安徽膨脹土摻石灰改良的試驗研究

張永生，崔可銳，查甫生，馬海春

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

膨脹土(李生林等，1992)是一種吸水膨脹、失水收縮、脹縮變形顯著的黏性土，其礦物成分以強(qiáng)親水性礦物蒙脫石和伊利石為主，主要工程性質(zhì)是具有多裂隙性、超強(qiáng)固結(jié)性、強(qiáng)親水性和反復(fù)脹縮性。

膨脹土中黏粒主要由親水性礦物、氫氧化物和各種難溶鹽類組成，含有較多的蒙脫石、伊利石、高嶺石等，其特點(diǎn)是透水性差、吸水膨脹、失水收縮，并具有較大的脹縮變形能力，遇水導(dǎo)致強(qiáng)度降低，引起地基變形破壞。

改良膨脹土一般采用經(jīng)濟(jì)實用的石灰。石灰對膨脹土的改良屬于膨脹土改良法中的化學(xué)改良法，是處理膨脹土的最普遍和有效的方法，具有經(jīng)濟(jì)與實施方便的優(yōu)點(diǎn)，在工程界應(yīng)用十分普遍。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

安徽省位于中國東南部，居華東腹地，面積13.97萬km2。其中膨脹土面積總計41 742.41 km2，在宿州、懷遠(yuǎn)、蚌埠、合肥、廬江、桐城膨脹土分布極其廣泛(圖1)。

2 石灰改良膨脹土的機(jī)理

在膨脹土中加入石灰進(jìn)行改性處理，主要是針對黏土礦物中易親水的蒙脫石和伊利石，使其與石灰發(fā)生化學(xué)離子交換作用，通過微結(jié)構(gòu)的改變來改變土的工程性質(zhì)(查甫生等，2006)。

膨脹土中加入石灰后，二者發(fā)生物理和化學(xué)作用，包括離子交換、Ca(OH)2結(jié)晶、碳酸化和火山灰反應(yīng)。Ca(OH)2解離后的Ca2+與黏土膠體顆粒反離子層上的K+、Na+進(jìn)行交換，膠體吸附層減薄，膠體顆粒發(fā)生聚結(jié);Ca(OH)2與水作用形成的含水晶體將黏土顆粒膠結(jié)成整體，以及形成CaCO3過程的碳酸化反應(yīng)和形成硅酸鈣、鋁酸鈣過程的火山灰反應(yīng)均改變了膨脹土的力學(xué)性質(zhì)，其強(qiáng)度和水穩(wěn)定性大大提高，脹縮性也得到了控制(劉錫勒，2004;張海彬，2005)。

3 研究區(qū)膨脹土摻灰比研究

摻灰比是指生石灰質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。試驗時按比例稱取一定質(zhì)量的生石灰將其消解冷卻后摻入土樣中，生石灰等級為二級(要求石灰中CaO和MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于70%)。

圖1 安徽省膨脹土分布圖Fig.1 Map showing distribution of expansive soil in Anhui Province

對所取土樣按比例摻入石灰進(jìn)行各項試驗并與素土試驗進(jìn)行對比分析。摻入石灰的比例為2%～12%，相鄰的摻灰比之間相差2%。室內(nèi)試驗方案按《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)進(jìn)行，對石灰土進(jìn)行物理、力學(xué)性質(zhì)以及脹縮性質(zhì)的試驗。

試驗所用土樣取自宿州、懷遠(yuǎn)、蚌埠、合肥、廬江、桐城，其自由膨脹率如表1所示，均為典型膨脹土，主要形成于Qp時期，含大量球狀鐵錳結(jié)核。

表1 自由膨脹率試驗結(jié)果Table 1 Test results of free swelling rate

3.1 擊實試驗

將宿州、懷遠(yuǎn)、蚌埠、合肥、廬江、桐城6地的素土和石灰土擊實試驗得到的數(shù)據(jù)制成表2和表3。

表2 安徽不同地區(qū)不同摻灰比灰土的最大干密度Table 2 Maximum dry density of lime soils with different lime ratios in different areas of Anhui

表3 安徽不同地區(qū)不同摻灰比灰土的最優(yōu)含水率Table 3 Optimum moisture content of lime soils with different lime ratios in different areas of Anhui

通過對6個地區(qū)的膨脹土擊實試驗研究可知：(1)宿州、蚌埠、懷遠(yuǎn)、合肥、廬江、桐城地區(qū)膨脹土的最大干密度與摻灰比呈反比變化;(2)總體而言，宿州、蚌埠、懷遠(yuǎn)、合肥、廬江、桐城地區(qū)膨脹土最優(yōu)含水率隨摻灰比的增加而增加。

3.2 強(qiáng)度試驗

采用上述擊實試驗所得到的最優(yōu)含水率和最大干密度的0.95倍(相當(dāng)于95%的壓實度)制作試件，分別測試摻石灰土樣的7天養(yǎng)護(hù)齡期和28天養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(表4)。

表4 安徽不同地區(qū)摻灰膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 4 Unconfined comprehensive strength of lime-mixing expansive soils in different areas of Anhui

由表4可知：(1)石灰飽和土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻灰比的增加先增后減;(2)28天齡期的比7天齡期飽和土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定的提高;(3)宿州、蚌埠、懷遠(yuǎn)、合肥、廬江、桐城地區(qū)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最佳摻灰比分別為8%、8%、6%、8% 、8% 、6% 。

3.3 脹縮試驗

為了研究膨脹土摻石灰處理后的脹縮性質(zhì)，選擇2個典型地區(qū)的膨脹土，分別進(jìn)行28天齡期的摻石灰土與其素土的自由膨脹率、膨脹力50 kPa壓力下的膨脹率試驗，結(jié)果見表5。

由表5可知：(1)膨脹土摻入石灰，可明顯地降低脹縮性;(2)摻入少量石灰(摻灰比在4%左右)就可以使膨脹土脹縮性大大降低;增大摻灰量，膨脹土的脹縮性仍可降低，但降低幅度不大，并逐漸趨于穩(wěn)定。

表5 膨脹土脹縮性質(zhì)Table 5 Swelling properties of expansive soils

4 結(jié)論

該研究以實驗為手段，對安徽省內(nèi)的膨脹土進(jìn)行綜合分析，對不同摻灰比條件下不同地區(qū)膨脹土進(jìn)行試驗比較，得到如下結(jié)論。

(1)根據(jù)膨脹土的分類研究(陳善雄等，2005)由自由膨脹率數(shù)據(jù)可知合肥為中等偏弱膨脹土，其余地區(qū)均為弱膨脹土。

(2)膨脹土摻石灰后有效改良了土體的工程性質(zhì)，提高了土體強(qiáng)度。

(3)摻入少量石灰(摻灰比在4%左右)就可以使膨脹土脹縮性大大降低;增大摻灰量，其脹縮性仍可降低，但降低幅度不大，逐漸趨于穩(wěn)定。

(4)宿州、蚌埠、懷遠(yuǎn)、合肥、廬江、桐城地區(qū)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最佳摻灰比分別為8%、8%、6% 、8% 、8% 、6% 。

陳善雄，余頌，孔令偉，等.2005.膨脹土判別與分類方法探討［J］.巖土力學(xué)，26(12)：1895－1900.

GB/T 50123—1999，土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

李生林，秦素娟，薄遵昭，等.1992.中國膨脹土工程地質(zhì)研究［M］.江蘇南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.

劉錫勒.2004.石灰在膨脹土施工中的試驗研究［J］.安徽建筑，(3)：66－66.

張海彬.2005.石灰改良膨脹土的理論與實踐［J］.鐵路建筑，(10)：38－40.

查甫生，劉松玉，崔可銳.2006.合安高速公路膨脹土摻石灰試驗研究［J］.公路交通科技，23(1)：36－39.