石灰土灰剂量测定的探讨★

张 亚 涛

(安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

我国多达20余个省、市、自治区分布有膨胀土。膨胀土是指粘粒成分主要由强亲水性矿物蒙脱石与伊利石组成，具有显著湿胀干缩和反复湿胀干缩性质的特殊粘性土，膨胀土对公路建设危害较大，常出现油面开裂、路基翻浆、边坡沉塌、滑坡等危害。随着我国经济的快速发展，大量高等级的公路需要修建，然而膨胀土不能直接用于路基填筑，使用前必须对其进行特别处理，掺加石灰作为一种简便易行的方法越来越受到重视。因为石灰土在成型初期具有一定的稳定性、水稳性和板结性，且随着时间的增长，强度、板结性及水稳性也会增长，又因其取材方便，施工工艺简单，所以石灰土被广泛应用于我国的道路工程。但不同区域素土配成的石灰土的灰剂量都有一个最佳值，过高或过低都会造成石灰土的无侧限抗压强度的下降，因此控制石灰土质量的重点和难点就是石灰剂量的控制[1-4]。目前常用EDTA滴定法检测石灰剂量，该方法能够在工地快速测定出石灰稳定材料中灰剂量，并可用于检查现场拌和、摊铺的均匀性。

现实中，有的工地没有条件进行现场测试，需要拿到检测单位进行检测时，当送的样比较多，一天内做不完时(不同龄期对应着不同的EDTA二钠标准溶液消耗量与灰剂量的标准曲线)，或者为了以后工程质量问题的检查与责任追究，我们就需要把石灰土尽可能固定在某一个龄期。由于石灰与膨胀土间主要是离子置换反应，而这种交换过程是通过土粒四周的结合水和自由水的离解作用发生的。从张志宏、杨贞武和王岗[5,6]对石灰土的研究中可知：石灰土中含水量越高，石灰中的钙、镁离子越容易与土内部的离子发生置换作用，从而使石灰土中游离态的Ca2+减少。因此我们可以采用快速烘干法把石灰土的含水量尽可能的减小，从而使其对石灰与素土间反应的影响可以忽略不计。这样以来，烘干以后的石灰稳定材料中的钙离子就几乎不与土中的矿物发生反应，但是烘干过程中是否有钙离子与素土中的矿物发生反应，则不得而知，且这个过程对最终测定结果的影响程度如何，这些都是试验中需要解决的问题。

1 试验

1.1 石灰改良膨胀土的机理

1.1.1膨胀土膨胀性的改良机理

膨胀土中的膨胀性矿物吸水，在膨胀土晶格、粘土颗粒和聚集体间形成结合水膜，水膜的厚度决定着膨胀土变形的大小。水膜越薄，颗粒间的粘结力就越大，土的胀缩性就越小；反之，水膜越厚，颗粒间的粘结力就越小，土的胀缩性就越大[6,7]。因此，为了减小膨胀土的膨胀性，就必须尽可能地减小结合水膜的厚度。

膨胀土中掺入石灰可使膨胀土中Ca2+含量提高，这时高价的Ca2+就会置换结合水膜中低价的Na+和K+，使结合水膜的厚度减小，颗粒间的粘结力增大，最终达到降低膨胀性的目的。

1.1.2膨胀土力学性能的改良机理

石灰与含水的膨胀土接触后，将发生团聚、胶结、火山灰化和碳化等一系列物理化学反应的作用，这使石灰改良膨胀土形成了凝胶结晶的网状混合结构[8-11]，改良了膨胀土的物理力学性能。实践证明：当改良膨胀土的含水量小于某值时，石灰与膨胀土基本不发生化学反应[6]。

从石灰改良膨胀土的机理中我们可以看出，水的存在对石灰剂量在龄期中的变化起着至关重要的作用。

1.2 石灰剂量的测定原理与方法

根据JTG E51—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程中规定的试验步骤，石灰土中加入10%的NH4Cl溶液，主要是把其中钙的化合物转化为易溶的CaCl2，然后取上层悬浮夜，加入1.8%的NaOH溶液(内含三乙醇胺)，使溶液pH值在12.5～13.0之间，主要是规避石灰土溶液中Mg2+的干扰(Mg2+在pH值大于11时，会形成难溶的Mg(0H)2沉淀)，而溶液中的三乙醇胺可以与石灰土溶液中Al3+，Fe3+形成非常稳定的配合物，因此EDTA二钠标准溶液只是对石灰土中Ca2+含量进行滴定。

因为一定的Ca2+含量对应着一定的石灰剂量，所以我们可以用EDTA二钠标准溶液的消耗量来反映石灰土中的石灰剂量。由于素土和石灰中都能用10%的NH4Cl溶液溶出Ca2+，且当石灰剂量改变时，素土质量也随着改变，所以EDTA二钠标准溶液的消耗量和石灰土中石灰剂量不存在严格的线性关系。但是从张福海、刘崭、张志宏等[5,8,12]对石灰土的研究结果中可知：石灰土中的石灰剂量与EDTA二钠标准溶液的消耗量存在近似线性的关系，笔者大量的试验也证实了这一点。究其原因，就是同等质量的素土和石灰，在相同试验环境下，素土中溶出的Ca2+量与石灰中溶出的Ca2+量相比，前者非常小，所以，某一石灰土的石灰剂量可以在经过线性拟合后的EDTA二钠标准溶液消耗量、石灰剂量曲线中查得。

2 试验

2.1 试验内容

把从工地取来的素土、消石灰烘干后，分别根据6%和8%石灰土最佳含水量配置成6%和8%的石灰土，再把不同剂量的石灰土分成三份(每份300 g)，按照表1中三种处理方式分别进行处理，6%石灰土处理后的试样分别为6-1，6-2和6-3，8%石灰土处理后的试样分别为8-1，8-2和8-3。

表1 试样处理方式

2.2 试验结果与分析

105 ℃±5 ℃环境中处理试样6 h后，于干燥器中冷却至常温，然后加入600 mL 10%氯化铵溶液，震荡5 min，静止，10 min左右取上层澄清液10 mL，加入适量钙红指示剂，用配好的EDTA二钠标准溶液进行滴定，记录消耗EDTA二钠标准溶液的体积。同时，向20 ℃±3 ℃环境中保存的300 g石灰土中加入600 mL 10%氯化铵溶液，按上述方法进行试验，测定出10 mL上层清液EDTA二钠的消耗量。试验后单位质量的石灰土消耗EDTA二钠标准溶液的体积如表2所示。

表2 不同处理方式石灰土的EDTA二钠消耗量 mL/g

从表2中可以看出，摊开放于105 ℃±5 ℃环境中烘6 h的石灰土与20 ℃±3 ℃环境下密封保存6 h的石灰土单位质量消耗EDTA二钠量相比，明显下降。说明烘制过程造成石灰土中的钙离子严重减少，烘制过程有加速土壤中的矿物与钙离子反应的作用，因为烘制过程中的含水量从初始状态到很低(或接近零)需要有一个过程，尽管该过程时间很短。密封保存在105 ℃±5 ℃的环境中6 h的石灰土与20 ℃±3 ℃下密封保存6 h的石灰土单位质量消耗EDTA二钠量相比，下降更多，这说明，在有水和较高温度环境下土壤中的矿物与钙离子反应的速度更快；以上这些从侧面表明：在有水存在时，温度升高会加快石灰与膨胀土间的反应，温度降低，则会减弱石灰对膨胀土的改性效果；影响石灰改良膨胀土灰剂量测定值的因素不仅有龄期，还有温度和含水量。同时也解释了杨志强等[13]的研究成果：石灰膨胀土试样在80 ℃下养护48 h后的强度可以达到同样的试样在室温下养护两年后的强度。在这里把这种现象称之为石灰土的“时温等效性”，即正常环境下，石灰土在长时间后才能达到的性能，可以通过人工控制的环境在短时间内实现。这为以后对于石灰土的研究会大有帮助，比如想知道长时间后石灰土的一些性能参数值，我们在试验室内可以短时间内实现，还可以进行一些龄期和灰剂量的追溯。

3 结语

影响石灰土灰剂量测定的因素除了龄期外，还有温度和含水量；石灰土中也存在“时温等效”现象，该现象的存在将为日后长龄期石灰土的研究提供一种可能。