干湿循环作用下石灰改良的膨胀土力学性能分析

2021-11-22樊继文叶英杰李佳欣潘梓瑶陶羽杭

海峡科技与产业 2021年7期

樊继文叶英杰李佳欣潘梓瑶姚彤沈正陶羽杭

南京工程学院，江苏南京 211167

作为一种具有特殊性质的黏土，膨胀土内部含有较多的蒙脱石、伊利石等矿物质，具有吸水迅速膨胀，失水收缩，强度迅速降低的性质，属于特殊土的范畴。膨胀土具有较大的工程危害性，对道路、地基、边坡建设等工程建设会产生很大危害，通常情况下不能直接作为工程建设的基础填料。膨胀土的性质导致其十分容易受到气候变化、雨水等干湿循环的影响，容易使其产生大量的内部裂隙继而形成裂隙网络，因此，在膨胀土地区建设的路基、路面、边坡等工程所造成的危害具有长期潜伏性和难预料性。我国膨胀土范围分布广且土体众多，如果将膨胀土弃之不用，将会造成极大的浪费。因此，在实际工程中，常常先改良膨胀土，然后再加以利用，以此来满足工程建设的需要。

1 改良剂的选择

1.1 水泥改良膨胀土

水泥改良膨胀土能较好地提高膨胀土的力学性能。膨胀土中掺入水泥后，膨胀土的内部结构和化学组成发生较大变化，从而引起膨胀土的胀缩性能的改变。水泥改良后膨胀土的物理性能改变主要体现在3个方面：团粒作用、离子交换作用、凝硬反应和碳酸反应。当水泥与水搅拌混合后，会发生一系列水化反应生成氢氧化钙，膨胀土中的钙离子含量急剧增加，在很短时间内膨胀土中氢氧化钙就会完全饱和。随着钙离子的释放，膨胀土黏聚力增大，从而可以达到加固土体的效果。但随着水泥水化反应的持续进行，反应不断消耗膨胀土中的水分，因此，黏土矿物会发生不同程度的干缩和开裂，从而造成膨胀土强度下降，使得膨胀土的稳定性较差。水泥水化反应会生成一定量的胶凝物质使土颗粒黏结起来，从而提高土体的稳定性和耐水性。

1.2 粉煤灰改良膨胀土

粉煤灰属于一种人工火山灰活性材料，其能够有效改良膨胀土的膨胀潜势。粉煤灰中含有较多的活性氧化硅和活性氧化铝，其在常温下能够与氢氧化钙发生化学反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。从矿物组成成分上看，粉煤灰内部含有大量的光滑玻璃微珠，这种物质能使粉煤灰具有其他火山灰质材料所没有的优异特性，能够改善其拌合物的和易性。将膨胀土与粉煤灰混合后，由于离子交换与硬凝反应，胀缩效应会显著降低。粉煤灰能够较好地抑制膨胀土的膨胀特性，使得改良后的膨胀土达到路用的要求，但其效果次于水泥、石灰等其他改良剂。粉煤灰对膨胀土黏聚力的提高效果十分微弱，反而使黏聚力降低。由于粉煤灰掺入后胶凝作用非常微弱，所以很难提高黏聚力[1]。

1.3 风化砂改良膨胀土

风化砂分布范围广泛，原材料获取较为容易，工程造价成本低。使用风化砂改良膨胀土的方法属于物理改良。通过往膨胀土中掺入适量的风化砂，可以提高膨胀土的力学性能指标，同时利用风化砂中的较大颗粒间的摩擦力来抑制膨胀土的膨胀潜势，从而达到改良膨胀土的目的，以此来使膨胀土达到路用工程材料的要求。掺风化砂后，膨胀土的抗剪强度会随风化砂掺量的增大而下降，但总体能达到路基填料的标准。但掺风化砂对提高膨胀土的抗剪强度的效果并不明显，并且风化砂改良后膨胀土的抗剪强度对正应力变化比较迟缓。掺入风化砂会增大土粒间的距离，使得土壤黏聚力减小。风化砂与粉煤灰在提高黏聚力方面较为相似，掺入风化砂后，能在一定程度上使土粒间距离增大，黏聚力随之减小。所以在大部分情况下，风化砂不但增加不了膨胀土黏聚力，反而会使土壤黏聚力有所下降[2]。

1.4 生物酶改良膨胀土

生物酶是通过植物的发酵，从中提取的无毒性的液体酶制剂。据以往研究来看，生物酶属于低成本且十分环保的一种土壤改良剂。其内部分子的结构所具有的化学键包括疏水键、亲水键等，其中疏水键可以阻碍外界水分进入土体内部，而亲水键则可以包裹在黏土颗粒的表层。除此以外，生物酶中含有的部分化学物质，如乙醇会影响土体的介电常数，从而会减小吸附水的厚度。研究表明，生物酶容易与土体结合，能显著降低膨胀土的膨胀潜势，从而提高膨胀土的无侧限抗压强度、黏聚力及弹性模量等力学性能指标，改善其工程特性。目前关于生物酶改良膨胀土的方法仍然停留在实验室阶段，在工程实践中应用较少，主要原因是生物酶改良膨胀土时，酶的活性会受到一系列因素的影响，例如温度、土壤酸碱性等[3]。

1.5 石灰改良膨胀土

在一定程度上增加改良膨胀土中的石灰掺量，膨胀土内部会形成胶凝团聚结构，并且膨胀土中的裂缝数量和胀缩性会呈明显的下降趋势，从而可以增大膨胀土的稳定性。石灰能显著改良膨胀土的部分力学性能，在膨胀土的无侧限抗压强度的增大上表现较明显。在干湿循环过程中，土壤的黏聚力和内摩擦角会显著减小，一定的石灰掺量能够抑制黏聚力和内摩擦角的减小并在一定程度上增大其黏聚力与内摩擦角，从而达到增大膨胀土强度的效果[4]。使用石灰改良膨胀土的改良效果评价指标主要是强度和耐久性，强度主要指无侧限抗压强度和三轴剪切强度；耐久性则主要指干湿循环和长期浸水两种条件下的土体耐久性。目前在工程实践中主要根据长期浸水下的土体耐久性和无侧向抗压强度来判断膨胀土的改良效果。但据大量实际工程现象表明，只根据这两个指标来判断膨胀土的改良效果显得有些片面。例如，长期的降水和地下水位的无规则变化会导致路基路面工程出现干湿循环变化。对于长期处于干湿循环作用下的石灰改良膨胀土的路基十分容易出现局部裂缝，这种现象对于用石灰改良膨胀土的路基工程十分常见。因此，对干湿循环作用下石灰改良膨胀土的力学性能研究具有重要的工程实践意义[5]。

2 石灰改良膨胀土的改良机理

2.1 改良机理分析

膨胀土吸水后体积迅速膨胀，产生这一现象的原因是因为土体中含有一定量的膨胀性黏土矿物质，如蒙脱石、伊利石等，其具有紧密堆积的叠聚体结构，单元间土壤的黏结力较小。使用石灰改良膨胀土的方法应用较早，并且在工程中应用广泛，其主要是利用土壤中游离的氧化硅、二氧化碳与石灰发生化学反应，以此来改善土体的性质。

当加入的石灰与膨胀土中的膨胀性物质充分拌合后，会引起膨胀土出现结块，可塑性降低，同时土体的最佳含水率增大而最大干密度缩小等物理性质的改变。在改良的过程当中，主要涉及两个反应阶段：水化作用和胶凝作用[6]。

2.2 水化作用

生石灰加水后会与水发生化学反应生成氢氧化钙，其中的钙离子与氢氧根离子将会与土壤中的钠离子、钾离子进行离子置换，会使得土壤中的钙离子含量增加，减小土壤颗粒之间的距离，从而增强土粒间的黏聚力。因此，在一定程度上加入生石灰与水反应所生成的氢氧化钙含量越多，改良膨胀土的效果就越好。

2.3 胶凝作用

将生石灰加入膨胀土中，膨胀土中的化学物质，如二氧化硅、氧化铝等在生石灰与水发生水化反应后逐渐硬化凝结形成一层保护膜覆盖在土粒的外表面，所以土的黏聚力变得极强，使得土体凝结成为一个整体，不容易分散。

3 力学性能研究分析

3.1 抗剪强度

3.1.1 改良后膨胀土内摩擦角的变化

王敏对石灰改良膨胀土力学性质的干湿循环效应的研究表明：随着干湿循环次数的增加，内摩擦角逐渐减小。当干湿循环由0次到2次时，内摩擦角变化幅度较大，后期随着次数的逐渐增多，内摩擦角变化幅度变小。当干湿循环次数为0次的时候，土体的内摩擦为35.2°。当干湿循环次数为16次时，此时内摩擦角为32.8°，减少了2.4[5]。

3.1.2 改良后膨胀土黏聚力的变化

在上述石灰改良膨胀土力学性质的干湿循环效应的研究中发现，随着干湿循环次数的增加，土体间的黏聚力逐渐减小。当干湿循环次数为0次时，黏聚力的大小为153.2 kPa；当干湿循环次数为16次时，黏聚力大小为107.9 kPa，减少了45.3 kPa。当干湿循环次数由0次到10次时，黏聚力变化幅度较大；干湿循环次数由10次到16次时，黏聚力变化幅度较小。使用石灰改良膨胀土还能改变膨胀土的弹性模量。研究表明，随着干湿循环次数的增加，改良后膨胀土的初始弹性模量显著减少。但提高围压可以减少干湿循环作用对改良后膨胀土的初始弹性模量的衰减作用。主要原因是提高围压后，土体内部骨架能够受到的约束作用更大，从而增强了土体内部骨架抵抗变形的能力。

从上述结论中可以看出，黏聚力相对于内摩擦角更加容易受到干湿循环的影响。这是因为土壤中的抗剪强度由内摩擦角和黏聚力这两个特征参数确定，抗剪强度随着内摩擦角和黏聚力的增大而增大。因此，在干湿循环的作用下，土壤的黏聚力和内摩擦角显著减小，从而导致土体抗剪强度的降低。

3.2 无侧限抗压强度

贾红卫对石灰、水泥改良膨胀土性能试验研究表明：当土壤为素土时，土体的无侧限抗压强度为200 kPa，随着石灰掺量的增加，土体的无侧限抗压强度也随之增加。当石灰掺量为0%～5%时，无侧限抗压强度提升较快；当石灰掺量为5%～8%时，无侧限抗压强度几乎保持不变。但从整体上看，石灰掺量的添加会引起膨胀土无侧限抗压强度的增加[6]。

3.3 石灰掺量

上述研究发现，随着石灰掺量的增多，土体的黏聚力与内摩擦角均呈现不同程度的递增。主要原因是膨胀土中掺入了一定量的石灰，石灰可与土中的氧化硅、氧化铝等活性氧化物在一定碱性环境下发生化学反应，生成氢氧化钙硅和氢氧化钙铝，反应生成的这两种物质使得土体的黏结性能更好，提高了土体间的黏结强度。另外，化学反应所生成的硅酸钙、铝酸钙相互交替排列使得土壤间的颗粒黏结成块，形成一个团粒，减小了土粒间的空隙，增大了土粒间的咬合力，因此呈现出土壤的黏聚力和内摩擦角随着石灰掺量的增加而递增的特点。当石灰掺量为0%～2%时，黏聚力增加最快。当石灰掺量为2%～8%时，黏聚力增加速度较慢，但都呈现出明显增加的趋势，且当石灰掺量为0%～2%时，内摩擦角增加最快，当石灰掺量为2%～8%时，内摩擦力增加速度较慢，但都呈现出明显增加的趋势。