石灰改良膨胀土的工程特性研究

李经辉

（海南协立工程咨询有限公司，海南海口 570100）

石灰改良膨胀土的工程特性研究

李经辉

（海南协立工程咨询有限公司，海南海口 570100）

膨胀土在干湿循环作用下发生的胀缩效应易发生各种工程病害。文中结合工程实例，针对石灰改性剂对膨胀土的影响进行试验研究。结果表明，石灰改良膨胀土能有效减缓土的胀缩作用带来的破坏，在浸水状态下，改良膨胀土的CBR强度指标满足设计要求，且胀缩量较小，最大不超过1%，在控制膨胀土初始含水量等条件下能作为路基填料。

公路；膨胀土；胀缩；浸水；含水量

膨胀土在温度、天气等反复作用下会发生反复的胀缩作用，引起土体开裂，对公路的稳定性造成极大影响，所以在世界范围内，膨胀土被称为“工程界之癌”。膨胀土在中国分布广泛。关于膨胀土及其影响的问题学者们作出了许多有益探索：李雄威等根据前人对膨胀土裂隙的研究，以自编软件对广西某工程项目在不同含水率下的裂隙发展状态进行了现场记录，并通过二值化处理和自动分析统计，得出了膨胀土体裂隙与渗透系数、含水率等的关系；膨胀土易受干湿循环影响而发生胀缩，吕海波等通过相关干湿循环试验，控制土体的含水率、循环次数等参数，研究了膨胀土的抗剪强度在干湿循环作用下的影响因素，结果表明抗剪强度受循环次数的增大而减小，且干湿循环作用将造成土体颗粒间联结力的不可逆削弱；崔素丽等对膨胀土添加水泥窑灰改性剂，通过对改性膨胀土的膨胀特性、水理特性等的研究，验证了水泥窑灰对膨胀土胀缩效应具有良好的改性作用，可有效提高路基填土的稳定性。该文以东南沿海某道路工程为例，结合室内试验，对石灰改良的弱膨胀土进行研究，为公路路基在膨胀土分布较广地区的填料就地取材和工程应用提供参考。

1　工程概况

该工程所在地区降雨充沛，属于典型的亚热带季风气候区。岩溶地貌中分布了广泛的膨胀土，以伊利石、蒙脱石为主。该地区干湿特征分明，对干湿循环引起膨胀土的胀缩效应有促进作用。开挖发现多为棕黄色黏土，裂隙发育，并且有白色填充物。根据现场测试结果，对较为典型的膨胀土标段K36+ 020—120、K63+000—150进行室内外试验研究。在现场取土深度2.0～3.3m进行试验指标检测，表1为其平均物理性质指标。参照GB50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》，判定该标段多为弱膨胀土。表2为试验段的土体化学成分指标。

表1　试验段膨胀土的物理性质指标

表2　试验膨胀土化学指标

2　试验方案

膨胀土问题在工程上常采用化学加固的机理来解决，其中以石灰作为化学改良剂掺入膨胀土中发生石灰效应，对膨胀土的工程性质可起到较好的改善作用，是常用的解决方案之一。石灰改良膨胀土能通过掺加剂与土颗粒间在碱性条件下的离子交换和絮凝作用，提高土的性质，随龄期的增加，改良膨胀土的稳定性得到有效提高，同时伴随生石灰CaO水解反应引起的吸水放热现象，一方面降低膨胀土的含水率，另一方面由于反应进行后的Ca（OH）2体积增大，进一步对岩体产生凝固作用。

膨胀土受土体含水率、压实功及石灰改良剂掺量的影响较大，且在室内进行的CBR试验不能真实模拟现场的土体环境，故拟在K36+020—120、K63 +000—150分别进行现场试验，对比分析素膨胀土在击实试验下的最佳含水量和最大干密度变化，并通过自由膨胀势试验、现场CBR指标研究该段公路路基填土的性质；对比素膨胀土，根据试验结果确定石灰改良剂的最佳掺量及该地区膨胀土的含水率控制值。试验所用石灰的化学成分包括：CaO，含量为74.28%；MgO，含量为0.55%。

3　试验结果及分析

3.1 击实试验

含水率对土的压实度影响较大。首先根据JTGE40-2007的相关要求，选用干法制备试件，并采取重型击实法进行试验，控制试验的击实次数（27、70、95击），掺入5%的石灰（理论最佳掺量），得到最佳含水量和最大干密度值（见表3）。

表3　膨胀土击实试验结果

由表3可知：随击实功的增加，石灰改良膨胀土和素膨胀土的含水量和最大干密度的变化趋势相似；6%石灰掺量对膨胀土含水量有较大改善，在27击时，石灰改良膨胀土的含水量较素膨胀土试件降低8%，最大干密度值则增大，且随击实次数的增加呈递增趋势。膨胀土易受含水率变化发生胀缩反应，其干密度势必会呈相反变化，石灰添加剂能降低土的含水率，使土体的联结结构发生变化，提高膨胀土体的抗剪强度。

3.2自由膨胀率试验

自由膨胀率是在无结构外力荷载下土颗粒间的自由膨胀特征，工程上常用它作为土体膨胀势的初判指标。在K36+020—120、K63+000—150段现场取多个点进行自由膨胀率试验，取样深度2.1～3.2m，并与工程前期该段膨胀土膨胀潜势作对比，结果见图1。

工程中把自由膨胀率δ＞40%的土评定为膨胀土。由图1可见：8个取样点处的膨胀土在掺入石灰后其自由膨胀率明显降低，意味着改良膨胀土在结构稳定性方面得到提升。比较二者自由膨胀率最大的第2取样点值，未添加石灰前的土体已超过中膨胀土的评定指标（65%＜δ＜90%），待石灰在土颗粒中得到充分作用后，自由膨胀率下降23.5%。受施工过程中人为及天气等因素的影响，不同标段试验结果有误差，但石灰改良膨胀土的自由膨胀率均小于素膨胀土，表明石灰在土中发生的物理和化学反应对降低土的膨胀趋势有较好的帮助。掺入石灰后，2、4、8取样点附近呈中膨胀土改良为弱膨胀土的趋势，其他几个取样点的弱膨胀潜势也呈减缓趋势。

图1　膨胀土自由膨胀率试验结果

3.3CBR试验

在实际工程中，素膨胀土的CBR强度指标很难达到规范限值。在经过击实试验得到改良膨胀土的最佳含水量和最大干密度的基础上，进行室内CBR试验。由于膨胀土在浸水状态下其粘聚力会受到较大影响而下降，土体的强度也将因此削减，故在进行CBR试验时，选用最佳含水量及上下两个量值，研究控制浸水条件下石灰改良膨胀土的特性。试验结果见表4、表5、图2。

表4　素膨胀土CBR试验结果

表5　石灰改良膨胀土CBR试验结果

图2　试验CBR指标

由表4、表5可知：石灰改良剂影响膨胀土的含水变化，在浸水后其膨胀率均不超过1%；而素膨胀土的浸水膨胀率最大值超过10%，胀缩效应十分强烈，如此反复影响下将导致土体裂隙不断发育；素膨胀土浸水前后干密度最大变化达到11.1%。由于膨胀土中包含较多的亲水黏土矿物，如高岭石、蒙脱石等，不同湿度条件下晶体的晶层间距会发生较大改变，造成土体的胀缩量发生明显差异，加上晶体自身亲水化能力较强，膨胀土在不同浸水条件下会发生较大的膨胀效应。

在实际工程中，膨胀土的初始含水量至关重要，尤其在降雨量充沛、干湿交替反复条件下极易造成路基土体因外来水的侵入而发生胀缩，导致路基强度降低。应严格控制施工质量，一方面采用包边法和对路面增加薄层防水材料抵制外来水对膨胀土路基的水损坏，另一方面应重视道路排水系统工程建设。石灰改良膨胀土的浸水膨胀率变化极小，通过适当的改性，膨胀土能作为路基的填料，节约成本。

由图2可知：膨胀土受浸水作用影响很大，CBR最大值分布略小于理论最佳含水量，与素膨胀土的CBR值差值超过65%，这是由于素膨胀土在水的浸润作用下粘聚力下降较快，遇水软化膨胀造成土体强度削弱；加入石灰后，土体受水的影响幅值明显减小，浸水状态下的CBR强度值远高于规范要求，与素膨胀土的最大差值达100%，石灰在膨胀土中发挥了充分效用。

4　结论

（1）膨胀土在6%的理论最佳石灰掺量改性作用下，其最佳含水量和最大干密度均朝有利方向变化，而土体的含水量将影响其胀缩效应强度，石灰改良膨胀土可在一定程度上减缓膨胀土路基的浸水破坏。

（2）在石灰的物化作用下，膨胀土的自由膨胀率下降23.5%，路基填土的整体膨胀潜势得到削减。

（3）素膨胀土的CBR试验值无法达到规范要求；加入石灰改性剂后，其浸水膨胀率变化不超过1%，承载比与素膨胀土的差值最大达到65%，完全满足规范要求。膨胀土分布较广地区可根据其实际情况采用物理或化学方式改良土质，避免工程上借方弃方带来的不经济、拖延工期等影响。

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U416.1

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1671-2668（2016）04-0095-03

2015-12-28