高速公路膨潤土摻灰試驗研究

張法寶

（安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

高速公路膨潤土摻灰試驗研究

張法寶

（安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

隨著我國高速公路的大量修建，穿越膨潤土地區(qū)的公路越來越多，膨潤土邊坡失穩(wěn)成為影響工程質(zhì)量和行車安全的主要因素。本文通過對膨潤土的石灰改良試驗研究，對比分析膨潤土改良后粘粒含量、含水量、CBR等與不同摻灰率之間的關(guān)系，確定了膨潤土的最佳摻灰率，試驗結(jié)果可供相關(guān)工程參考。

高速公路 膨潤土 石灰 改良

1 引言

對于公路建設(shè)而言膨潤土是一種不良土質(zhì)，在全國范圍內(nèi)分布比較廣泛，在高速公路建設(shè)過程中，有時會不可避免地遭遇膨潤土路基路段。膨潤土主要是由蒙脫石、伊利石、高嶺石等組成，由于這些親水物質(zhì)造成膨潤土吸水膨脹，失水收縮，常給膨潤土地區(qū)的工程建設(shè)造成嚴重的破壞以及巨大的經(jīng)濟損失，且其造成的破壞是長期的、反復(fù)的和潛在的。

膨潤土對工程建設(shè)造成的破壞主要表現(xiàn)為：其一，在路堤填筑后，膨潤土可能在其表面產(chǎn)生滑動；其二，在各種荷載作用下，路堤易產(chǎn)生不均勻下沉；其三，路基含水率的不均勻變化將引起土體的不均勻脹縮，產(chǎn)生幅度很大的橫向波浪形變形；其四，雨季路面滲水，路基浸水軟化，在行車荷載作用下，易造成唧漿。

針對膨潤土的這些影響，目前工程上采用的改良方法主要是化學(xué)改性。例如在膨脹土中摻石灰、水泥、粉煤灰、氯化鈉和磷酸等外摻穩(wěn)定劑對其進行改性。其中，利用石灰改良膨潤土是最普遍、最有效的方法之一。

山東境內(nèi)某高速公路沿線分布有膨潤土，由于不斷受到雨水侵蝕作用，部分邊坡不同程度地發(fā)生了沉陷、溜塌、坍塌，嚴重危及到道路暢通和行車安全。針對膨潤土造成的病害，本文通過對高速公路沿線膨潤土路段摻入石灰進行研究，由于摻灰率的多少對膨潤土的治理效果影響較大，為此采用對膨潤土摻入不同比例的石灰，通過室內(nèi)試驗以期找到最佳摻灰率而達到最佳的膨潤土改良效果。

2 石灰改良土的改良機理

在改良過程中，石灰與膨潤土發(fā)生作用：

（1）陽離子交換作用

石灰中的Ca2+與土顆粒表面的陽離子如：Na+、K+、H+發(fā)生交換作用，使土顆粒膠體的雙電層中擴散層變薄，土顆粒間結(jié)合力增強，土體強度提高，改善土體性質(zhì)。由于石灰中的Ca2+與土顆粒表面的陽離子發(fā)生交換作用，改變了土顆粒表面的帶電性質(zhì)，從而使膠體顆粒加速絮凝，小的團粒相互凝聚變成大的團粒。

（2）膠凝作用

石灰中的CaO與土中的SiO2、Al2O3發(fā)生反應(yīng)，生成復(fù)雜的化合物，如硅酸鈣鹽、鋁酸鈣水化物，產(chǎn)生較強的粘結(jié)作用，使改良土的強度提高。

（3）碳酸化作用

改良土中的石灰與空氣中的CO2發(fā)生鈣化反應(yīng)，生成CaCO3使土硬化，起到了固化土體的作用。

（4）由于生石灰與水在熟化過程中，發(fā)生吸水、發(fā)熱、膨脹作用，可以降低土體含水量，促進土體的固結(jié)，這也有助于土體強度的提高。

3 膨潤土摻灰試驗

室內(nèi)試驗操作按《公路土工試驗規(guī)程》（JTJ051—2004）進行。

3.1 試驗方法

摻石灰率是指生石灰質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，主要是通過試驗研究來完成。試驗時按比例稱取一定質(zhì)量的生石灰將其消解后摻入干土中。在摻石灰過程中，摻石灰率是影響改良質(zhì)量的重要因素。生石灰等級為二級（要求石灰中的CaO和MgO的含量高于70%）。為了確定膨潤土的最優(yōu)含水率和最佳干密度，擊實試驗的摻石灰率從5%到9%，每相鄰的摻石灰率之間相差2%。

3.2 取樣

通過現(xiàn)場實際調(diào)查，該高速公路沿線的膨潤土一般為棕黃色、黃色粘土，硬塑-半堅硬狀態(tài)，含有較多灰白色高嶺土。為了確保能取到典型的土樣，在對全路段各種土源膨脹性指標進行詳細查明后，在K24+200～K31+100和K33+500～K51+300兩個路段選取了有代表性的弱膨潤土土源，采集膨潤土土樣。

3.3 試驗研究

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》，本次試驗包括土的常規(guī)物理指標試驗和反映膨潤土特性的試驗。主要試驗有液塑限聯(lián)合測定法、顆粒大小分析試驗、密度試驗、自由膨脹率試驗、膨脹力、承載比（CBR）試驗、擊實試驗以及膨潤土不同摻灰率的相關(guān)試驗和有機質(zhì)含量試驗及易溶鹽含量試驗。通過以上試驗，可得到膨潤土不同摻灰率改良前后的各項指標值，對各種不同摻灰比的膨潤土混合料的試驗數(shù)據(jù)進行分析，以期以最佳摻灰量達到最好的改良效果。

3.4 試驗結(jié)果分析

為了明確膨潤土的顆粒、膨脹量、含水率、最大干密度、承載比等與不同摻灰率的關(guān)系，應(yīng)選取有代表性的土工試驗進行分析。主要試驗有摻灰前后的擊實試驗、室內(nèi)CBR（承載比）試驗以及不同摻灰率的條件下的擊實試驗、室內(nèi)CBR（承載比）試驗等。

3.4 .1 摻灰前后的顆粒分析對比試驗

摻灰前后的顆粒分析對比試驗成果表見表1。

由表1可以看出，改良土中砂粒組含量增大，而粘粒含量及膠粒含量減少，表明土的比表面積減少，土粒分散程度降低，土顆粒之間因離子交換作用形成了比原土顆粒之間更為緊密的結(jié)構(gòu)，土顆粒與水分的接觸面積減少。

3.4 .2 摻灰前后的擊實試驗

通過對摻灰率分別為5%、7%、9%改良后的膨潤土樣及摻灰前的膨潤土樣擊實試驗數(shù)據(jù)結(jié)果整理和對比分析，可以得出最優(yōu)含水量、最大干密度與不同摻灰量的關(guān)系曲線。改良土最優(yōu)含水量與摻石灰量的關(guān)系曲線見圖1，改良土最大干密度與摻石灰量的關(guān)系曲線見圖2。

從圖1和圖2可以看出，在擊實功相同的情況下，改良土的最優(yōu)含水量隨著摻灰劑量的增加而增加，但是增幅并不十分明顯，而其最大干密度隨著摻灰劑量的增加而減小，且在摻劑量為0～3%之間變化得最為明顯，隨后變化相對比較緩慢。其主要原因是：首先，從膨潤土具有的雙電層結(jié)構(gòu)與水化膜來看，膨潤土的雙電層是由固定層和擴散層構(gòu)成，而水化膜是由強結(jié)合水與弱結(jié)合水構(gòu)成，固定層和擴散層又分別與膨潤土粘粒周圍的強結(jié)合水與弱結(jié)合水分別相對應(yīng)，當(dāng)膨潤土中加入石灰后，石灰會與膨潤土發(fā)生離子交換作用使膨潤土粘粒雙電層電位降低，進而導(dǎo)致擴散層厚度減小，弱結(jié)合水膜厚度減小，也就是使粘粒周圍的一部分弱結(jié)合水與粘粒脫離，從而使摻石灰膨潤土的密度減小；其次，即使在含水量相同的情況下，石灰的密度本身就比素的膨潤土的密度小，因而兩者即便是物理混合也會使摻石灰膨潤土的密度減小。

3.4 .3 摻灰前后的膨脹量試驗

通過對摻灰前和摻灰后的膨潤土擊實試驗數(shù)據(jù)分析整理，可以得到膨脹量與不同摻灰率的關(guān)系曲線，改良土的膨脹量與摻石灰量的關(guān)系曲線圖如圖3所示。

從圖3可以看出，在擊實功相同的情況下，改良土的膨脹量隨著摻劑量的增加而減小，且在摻劑量0～5%之間變化得最為明顯，隨后變化相對比餃緩慢。摻灰量超過5%后，膨脹量基本沒有多大的變化。

3.4 .4 摻灰前后的承載比（CBR）貫入試驗

改良土的CBR值與不同摻灰量的關(guān)系曲線如圖4所示。膨潤土在不進行摻石灰改良的時候，其CBR的值較低，不符合路基壓實的要求。摻石灰對CBR值的提高是相當(dāng)明顯的。另外，擊數(shù)對CBR值的影響也不小，隨著擊數(shù)的增加，摻石灰膨潤土的CBR值也顯著增加。由圖4可知，摻石灰對膨潤土的CBR值有相當(dāng)?shù)奶岣咧担遣⒉皇菗绞衣试酱?，CBR的值就提高越多，相反，當(dāng)摻石灰劑量超過7%后，其CBR值將隨著摻灰劑量的增加而降低。對于本試驗試樣的膨潤土來說，摻石灰率應(yīng)大約在5%～7%之間，當(dāng)采用5%的摻石灰率來改良膨潤土，CBR值高達110，符合路基壓實的要求。

表1 摻灰前后顆粒分析對比試驗成果表

圖1 改良土最優(yōu)含水量與摻石灰量的關(guān)系曲線

圖2 改良土最大干密度與摻石灰量的關(guān)系曲線

圖3 改良土的膨脹量與摻石灰量的關(guān)系曲線

圖4 改良土的CBR值與摻石灰量的關(guān)系曲線

3.4 .5 最優(yōu)摻灰率的確定

分析以上不同比例的石灰摻入改良膨潤土的各項指標值，改良效果與摻入量不成線性關(guān)系，因此合理確定摻入量是膨潤土改良效果的關(guān)鍵之一。對弱膨潤土而言，5%～7%的摻灰率改良的膨潤土效果相差不是很明顯，考慮到工程造價等因素，確定弱膨潤土的最佳摻灰率為5%。

3.5 試驗總結(jié)

通過對膨潤土摻灰改良試驗，得到了以上各項指標與不同摻灰率關(guān)系曲線圖，試驗結(jié)果表明：（1）在擊實功相同的情況下，改良土的最優(yōu)含水量隨著摻劑量的增加而增加；其最大干密度隨著摻劑量的增加而減小。（2）在擊實功相同的情況下，改良土的膨脹量隨著摻劑量的增加而減小，且在摻灰劑量0～5%之間變化得最為明顯，隨后變化相對比較緩慢。過了5%以后，膨脹量基本沒有多大的變化。（3）摻灰對膨潤土的CBR值有相當(dāng)?shù)奶岣咧?，但是，并不是摻灰率越大，CBR的值就提高越多。CBR值隨摻石灰率的增加呈拋物線變化，CBR值最大時，摻石灰率大約在5%～7%之間。同時，擊數(shù)的增加對膨潤土的CBR值提高影響比較明顯。

4 結(jié)束語

對于膨潤土，石灰是一種很好的改良劑。一定劑量的石灰可使膨潤土體的膨脹性能顯著降低，但這種降低并不是無限制的。試驗路段采集的弱膨潤土經(jīng)石灰改良處理后，土的顆粒組成、物理性質(zhì)、脹縮特性等均有明顯改善，力學(xué)強度得到提高。

摻入石灰改良膨潤土的過程就是降低其膨脹性，提高其強度的過程，隨著石灰的摻入，膨潤土體的各項指標，例如與土體粘性相關(guān)的粘粒含量、最大干密度等都出現(xiàn)不同程度的下降，最優(yōu)含水量和CBR值出現(xiàn)不同程度的提高，說明石灰改良膨潤土的方法是可行的