干湿循环作用下离子固化剂改性膨胀土的胀缩特性研究

韩琳琳

(广西交科工程咨询有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

膨胀土是一种在自然地质作用下形成的特殊的土壤，其体积随含水率变化而改变，吸水膨胀，失水收缩。因其性质的特殊性和难处理性，膨胀土又被称为“灾害性土”。据统计，全世界由于膨胀土问题带来的经济损失高达50亿美元，已经超过洪水、飓风等灾害,仅美国由于膨胀土问题带来的经济损失每年就高达20亿美元。在我国，仅仅由于膨胀土地基破坏导致的建筑面积就有107万m2[1-2]。因此，为了减轻膨胀土这种“灾害性土”的危害，很多科研单位、专家学者对膨胀土的工程治理进行了大量的研究。膨胀土中黏土矿物含量较高，且多为强亲水性的蒙脱石和伊利石。在土-水相互作用过程中，含水率增加时土体体积增大，表现为比较强烈的膨胀性[3-4]；含水率降低时体积收缩并伴有裂隙的产生，表现为较明显的收缩性和裂隙性，上述现象被称为膨胀土的胀缩特性。膨胀土的胀缩性是其最基本且主要引发工程事故的特性，研究膨胀土的胀缩性具有重要的理论及工程实际意义[5-6]。本文以南水北调中线南阳强膨胀土为研究对象，采用离子型土壤固化剂(Ionic Soil Stabilizer，以下简称ISS)对强膨胀土进行改性，研究其改性前后的胀缩特性。

1 试验材料的基本性质

1.1 试样的描述

本次试验所选取的试样为强膨胀土，棕红色夹灰绿色条带，黏粒含量高。为保证样品的天然状态，取样后迅速用保鲜膜和保鲜袋将样品进行保鲜，然后，将部分样品在自然状态下放在阴凉处风干，观察风干后的样品可发现有光滑的裂隙面，随裂隙面可以轻易将样品掰开。

1.2 试样的基本物理参数

为获得试验试样的基本物理参数，参照《土工试验规程》(SL237-1999)对试样进行颗粒级配、液塑限、自由膨胀率、击实等试验，取得试样的基本物理性质和颗粒级配如表1和表2所示。

表1 试样的基本物理性质表

表2 试样的颗粒级配表(%)

通过上述试验，可以得出本样品的液限高达58.92%，自由膨胀率高达95.1%，属于高液限、高黏粒含量的强膨胀土。

1.3 试样的矿物成分

膨胀土内的主要矿物为碎屑矿物和黏土矿物。本文对粉晶试样进行X衍射试验，测得试样中的矿物成分如表3所示。

表3 试样各种矿物的相对含量表

在该试样中，蒙脱石含量>50%，为主要的矿物成分。试样的自由膨胀率为95.1%，蒙脱石是膨胀土高膨胀性的主要原因。

1.4 离子固化剂

本文选用离子型土壤固化剂对膨胀土进行化学改性试验。所选用的离子型土壤固化剂为中性，棕褐色液体，黏稠状，无刺激性气味。该离子固化剂的主要成分为烷基苯磺酸盐表面活性剂物质，同时还有部分无机、有机盐和催化剂成分。离子型土壤固化剂易溶于水，溶于水后能够分解出大量的正负离子对土壤进行改性，且渗透性良好，与膨胀土能够较好地粘结在一起。

2 最优配合比试验

2.1 试验方案

将膨胀土试样进行风干，然后用木碾和碾钵将风干后的试样碾碎，过2mm筛，平均分成6等份，每份1 000g，分别加入蒸馏水和上述5个配比的ISS溶液，使试样的含水率刚刚超过液限，用保鲜膜包好，放在保湿缸中保湿7d，7d后将保鲜膜拆掉，放在阴凉处自然风干。将上述风干后的试样用木碾和碾钵碾碎，将碾碎后的试样过2mm筛，取不同质量的6种试样根据土工试验规范进行土工试验。

2.2 最优配比的选择

本文选择界限含水率和自由膨胀率共同作为判定ISS改性膨胀土效果的指标。取素土和5种不同配比的ISS改性土，按照《土工试验规程》(SL237-1999)进行液限、塑限和自由膨胀率试验。试验结果如表4和表5所示。

表4 改性前后液塑限、塑性指数的变化情况表

表5 改性前后自由膨胀率的变化情况表

3 干湿循环作用下ISS改性膨胀土胀缩特性研究

3.1 试验方案

膨胀土在自然界中，往往经历多次吸水膨胀-失水收缩的过程。干湿循环作用下膨胀土的胀缩变形规律与“一次吸水膨胀”或“一次失水收缩”的变形规律并不完全相同。因此，本文着重分析在干湿循环作用下ISS改性膨胀土的“湿胀-干缩”变形规律。本次干湿循环试验，选定33%为初始含水率，含水率的循环幅度为15%～35%，进行5次循环，干湿循环控制过程图如图1所示。

在干湿循环过程中，采用低温60 ℃烘干法模拟干燥过程，干燥时间为6h。在烘干过程中，分别在试验开始后10min、20min、40min、1h、1.5h、2h、3h、4h、6h将试样取出称重，并用钢尺和电子游标卡尺进行测量。在试样中心和四周四个点进行测量，去掉最大和最小值，取剩余3次的平均值为试样的垂向高度。试验完成后，将所拍照片导入到AutoCAD软件中。考虑到试样收缩的各向异性，分别选取4个方向进行统计，将统计数值取平均值作为试样的径向试验值。

图1 干湿循环控制过程示意图

在干湿循环过程中，用固结仪进行吸湿过程的模拟，吸湿时间为36h。干燥过程结束后，将试样放在干燥缸中进行冷却。等试样完全冷却至室温后，将试样按照土工试验规范安装在固结仪上进行有侧限无荷载试验。在固结盒内自上而下加入蒸馏水至没过试样表面5mm，试验开始后，分别于5min、10min、20min、30min、45min、1h、2h、4h、7h、12h、24h、36h时读取百分表的读数。吸水饱和后，取出试样称重。如此按照上述试验过程完成5次干湿循环次数的模拟。

3.2 试验结果分析

3.2.1 收缩变形规律分析

本文采用径向线缩率进行分析。径向线缩率是指土体水平方向直径的收缩量与初始直径的比值。径向线缩率和垂向线缩率如式(1)所示：

(1)

按照试验过程，对素土和ISS改性土五次干湿循环作用下的径向、垂向线缩率进行统计，绘制试验结果如图2、图3所示。

图2 素土径向收缩时程曲线图

图3 ISS改性土径向收缩时程曲线图

从图2和图3中可以分析出：(1)素土与ISS改性土两者的径向收缩规律是相同的，径向线收缩率随时间的增加而增大，随含水率的减小而增大，随干湿循环次数的增多而降低；(2)在第一次循环时，试验开始10min后试样就进入快速收缩阶段，而到第五次循环时，试验开始60min后试样才开始进入快速收缩阶段；(3)经历三次循环之后，试样的径向线收缩率降低幅度较小，第四次循环和第五次循环的径向线缩率已经非常相近；(4)随着干湿循环次数的增多，曲线的斜率呈现逐渐降低的趋势，即试样的收缩系数在逐渐变小。上述结果表明：随着干湿循环次数的增多，试样的收缩变形能力在降低；经历四次干湿循环后，径向线缩率开始趋于稳定。

从图2和图3中还可以看出，随着干湿循环次数的增多，试样进入快速收缩的时间也增多。以素土试样为例，当进行第一次循环时，试样收缩1h后，收缩率为4.42%，已经完成本次试验整体收缩(11.36%)的38.9%。经历五次循环后，收缩1h后，完成率仅为0.72%。由此可见，随着干湿循环次数的增加，试样在试验初期完成的收缩量在逐步下降，这主要由两个原因造成：

(1)试样内的水分可包含两个部分：试样表面的水分和试样内部的水分。试样由于刚刚经历吸水过程，表面会带有一定的水分，收缩试验开始后，表面的水分在高温下先蒸发。

(2)试样内部的水包含裂隙间的水和土块内的水。当试样表面水分蒸发后，试样内部的水分开始蒸发。裂隙间的水由于受到的粒间作用力较小，水分子能够更自由、更快地进出到裂隙，在表面水分蒸发后先一步蒸发。因此，随着干湿循环次数的增多，试样在试验初期完成的收缩量在逐步下降。

为了研究ISS对膨胀土径向收缩的改性效果，现对素土与ISS改性土的径向线收缩率与干湿循环次数的关系统计如表6所示。

表6 径向线缩率与干湿循环次数的关系数值表

从表6中可知，随干湿循环次数的增多，两种试样的径向线缩率均在变化。经历五次干湿循环，素土的径向线缩率变化范围为3.11%～11.36%，ISS改性土的径向线缩率变化范围为2.46%～10.67%。对比素土与ISS改性土的径向线缩率可得：ISS对膨胀土的径向收缩有一定的抑制作用，但抑制作用不明显。在不同的干湿循环次数下，ISS对膨胀土的径向收缩最大改变量能够达到0.86%，最大的改变率能达到20.89%。ISS对径向线缩率的改变量并没有随干湿循环次数的增多而降低，且在第三次循环时改变量最大，说明ISS对膨胀土的径向线缩率的抑制作用没有随着干湿循环次数的增多而降低。从试验数据中可以得出ISS对膨胀土的径向收缩有一定的抑制作用，且这种抑制作用在第三次干湿循环时达到最大，并没有随着干湿循环次数的增多而降低。对此，可以给出如下解释：在试样中加入ISS后，试样的微结构和矿物的活性发生了变化，试样黏土矿物的自身活性通过ISS改性作用发生钝化，黏土矿物片团聚呈现更加稳定的结构状态，试样的整体膨胀收缩能力降低。

3.2.2 膨胀变形分析

根据两种试样的膨胀时程曲线，可以看出：

(1)试样在试验开始20min内吸水迅速膨胀，而后进入缓慢膨胀阶段，膨胀量几乎为0。从图中可得试样大约在24h内就能完成全部膨胀过程。

图4 素土膨胀时程曲线图

图5 ISS改性土膨胀时程曲线图

(2)随着干湿循环次数的增多，两种试样的无荷载膨胀率降低。在第一次循环时，素土和ISS改性土的膨胀率都较高，分别为11.6%和9.36%，经历了三次干湿循环后，膨胀率已经变化不大，开始趋于稳定。

上述结果表明，ISS对试样的膨胀性有较好的抑制作用，能够较为有效地抑制试样的膨胀。随着干湿循环次数的增多，两种试样的最终膨胀率均在降低，经历三次干湿循环后，两种试样的膨胀率趋于稳定，干湿循环对试样膨胀的影响作用微小。对五次干湿循环素土与ISS改性土的无侧限膨胀率进行统计分析，可以得出：ISS改性土的无荷载膨胀率均小于素土，说明ISS对膨胀土的无荷载膨胀有比较明显的抑制作用。在第一次循环时，素土与改性土的无荷载膨胀率相差可达2.24%，ISS对膨胀土的无荷载膨胀率改变率达到19.31%。但随着干湿循环次数的增多，无荷载膨胀率的改变量依次为2.24%>1.15%>0.75%>0.71%>0.7%，改变量依次降低，说明ISS对膨胀土膨胀变形的抑制作用会随着干湿循环次数的增多而降低。综合分析可知，ISS对膨胀土的无荷载膨胀变形有比较明显的抑制作用，但这种改性效果会随着干湿循环次数的增多而降低(见表7)。

表7 无荷载膨胀率与干湿循环次数的关系数值表

4 结语

本文以ISS为膨胀土的固化剂，研究了五次干湿循环作用下ISS对膨胀土胀缩特性的改性作用，根据径向线缩率和无侧限膨胀率研究，得出以下结论：

(2)无论是素土试样，还是改性土试样，随着干湿循环次数的增多，试样的收缩变形能力均在降低。素土的径向线缩率变化范围为3.11%～11.36%，ISS改性土的径向线缩率变化范围为2.46%～10.67%，说明ISS对膨胀土的径向收缩有一定的抑制作用，但抑制作用不明显。

(3)素土试样及改性土试样，经过三次干湿循环后，膨胀性均趋于稳定。经过ISS改性后，试样的无荷载膨胀率可降低0.7%～2.24%。随着干湿循环次数的增加，素土与ISS改性土在试验初始阶段膨胀完成率均逐渐增加，但增长速率在降低，说明ISS对试样的膨胀变形有较明显的改性效果，但这种改性效果随循环次数的增多而降低。