过程后，掺5%水泥的膨胀土和掺5%固化剂的膨胀土都完全崩解，而只要掺消石灰的膨胀土发生表层解离，但均能保持原形，呈现出一定的耐水性能，不同改性剂改良膨胀土的耐水性表现出巨大的差异。

综合以上试验数据和现象可以看出，消石灰改良膨胀土的耐水性的确有很大提高，而水泥、固化剂改良膨胀土虽然也能提高土体的CBR 值及无侧限抗压强度，降低胀缩总率，但没有从根本上解决膨胀土遇水易崩解的缺点，所以这种现象并不能单从CBR 值、胀缩总率或无侧限抗压强度的数据上直接反映出来。当然，这些力学性能数据在某种程度上能够反映出对膨胀土改性效果的差异，但这种数据间的差异或许可以简单地通过增加改性剂的掺量就可以消除，而实际上并未从本质上改变膨胀土。这些数据的优劣只是在特定试验环境中表现出的试验数据而已，并不能显示改良后的膨胀土还是不是“定义上的膨胀土”。

因此，回到解决问题的本质——使膨胀土不再成为“膨胀土”。不仅需要满足改良膨胀土的胀缩总率不超过0.7%，还需要通过改良膨胀土的自由膨胀率和“干燥-浸水”试验，对改性剂对膨胀土的改良效果加以验证，这样才能更好地为工程提供参考依据。

4 结论

⑴ 3 种改性剂均能提高2种膨胀土的液限和塑限，但改良土的塑性指数没有明显变化。

⑵3种改性剂都可明显提高膨胀土的CBR、无侧限抗压强度，降低胀缩总率。在同掺量时，消石灰改良固化土的CBR 值增加幅度最为明显，水泥次之，固化剂的作用效果最差。

⑶消石灰改良的膨胀土经过干燥后浸水24 h，能保持原形，并没有出现大量崩解，而水泥、固化剂改良的膨胀土，在浸水1 min 后就出现严重的崩解，24 h后完全崩解；说明消石灰改良的膨胀土的耐水性远好于水泥、固化剂改良的膨胀土。

⑷经过水泥、消石灰、固化剂改良的膨胀土7 d自由膨胀率都有一定降低，消石灰作用最为明显，掺5%消石灰的改良膨胀土7 d 自由膨胀率只有26%。在满足文献［4］要求的“改良膨胀土胀缩总率不得超过0.7%”的同时，还需要通过改良膨胀土的自由膨胀率和“干燥-浸水”试验，对改性剂对膨胀土的改良效果加以验证。