石灰-EPS颗粒复合改良膨胀土的膨胀性研究

孙健峰，李明东，潘耀森，朱丽萍，王升福

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；2. 云浮市交通运输事务服务中心，广东 云浮 527300；3. 东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013)

0 引 言

膨胀土在我国的分布范围较广，是一种具有吸水膨胀、失水收缩物理性质的特殊土体，其胀缩性引起的土体反复变形导致土体强度损失，易引起膨胀土边坡浅层局部失稳、公路路基坍塌等工程问题[1-3]。为解决这一问题，诸多学者开展了膨胀土的改良研究。陈雷等[4]通过室内试验研究了石灰改良膨胀土作为路基填料的膨胀和力学性质。边加敏[5]研究了石灰改良膨胀土的水稳定性。李国维等[6]在弱膨胀土中掺入崩解性砂岩发现其膨胀率、膨胀力、最优含水率与掺入量负相关。余梦等[7]利用巴氏芽孢八叠球菌开展MICP压力灌浆改性膨胀土室内试验，灌浆处理后试样的无侧限抗压强度最多提高了379.4%，膨胀力最高可减少25.3 kPa，渗透系数最大减少3个数量级。曾娟娟等[8]利用生物酶改良路基膨胀土，发现其自由膨胀率和50 kPa下有荷膨胀率显著降低。刘宇翼[9]向膨胀土中添加了30%的电石渣和稻壳灰发现，膨胀土的自由膨胀率从82%下降到39%。实际工程中多采用基于素膨胀土最大干密度确定的最优含水率作为石灰改良膨胀土的施工含水率[10]，这种方法未考虑膨胀性这一膨胀土的根本问题。有学者研究发现，配土含水率对膨胀力有一定的影响，在控制其他变量相同的情况下，通常随着配土含水率的增加，膨胀力会减小[11-12]，表明膨胀力可以作为膨胀性能指标研究配土含水率的影响。

EPS颗粒又称聚苯乙烯泡沫塑料，2019年我国聚苯乙烯进口数量为131万t[13]，由于回收价值低，大多废弃为垃圾。在国家战略推动之下，加快EPS颗粒的资源化利用日渐受到重视。因为其具备较好的抗水性和优异的缓冲性能，庄心善等[14]在膨胀土中添加EPS颗粒，通过EPS颗粒的变形吸收膨胀能量，从而改善膨胀土胀缩性，并有优良的保温减振效果。朱伟等[15]在疏浚淤泥中添加固化材料和EPS颗粒，制作成淤泥EPS颗粒混合轻质土，既可以资源利用化疏浚淤泥，又可以减少软土地基的处理费用。

本文综合石灰和EPS颗粒改良膨胀土技术，提供了一种新的膨胀土改良技术。在遴选最佳石灰掺量和最佳掺水量的基础上，掺入不同体积分数的EPS颗粒，测试复合改良膨胀土的有荷载膨胀率和膨胀力，分析EPS颗粒对膨胀性的影响规律。

1 试验材料

(1)膨胀土。取自河南省南阳市某基坑，灰色，硬塑状态，土中含有少量结核，结核呈灰白色。土样的自由膨胀率为46%，为弱膨胀潜势。基本物理指标见表1。

表1 膨胀土基本物理性质指标 %

(2)石灰。由江西惠灰石灰厂生产，白色，堆积密度为1.18 g/cm3。主要化学成分见表2。

表2 石灰的主要化学成分 %

(3)EPS颗粒。购自河南宫市乙丰泡沫制品厂，颗粒粒径为1.2 mm，堆积密度0.019 g/cm3。

2 试验方案

2.1 最佳石灰掺量的确定

考虑到石灰的吸水性，先分别制备含水率ω为18%、22%、24%、26%、28%、30%的素膨胀土，再分别与0、2%、4%、6%、8%、12%的石灰拌和制备得到石灰改良膨胀土试样，共36组。按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[16]对试样进行自由膨胀率试验，分析自由膨胀率与不同石灰掺量的关系，获得最佳石灰掺量。

不同含水率下，膨胀土的自由膨胀率随石灰掺量变化见图1。从图1可知，加入石灰后，膨胀土的自由膨胀率大幅度下降，这是因为石灰电解生成高价阳离子Ca2+与Na+、K+发生置换反应[17]，使膨胀土吸水膜变薄，并形成团聚体[18]。当石灰掺量小于4%时，自由膨胀率随石灰掺量的增加迅速下降；而石灰掺量大于4%时，再增加石灰掺量收效甚微，考虑到经济性，可认定最佳石灰掺量为4%。

图1 石灰掺量对膨胀土自由膨胀率的影响

2.2 最佳掺水量的确定

在最佳石灰掺量下，测试不同含水率下石灰改良膨胀土的自由膨胀率，分析改良土自由膨胀率与实测含水率的关系，自由膨胀率值最低点对应的含水率即为石灰改良膨胀土的最佳掺水量。

图2是在最佳石灰掺量4%下，改良土自由膨胀率随实测含水率变化。从图2可以看出，随着含水率的增加，改良土自由膨胀率呈现先下降后再上升的趋势。含水率为21.04%时，自由膨胀率最低，为8.5%，由此认定，最佳掺水量为21.04%。

图2 改良土自由膨胀率随含水率的变化

2.3 石灰-EPS复合改良膨胀土试验

在最佳石灰掺量和最佳掺水量下，将EPS颗粒按体积分数分别以0、5%、15%、30%、50%掺入改良土中，混合均匀后经过击实得到5组土样，分别用E0、E5、E15、E30、E50表示。在最佳掺水量下制作素膨胀土土样，作为石灰-EPS复合改良的对照试样，用W表示。分别进行有荷膨胀率试验和膨胀力试验，有荷膨胀率试验在WG型单杠杆固结仪上开展，膨胀力试验在WG型三联低压固结仪上开展。试样汇总见表3。

表3 试样汇总 %

3 石灰-EPS颗粒复合改良膨胀土的膨胀性

3.1 石灰-EPS颗粒对有荷载膨胀率的影响

EPS颗粒添加量对有荷载膨胀率的影响见图3。从图3可知，EPS颗粒掺量有助于降低膨胀土的有荷载膨胀率。为进一步分析EPS颗粒添加量对有荷载膨胀率的影响，参考庄心善等[19]的方法，定义改良效率A为在同一荷载下，不同EPS颗粒添加量下的绝对有荷载膨胀率降低率与EPS颗粒添加量之比。改良效率A反映了单位EPS颗粒添加量下的绝对有荷载膨胀率降低效率，公式为

(1)

图3 EPS颗粒添加量对有荷载膨胀率的影响

式中，XE为EPS颗粒掺量的体积分数；Yi为XE下的某个荷载下的有荷载膨胀率；Y0为在施加与Yi相同荷载下土样E0的有荷载膨胀率。

图4为EPS添加量与有荷载膨胀率改良效率A的关系。从图4可知，在不同荷载下，改良效率A总体上随着EPS颗粒添加量的增加而降低，EPS颗粒添加量为5%时，改良效率A最大。

图4 EPS颗粒添加量与改良效率A的关系

图5 上覆荷载对有荷载膨胀率的影响

上覆荷载对有荷载膨胀土膨胀率的影响见图5。从图5可以看出，有荷载膨胀率随着上覆荷载的增加而降低。出现这种情况的原因是，上覆荷载逐渐变大时，膨胀土会因为上覆荷载而压缩，但膨胀土吸水会引起体积增大，因此当膨胀变形大于压缩变形时，膨胀土整体会表现出膨胀状态；当上覆荷载比较大时，膨胀变形不足以抵消压缩变形，此时膨胀土就会表现出压缩变形，因此出现了膨胀土随着上覆荷载的逐渐增加，有荷载膨胀率由正值变负值的现象。当上覆荷载分别为25、50、75 kPa时，有荷载膨胀率随着EPS颗粒添加量的增加而降低，这是因为EPS颗粒是一种稳定性好、吸湿性低的材料，不易吸水膨胀，当EPS颗粒掺量增加时，意味着膨胀土颗粒的占比会减小，所以膨胀性也会随之降低。当上覆荷载为100 kPa时，素膨胀土的有荷载膨胀率最低，出现这种现象的原因是在此时的荷载下EPS颗粒不容易被压缩，而膨胀土颗粒却继续被压缩，导致素膨胀土的压缩变形最大，有荷载膨胀率最低。

3.2 石灰-EPS颗粒对膨胀力的影响

EPS颗粒添加量对膨胀土膨胀力的影响见图6。从图6可知，随着EPS颗粒含量由0增加至5%，膨胀土膨胀力由21.28 kPa下降到9.08 kPa，减少了12.20 kPa；EPS颗粒含量由5%增加至50%，膨胀土膨胀力由9.08 kPa减小到2.32 kPa，减小了6.76 kPa。可以看出，EPS颗粒掺量可以降低膨胀土的膨胀力。为进一步分析EPS颗粒添加量对膨胀力的改良效果，定义改良效率B为不同EPS颗粒添加量下的绝对膨胀力降低率与EPS颗粒添加量之比，改良效率B反映了单位EPS颗粒添加量下的绝对膨胀力降低效率，公式为

(2)

式中，Pi为XE下的膨胀力；P0为土样E0的膨胀力。

图6 EPS颗粒添加量对膨胀力的影响

图7为EPS添加量与改良效率B的关系。从图7可以看出，添加5%EPS颗粒时，改良效率B达到最大，为11.46%，而添加15%、30%、50%EPS颗粒时改良效率B呈下降趋势。

图7 EPS颗粒添加量与改良效率B的关系

4 结 语

本文基于不同的石灰掺量和不同的EPS颗粒添加量，对南阳市某基坑的膨胀土的膨胀性能进行了研究，得出以下结论：

(1)石灰掺入膨胀土中，对其膨胀性有一定的抑制作用，考虑经济性的原则下，最佳的石灰掺量为4%。

(2)在最佳的石灰掺量4%下，实测改良土的含水率，其中自由膨胀率值最小的点对应的含水率为21.04%，即为最佳掺水量。

(3)基于最佳的石灰掺量4%和最佳掺水量21.04%，再向膨胀土中掺入EPS颗粒后发现，EPS颗粒添加量有助于降低复合改良土的有荷载膨胀率和膨胀力，属于负相关关系。

(4)对不同EPS添加量下的有荷载膨胀率和膨胀力进行进一步的分析，得到不同EPS添加量下的改良效应系数曲线，当EPS掺量为5%时，改良效率A和改良效率B均最大。