浅谈膨胀土改良与性能研究

邱天赐 沈正 沈浪 洪明星

(1.南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167；2.南京审计大学，江苏 南京 211815)

膨胀土，也称胀缩性土，因其对道路和建筑所产生的严重破坏而被广泛关注[1,2,3]。我国是膨胀土分布最广泛的国家之一，在我国广西，河南，湖北，四川，陕西，安徽等地区均存在大量膨胀土。提高膨胀土的力学性能，也成了岩土工程和结构工程的热点问题。膨胀土含有较多的蒙脱石、伊利石等黏土矿物，性质极不稳定，具体表现在裂隙性和胀缩性显著，在浸水后体积剧烈膨胀，失水后体积显著收缩。这也直接导致未经处理的膨胀土不能直接用作路基或建筑材料。我国拥有大量的膨胀土资源，尤其是在四川陕西一带，置换膨胀土显得十分困难且不合经济。为了最大程度地利用膨胀土，减少工程事故，保证施工质量，减少工程造价，对膨胀土的改良显得尤为重要。

1 膨胀土改良方法与试验研究

1.1 碎石改良膨胀土试验研究

目前经碎石改良的膨胀土在实际工程中已有应用，研究相对成熟。广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验中[4]，使用含量超过95%的粒径大于4.75mm的碎石粗骨料，采用模型箱的模型试验方案，对膨胀土的体积含水率、侧向压力以及碎石改良膨胀土的可行性进行研究。实验结果表明，纯膨胀土以竖向排水为主，不同深度达到稳定体积含水率的数值相差不大；膨胀土深部排水需要较长时间，且渗透性较差，排水较为困难。掺入碎石的改性膨胀土在注水后的短时间里体积含水率迅速增加，浅层透水性明显增加，但是深层排水仍需较长时间。对比实验结果可见，经碎石改良的膨胀土渗透性得到显著改善，侧向膨胀力大幅下降，达到了预期的改良效果。综合以上研究，掺入碎石可以有效降低膨胀土的膨胀特性，改善膨胀土的结构性能，降低膨胀土的内部阻力，为工程实践以及膨胀土改良提供思路。

1.2 纤维和煤矸石粉对膨胀土胀缩特性改性研究

研究表明煤矸石中的高价金属离子，能与膨胀土中低价OH-、Na+等离子发生离子交换反应，进而改良膨胀土的膨胀特性，而纤维对膨胀土的膨胀性又具有较为不错的抑制作用。因此可延伸到纤维和煤矸石这两种材料复合后对膨胀土的改性效果。在内蒙古农业大学能源与交通工程学院实验中[5]，研究人员向膨胀土中分别掺入煤矸石、聚丙烯纤维以及两掺入物的复合物，最终得到包括纯膨胀土的四种复合土样。研究发现，在2880min后，土样的自由膨胀以及无荷膨胀都进入了稳定平衡状态，纯膨胀土膨胀率最大，纤维-煤矸石膨胀土膨胀率最小，同时，各含水率下，纤维-煤矸石膨胀土的收缩曲线保持最低(线缩率最低)。由此可见，纤维和煤矸石这两种材料的复合叠加作用对于膨胀土改性的效果更加显著。考虑到外界含水率对回弹模量的影响，分别研究含水率为20%、50%、80%的土样，其中纤维-煤矸石膨胀土的回弹模量最大，足以体现其良好的抗变形能力；在增湿含水率升高时，纤维-煤矸石膨胀土回弹模量减小幅度最大，亦可见其后期有着较大的压缩空间。实验结果表明，除纤维-煤矸石可减小水分子对土体骨架的破坏作用，使膨胀土抗变形能力提高外，其他复合土样的内部骨架已基本被破坏，对膨胀土改性能力较差。

1.3 粉煤灰改良膨胀土的胀缩和强度特性

以粉煤灰为代表的化学改性剂，工程实践丰富，理论基础完善。为减少楼房地基建设及道路施工过程中膨胀土造成的地质危害，现有对掺入粉煤灰以改良膨胀土膨胀特性和强度的研究。在学者王和鱼的实验中[6]，取Ι级、II级两不同品质的粉煤灰，均以膨胀土中质量分数分别为0%、3%、6%、9%、12%、15%掺入其中，来测试标准养护条件下7d、14d、28d的各膨胀土的抗压强度和自由膨胀率。实验研究发现，由于粉煤灰中SiO2和Al2O3的高价阳离子产生絮凝作用，随着粉煤灰掺入量的增加，土样的自由膨胀率逐渐降低，而抗压强度逐渐增高。在14、28d粉煤灰的掺入量为12%时，土样的的自由膨胀率和抗压强度的增幅趋势都开始减弱，向平缓状态靠近。因此12%粉煤灰掺入量为最佳掺入量。当然，不同品质的粉煤灰对膨胀土的影响程度也不一样，研究表明，实验的三个龄期中，Ι级粉煤灰的抗压强度均比II级粉煤灰的高出大于10%，可见粉煤灰的品质越高，它对膨胀土抗压强度的改良效果就越明显。粉煤灰对于膨胀土的应用，有利于建筑物地基及公路路基等膨胀土施工环境的正常运行，提高膨胀土利用的安全性，为有效改良膨胀土路基，改善粉煤灰资源利用提供科学依据。

1.4 粉砂土改良膨胀土性能研究

邱翱博，王欢等通过变水头渗透实验、压汞实验[7]研究了粉砂土对改良膨胀土渗透性的变化情况以及土体内部孔的排列。试验发现，增大膨胀土的干密度，改良膨胀土的渗透系数也随之增大，且初始阶段增大速率明显高于中间阶段，后期趋于平缓，由此得出随着膨胀土中粉砂土掺量的增加，混合膨胀土的渗透系数也随之增大，且土体内部孔隙被不断填实，大大增加了膨胀土的密实性，因此后期渗透系数的增长趋势趋于缓慢。其中压泵试验结果发现，增加粉砂土会增加改良膨胀土内部的小孔隙和大孔隙，而中孔隙的含量则减小，掺入的粉砂土改变了膨胀土的内部孔隙，并且大量的粉砂土会重新排列原来的土体颗粒，疏松土质，随着小孔隙的减少，形成了越来越多的大孔隙。大孔隙能较为明显的影响膨胀土渗透系数，是膨胀土工程建设的重要参考指标。

粉砂土的掺入极大增加了膨胀土的渗透系数，很大程度上改良了膨胀土渗透性能，但只有连通孔且大孔隙才能更大程度增加其渗透性，因此，判断土体的渗透能力还需考虑孔隙分布特征，是否连通等参数。

1.5 橡胶颗粒改良膨胀土的抗压强度试验研究

在学者宗佳敏的试验中[8]，采用向膨胀土中掺入橡胶颗粒的实验方法，测试在冻融循环条件下改良膨胀土的抗压强度。在试验时，把冷冻所需的温度设为零下20℃,12h的时长为一个冻融时长;冻融结束后，先关闭实验装置,接着将试验样品放置在室温条件下12h,上述过程完成即代表一个完整的冻融循环过程完成。在所进行的试验里的橡胶颗粒材料均为一般汽车所废弃不用的老旧轮胎上的橡胶，并把它们的粒径加工至1mm以下，这样的橡胶颗粒即为使用时的材料；在本次实验中所用的膨胀土取自阳段建设工地。研究人员进行了具体两个变量的试验，即是在不同橡胶颗粒含量以及不同冻融循环次数的条件下试验，结果表现为：膨胀土抗压强度随着橡胶颗粒所占比例的增加，先呈现外界施加压力时的强度极限增大的趋势，而后逐渐减小。并且，实验发现，当橡胶颗粒的含量为3%时，改良的膨胀土外界抗压强度达到最大；随着橡胶颗粒的增多，可以在一定程度上提高破坏应变，即降低试样刚度。在橡胶颗粒含量较小时，此效果不明显；当含量>5%时，试样刚度的降低才较为明显。此外，试验过程中，在冻融循环条件下，随着橡胶颗粒含量的增多，膨胀土的直径变化率也随之变化，并随其含量增多变化率增大；但是，冻融循环次数的越多，直径的变化幅度也就是测得的直径变化幅度越稳定。

1.6 石灰、橡胶颗粒改良膨胀土稳定性试验研究

在张立璟学者的研究中[9]，试验人员取用南澳大利亚阿德莱德唐纳街的膨胀土作为试验样品，使用0%、2.5%、5%的石灰粉末以及0%、5%、10%的橡胶进行标准普氏击实试验和无侧限抗压强度试验，用来评估掺入石灰，对膨胀土强度的影响。研究人员对土壤进行了粒度分析和阿太堡极限试验，以此来确定天然土壤所拥有基本性质。接着进行自由膨胀率试验，确定了天然土壤能够达到的膨胀程度。最后采用标准普氏击实试验和无侧限抗压强度试验，探究不同掺合料(橡胶和石灰)的百分比对天然土壤稳定性的影响。在试验中，可以发现随着膨胀土中石灰含量的增加，OMC(土壤最优含水量)增加，但是MDD(土壤的最大干密度)减小。接着，将橡胶颗粒加入石灰膨胀土，实验结果与上述加入石灰的结论基本一致。此外，研究人员发现，加入了5%石灰与5%含量的橡胶后，膨胀土样品的最大轴向应力达到最大，且所有加入石灰和橡胶颗粒的混合试样的轴向应力都得到显著增强，橡胶颗粒的掺入对轴向应力的影响不大。此外，无论是加入石灰还是橡胶颗粒亦或是混合掺入膨胀土，都会使土壤的抗压能力变强。但是10%的橡胶颗粒掺量反而会降低土壤的抗压能力。

1.7 电石灰改良膨胀土水稳定性试验研究

根据侯毓山，张朝元对电石灰改良膨胀土水稳定性的试验研究[10]表明，电石灰在一定程度上能显著改善膨胀土的水稳定性和力学性能。研究选取了电石灰掺量为 8%、12%、16% 和 20%的膨胀土进行试验，该试验对掺电石灰的混合膨胀土进行了击实试验研究，研究发现当电石灰参量逐步增加，混合膨胀土的最佳含水率减小后又逐渐增大，最大干密度则先增大后减小，且当电石灰掺量为16%时，最大干密度能取得最大值1.62g/cm3，其最佳含水率为10.1%。此外，试验采用浸水法模拟暴雨，在该环境下研究土体饱和的情况，相隔一定时间分别记录试验样品的崩解情况，试验结果发现电石灰的掺量越多，混合膨胀土的崩解速率越低。且试验发现膨胀土在浸水的1min之内崩解速率快，随后膨胀土崩解速率缓慢降低。最终得出结论，在一定程度上，膨胀土中随着电石灰的含量增多，膨胀土的膨胀量逐步减小呈下降趋势，且崩解速率也逐步降低。综上试验表明，电石灰的掺入在一定程度上能有效降低膨胀土的涨缩性，从而降低膨胀土工程的安全问题。

2 膨胀土研究现状与改良思路

目前的工程实践中多采用掺入化学外加剂的方法[11-12]对膨胀土进行改良,最常用的改性剂主要有粉煤灰、水泥、石灰、固化剂等,这些材料具有化学活性,能够发生一系列的放热作用、碳酸化作用、离子交换作用、凝聚作用、灰结作用等等,改善内部结构，从而达到控制膨胀土膨胀特性的效果。此外,掺入纤维、碎石[13]、岩粉[14]、橡胶颗粒[15]、煤矸石等材料对膨胀土进行的物理改良,优化土的内摩擦角、粘聚力、膨胀力、渗透性[16]等，也都获得了良好效果。

由于膨胀土的胀缩性能与土的矿物含量、土的含水率、土的密度与土的内在空间联结状态有关，目前对膨胀土的改良思路主要集中在改善粘土矿物的强亲水性、提高粘土颗粒之间的连接强度、改善粘土的微观结构、改善土的渗透性与水分迁移等。

许英姿博士指出，纯膨胀土渗透性较差，经碎石改良的膨胀土存在较大空隙，有效降低了膨胀土的黏滞阻力，加快水分的渗入和排出，减少土体吸水造成的工程影响。

庄心善教授指出，石灰-玄武岩纤维改良膨胀土效果显著，主要是由于石灰和玄武岩纤维在膨胀土中有着较好的分散性，能够形成稳定的三维空间结构体系，增强膨胀土颗粒之间的咬合能力，因而提高了膨胀土的抗拉强度和整体的稳定性。

学者张雁[17]指出，微观结构是影响膨胀土强度的主要因素之一，煤矸石的掺入可以大幅改善膨胀土的孔隙率、孔隙体积、孔隙密度等指标，提高膨胀土的抗剪强度，降低膨胀土的膨胀特性。

学者黄伟[18]指出，环境对膨胀土的影响不容忽视。酸雨、工业废水的渗入，会损坏膨胀土内部结构，劣化膨胀土力学性能，降低土质的稳定性和耐久性。水泥改性膨胀土增加了土体的密实度，填充了分内部孔隙，能够显著提升抗压性能和强度。

笔者目前正寻找合适的材料对南京部分地区的膨胀土进行改良。目前一些新型材料的加入，使改良土在三轴试验下测得的的粘聚力和内摩擦角与预期符合的较好。笔者认为，随着技术发展，现有关土体的微观扫描技术已趋于成熟，对膨胀土的改良研究可以深入到土体的微观结构。可以从土体孔隙、土颗粒内部的空间位置、土粒间的毛细压力联结状态、土体骨架排列分布和土体层理构造等方面着手考虑，从液限和塑性指数、最大干密度、最优含水率、粘聚力、抗剪抗压强度、内摩擦角、胀缩特性综合评价改良土性能指标。

3 结语

膨胀土作为一种拥有高承载力的高塑性黏土，虽然造成诸多危害，但在工程以及化工领域中作为一种矿产资源，有着许多有益的应用。通过对膨胀土的改良，降低了膨胀土对路基的破坏作用，减少了建筑物产生的位移、开裂甚至是破坏，保证了道路和建筑物的施工质量和使用寿命。目前围绕膨胀土进行的改良已有较多研究，取得了丰富的研究成果。然而在实际工程中，膨胀土产生的工程事故仍然时有发生，面临一些较为极端的情况时，还缺少有效的解决方法。对膨胀土的研究，例如膨胀土裂隙的形成机理、胀缩性、力学性质的各向异性等等仍存在较大空缺，需要国内外学者进一步深入研究。