禹州地区弱膨胀土石灰改良试验研究

侯合明，潘向丽，黄志全，陈 宇，王 振

(华北水利水电学院 资源与环境学院，河南 郑州 450011)

目前，国内外对膨胀土改性技术的研究已进行较多的理论分析和试验，改良剂种类也较多，使用较多的无机改良剂有石灰、水泥、粉煤灰等;有机改良剂有丙烯盐酸类、烯类和胺类等系列［1］。其中石灰改良［2-3］是国内应用最广泛的改良方式。通过对禹州地区膨胀土进行室内石灰改性试验，得出掺灰后土样的物理力学性质和强度的变化规律，并分析其改良效果和变化规律，确定出合适的掺灰比，要既能降低膨胀土的胀缩性、压缩性，又能提高其强度及水稳性，以期为该地区的工程实践提供有价值的参考。

1 土的基本物理性质与改良机理

1.1 土的基本物理性质

试验土样均取自南水北调工程中线禹州段新开挖的同一土坑内，取样位置埋深约4 m。通过室内基本物理性质试验测出其天然物性指标:天然含水率为17.5% ～18.5% ，天然干密度为 1.56 ～1.66 g/cm3，相对密度为2.72。标准轻型击实试验结果表明:最大干密度为1.69 g/cm3，最优含水率为 18.5%。液限为40%，塑限为22%，属于低液限粉质黏土;土样自由膨胀率为42%，该地区土属于弱膨胀土，作为工程地基填料必须进行改良处理。

1.2 改性机理

石灰作为改良膨胀土最常用的添加剂，它主要是给黏土中带来大量的 Ca2+和 Mg2+等离子，有效地降低了膨胀土的胀缩性，增强了水稳性和强度。阳离子交换作用，减小了水化膜的厚度，增强了黏粒间的结合力;石灰遇水生成的 Ca(OH)2，不仅形成 Ca(OH)2·nH2O水晶体，发生絮凝作用，还与土中的活性硅、铝矿物形成含水的硅铝酸钙等胶凝物，发生胶结作用;石灰与空气中的CO2反应，形成一种较弱钙—碳黏结物质，能使土碳化，反应生成 CaCO3，具有较高的强度和水稳性，土体强度得到了增强。

2 试样制备及试验方法

2.1 试样制备

将风干粉碎后的土样和干燥的石灰分别过2 mm和0.5 mm的筛子备用。本文所定义的掺灰比(W石灰)为石灰与干土质量之比，试验选用2%，4%，6%，8%四种掺灰比进行试验。将配置好的土样用塑料袋密封焖料24 h。试样干密度及含水率均按天然状态(干密度1.60 g/cm3，含水率18%)配制，即可使试样击实度达到94%，符合工程施工要求;试样养护龄期为7 d。按上述方法制取若干环刀试样(直径61.8 mm，高20 mm)和三轴试样(直径39.1 mm，高80 mm)备用。

2.2 试验方法

为研究改性后土的物理力学性质的变化规律，按照《膨胀土地区建筑技术规范》［4］进行了胀缩性方面的试验，试验使用轻便固结仪和收缩仪完成，得到胀缩性随掺灰比的变化规律;依照《土工试验方法标准》［5］，进行界限含水率试验、压缩试验、无侧限抗压试验;采用固结仪进行干湿循环试验，评价改良前后试样的水稳性。

3 试验结果分析

3.1 掺灰比对土物理性质的影响

3.1.1 塑液限及塑性指数

界限含水率与掺灰比关系见图1，随掺灰比的增大，液限变化较小，塑限有所增加，并非单调递增，并不像多数文献［6－7］中结果表述得那么有规律。改良后的膨胀土的黏粒含量降低，粉粒含量增大，但活跃的毛细吸力促使土粒聚合在一起，使改性土存在一定的潜在塑性，这致使弱膨胀土的界限含水率试验改性效果规律性不明显，其改性效果存在一个下限［7］。但对颗粒成分的影响依然很明显，还是能够达到降低黏粒含量的作用。

3.1.2 胀缩性

图1 界限含水率与掺灰比关系

石灰改性膨胀土最主要的目标是消除其膨胀性。由表1可以看出，随掺灰比的增加，胀缩性呈降低趋势。当掺灰比为4%时，自由膨胀率急剧下降到20%;无荷膨胀率、50 kPa膨胀率、线缩率、膨胀力也均有显著的降低;且掺灰比为4%时，胀缩性指标降低的趋势均已很平缓甚至接近水平，50 kPa膨胀率已接近为0。胀缩性试验结果呈现出较强的规律性，其改性效果明显。

表1 胀缩性试验结果

适量的石灰可以减少黏粒的含量，土粒比表面积减小，黏粒的亲水性降低，土的胀缩性降低;另一方面，土颗粒空隙变大，为改良土的膨胀预留一定的空间，使土体内部空隙能更多抵消土体的膨胀量［8-9］。然而掺灰量并非是越多越好，反应过剩的石灰填充于颗粒之间，将会降低土体内部对膨胀量的抵消能力［6］。掺灰比为4%时，已经可以达到消除胀缩性的目的。

3.2 掺灰比对土强度的影响

3.2.1 压缩性

压缩系数与掺灰比的关系曲线见图2。

图2 压缩系数与掺灰比关系

石灰掺入土后碳化生成的CaCO3具有较强的刚度;且石灰和水与土中大量存在的硅、铝元素发生作用，产生氢氧化钙硅和氢氧化钙铝，其过程使土脱水硬化。土的强度(刚度)的提高，降低了改性土的压缩性。如图2所示，随掺灰比的增加，土的压缩系数明显降低，使用改良土作为地基土填料时，地基的受荷变形将进一步减小。

3.2.2 无侧限抗压强度

分别对素土和掺灰比为4%的改良土样进行无侧限抗压强度试验。分析应力—应变曲线(见图3)可以得出:随应变的增大，改良试样应力增长的速度较快，刚出现峰值就出现了明显的破裂面，表现为显著的脆性破坏;素土试样破坏时没有明显的破裂面(见图4)，其脆性较小。掺灰比为4%的试样相对于素土试样，其无侧限抗压强度提高了近50%。两者干密度相同，而强度不同，这是由于改良土样黏粒间胶结力提高，石灰与土反应使土样脱水硬化使其强度增强所致。

3.3 掺入石灰对土水稳性的影响

室内干湿循环试验中，试样增湿至饱和状态，风干至与室内空气湿度平衡。通过测量试样高度变化和观察试验表面的裂缝的数量和大小，来评价改良土试样的水稳性。由图5可以看出，随循环次数的增大，试样饱和状态下的试样高度不断减小，干缩稳定时的高度逐渐变大，这两项变化趋势在逐渐变缓，其变化类似于动力学中“阻尼”现象。

图3 无侧限抗压强度试验应力—应变曲线

图4 无侧限抗压强度试验破坏后试样

图5 试样高度随干湿循环次数变化的关系曲线

掺灰比4%改良土样的胀缩幅度明显比素土的小很多。由图6可见，第一次干湿循环后，掺灰比4%改良土样较为完好，而素土试样的表面出现了显著的裂缝，试样周围出现了土颗粒及小块脱落现象。从试样与环刀之间的缝隙可以看出，掺灰比4%改良土样的侧向变形比素土试样也明显小很多。结果表明，掺灰比为4%的改良土样的水稳性有了很大的提高。

4 结论

1)石灰对弱膨胀土液塑限的改良存在一个下限，其规律性不强，但塑性指数总体上仍呈减小趋势，黏粒含量明显降低;掺入少量石灰，胀缩性即得到了显著的降低。

图6 第一次干湿循环后试样

2)压缩试验和无侧限抗压强度试验表明，掺灰比4%改良土的抵抗变形能力和强度均得到了提高，更适合作为地基土层。

3)干湿循环试验表明，改良土的水稳性有了较大的提高。将含水率受外界条件影响较大的浅部膨胀土进行改良，将会使膨胀土地基的工程稳定性得到较大改善。

4)从室内试验的角度出发，禹州地区改良弱膨胀土的最佳掺灰比为4%。室内确定的最佳掺灰比以及对改良机理的分析，可为工程实践复杂条件下的现场改良试验提供参考。

［1］ 王保田，张福海．膨胀土的改良技术与工程应用［M］．北京:科学出版社，2009．

［2］ 卢炜，周永明．荷关高速公路采用生石灰粉处理软弱地基施工技术［J］．铁道建筑，2008(7):72-73．

［3］ 刘汉东，李维朝，陈宇．膨胀土路基石灰改性试验研究［J］．华北水利水电学报，2006，27(2):76-78．

［4］ 城乡建设环境保护部．GBJ 112—87 膨胀土地区建筑技术规范［S］．北京:中国计划出版社，1989．

［5］ 中华人民共和国水利部．GB/T 50123—1999 土工试验方法标准［S］．北京:中国计划出版社，1999．

［6］ 谭松林，黄玲，李玉花．加石灰改性后膨胀土的工程性质研究［J］．工程地质学报，2009，17(3):421-425．

［7］ 张小平，施斌，陆现彩．石灰改良膨胀土微孔结构试验研究［J］．岩土工程学报，2003，25(6):761-763．

［8］ 程钰，石名磊，周正明．消石灰对膨胀土团粒化作用的研究［J］．岩土力学，2008，29(8):2209-2214．

［9］ 杜红伟，谢玉辉，张弛．南阳地区中弱膨胀土的试验研究［J］．铁道建筑，2010(8):107-109．