路基膨脹土改良試驗(yàn)研究

張曉果，楊博，王笑風(fēng)，趙亞婷

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 鄭州451450）

膨脹土是一種高塑性黏土，其主要由蒙脫石、伊利石和高嶺土等親水性礦物質(zhì)組成，一般其自由膨脹率大于40%，液限高于40%［1-2］。干燥時(shí)具有很高的承載強(qiáng)度，但被水浸泡時(shí)，含有的強(qiáng)親水性礦物成分迅速吸水膨脹，使土體表現(xiàn)出明顯的膨脹性。膨脹土的脹縮變化較大，會(huì)導(dǎo)致路基沉降、結(jié)構(gòu)開裂、邊坡失穩(wěn)等工程問題，給工程項(xiàng)目造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［3］。

本文以某高速沿線路基土為研究對(duì)象，該高速公路是河南省高速“雙千工程”項(xiàng)目之一，全長(zhǎng)148.841 km，途經(jīng)駐馬店、信陽2 市6 縣27 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，地質(zhì)情況復(fù)雜，特別是有部分地區(qū)地下水位高且土質(zhì)為膨脹土。

受限于工程情況，采用填換土的方案不能實(shí)施，只能利用當(dāng)?shù)氐牟涣纪猎慈缰械扰蛎浲粱蛉跖蛎浲羴硖钪坊?。按照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D30-2015》［4］要求，強(qiáng)膨脹土不能直接用于路堤填筑，中、弱膨脹土也需經(jīng)過工程處理后才能用于填筑。綜合考慮設(shè)計(jì)要求、造價(jià)預(yù)算經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)保等情況，擬用P.C 32.5 水泥、消石灰、固化劑3 種改性劑處理方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)膨脹土進(jìn)行室內(nèi)改良試驗(yàn)研究，探索改性劑對(duì)膨脹土力學(xué)性能等的影響效果，為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 膨脹土

試驗(yàn)土樣來自于某高速沿線取土點(diǎn)（K129+150），取樣深度為1.0～1.5 m，土樣成暗黃色，中間夾雜白色，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下：最大干密度ρdmax=1.855 g/m3，最佳含水率wop=13.5%，液限wL=47%，塑限wP=25%，塑性指數(shù)IP=22%，自由膨脹率δef=52%，天然含水率w=21.70%。

可以看出，該土的自由膨脹率為52%，按文獻(xiàn)［4］進(jìn)行分類，判定為弱膨脹土，且天然含水率較高，遠(yuǎn)大于其最佳含水率。

1.2 改性劑

試驗(yàn)所用改性試驗(yàn)材料為P·C 32.5 水泥、消石灰、固化劑3種，其中固化劑是由粉煤灰、煤矸石、鋼渣粉、電石渣等工業(yè)廢渣制成的。改性材料主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 改性材料主要化學(xué)成分Tab.1 Main Chemical Composition of Modified Materials

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所涉及到的常規(guī)試驗(yàn)主要依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTGE 40-2007》相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行，包括擊實(shí)試驗(yàn)，液、塑限試驗(yàn)，CBR 試驗(yàn)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，有荷載膨脹率試驗(yàn)，收縮試驗(yàn)等。

非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)依照下列要求實(shí)施：

⑴改良膨脹土7 d 自由膨脹率試驗(yàn)：將養(yǎng)護(hù)7 d已測(cè)試的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，經(jīng)過105 ℃烘24 h，冷卻至室溫，破碎，用0.5 mm 篩篩分，然后按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTGE 40-2007》進(jìn)行檢測(cè)。

⑵改良膨脹土浸水試驗(yàn)：將養(yǎng)護(hù)7 d 而未測(cè)試的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，經(jīng)過80 ℃烘24 h，冷卻至室溫，進(jìn)行浸水試驗(yàn)，與素土進(jìn)行同條件對(duì)比，觀察經(jīng)改良膨脹土的耐水性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 改良膨脹土性能研究

為研究改性劑改良膨脹土的路用性能，確定改性劑及最佳摻量、穩(wěn)定材料的最佳含水率和最大干密度等指標(biāo)，根據(jù)文獻(xiàn)［4］規(guī)定，對(duì)穩(wěn)定膨脹土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、脹縮總率試驗(yàn)和不同壓實(shí)度K 下的CBR試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：

⑴素土不滿足上路床CBR＞8%的要求，經(jīng)各改性劑改良固化土的CBR值均滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求，各種改性劑都會(huì)大幅提高膨脹土的CBR 值［5］。相同摻量時(shí)，消石灰改良固化土的CBR值增加幅度最為明顯，水泥次之，固化劑的作用效果最差。

表2 改性膨脹土性能試驗(yàn)Tab.2 Performance Test of Modified Expansive Soil

⑵由于塑性指數(shù)綜合反映了影響粘性土特征的各種重要因素，塑性指數(shù)愈大，表明土的顆粒愈細(xì)，比表面積愈大，土的粘?；蛴H水礦物（如蒙脫石）含量愈高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，各種改性劑改良固化土的液限和塑限均有增大，但改良土的塑性指數(shù)沒有明顯變化，與素土保持一致。這是由于界限含水率試驗(yàn)時(shí)間較短，改性劑的摻入只改變土的部分物理性質(zhì)，使改良土塑液性產(chǎn)生一定變化，但沒有本質(zhì)上改變土的微觀結(jié)構(gòu)。

⑶素土的脹縮總率為4.51%，改良后的固化土脹縮總率都會(huì)大幅降低。與同摻量的水泥、固化劑相比，消石灰降低脹縮總率幅度最為明顯，5%摻量固化劑與5%摻量消石灰改良膨脹土的脹縮總率均不超過0.7%，滿足公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)改良膨脹土脹縮總率的要求，可以作為路基填料使用。

3.2 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和7 d自由膨脹率

進(jìn)一步研究水泥、消石灰、固化劑3種改性劑對(duì)膨脹土7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，試件在試驗(yàn)前已浸水養(yǎng)護(hù)24 h，觀察試件外觀，包括素土在內(nèi)的所有試件均完好，無崩解、缺失等情況。數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 改性膨脹土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與7 d自由膨脹率Tab.3 7 d Unconfined Compressive Strength and 7 d-Free Expansion Ratio of Modified Expansive Soil

從表3 可以看出：3 種改性劑改良膨脹土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比素土均有較大增加，尤其消石灰改性膨脹土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加明顯，均比同摻量水泥和固化劑高，而水泥對(duì)膨脹土的固化作用又比固化劑好。

這是由于膨脹土成分多以蒙脫石等親水性強(qiáng)的成分為主，其結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)硅氧四面體夾一層鋁氧八面體組成的晶體結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)一般含有較多的低價(jià)陽離子，如Na+、K+等，這些陽離子與蒙脫石晶胞的作用很不穩(wěn)定，導(dǎo)致層間的連接較弱，當(dāng)遇到水時(shí)，土體會(huì)發(fā)生崩解。當(dāng)摻入改性劑后，改性劑水化產(chǎn)生Ca2+，Ca2+就會(huì)與層狀結(jié)構(gòu)間的Na+、K+交換，增加層間的范德華力，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，Ca2+還會(huì)與黏土顆粒中的活性二氧化硅發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣［6］，進(jìn)一步提高土體耐水性能。

從表3可知，經(jīng)過水泥、消石灰、固化劑改良的膨脹土7 d自由膨脹率均有一定降低，都在40%以下，已經(jīng)不屬于膨脹土［7-8］。其中，消石灰作用效果最為明顯，摻5%消石灰的改良膨脹土7 d自由膨脹率只有26%。

3.3 浸水試驗(yàn)

在檢測(cè)膨脹土及其改性土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí)，雖然試件浸水養(yǎng)護(hù)1 d，但包括素土在內(nèi)的所有試件外觀均完好，無崩解、缺失等情況，7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果真實(shí)有效。說明這個(gè)試驗(yàn)過程不能真正反映出膨脹土及其改性土試件實(shí)際的耐水性，這是由于在整個(gè)養(yǎng)護(hù)過程中試件始終保持較大的含水率，泡水前后黏土始終處于蓄水狀態(tài)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有經(jīng)歷“干燥-蓄水”較大的狀態(tài)變化。為了進(jìn)一步研究各種改良膨脹土的耐水性能［9］，直觀反映出改性劑對(duì)膨脹土的實(shí)際改良效果，需要通過干燥后泡水試驗(yàn)來加以檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1和表4所示。

圖1 浸水試驗(yàn)Fig.1 Immersion Test

表4 改性前后膨脹土浸水對(duì)比試驗(yàn)Tab.4 Contrast Test of Immersion of Expansive Soil before and after Modification

從圖1可以明顯看出，素土及采用水泥、固化劑改性的固化土試件泡入水中1 min 后表面就發(fā)生明顯崩解現(xiàn)象，而采用消石灰改性的固化土試件，輪廓清晰，沒有發(fā)生崩解現(xiàn)象，消石灰改良的膨脹土浸水24 h，尚能保持原形，并沒有出現(xiàn)大量崩解，而水泥、固化劑改良的膨脹土，24 h 后完全崩解，說明經(jīng)過消石灰改性后的膨脹土耐水性有較大提高。

從表2 可知，摻5%水泥與4%消石灰的膨脹土CBR 值也基本保持一致，K=93%時(shí)，分別為21.2%、20.7%；K=94%時(shí)，分別為24.5%、22.8%；K=96%時(shí)，分別為28.5%、27.2%。摻5%水泥的膨脹土脹縮總率為0.98%，略小于摻4%消石灰膨脹土的脹縮總率1.05%。從表4可知，摻5%水泥與4%消石灰的膨脹土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本保持一致，分別為0.97 MPa和0.95 MPa；摻5%消石灰改良膨脹土的脹縮總率為0.55%，摻5%固化劑改良膨脹土的脹縮總率為0.65%，均不超過0.7%。從表4 可知，經(jīng)過“干燥-浸水”過程后，摻5%水泥的膨脹土和摻5%固化劑的膨脹土都完全崩解，而只要摻消石灰的膨脹土發(fā)生表層解離，但均能保持原形，呈現(xiàn)出一定的耐水性能，不同改性劑改良膨脹土的耐水性表現(xiàn)出巨大的差異。

綜合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象可以看出，消石灰改良膨脹土的耐水性的確有很大提高，而水泥、固化劑改良膨脹土雖然也能提高土體的CBR 值及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，降低脹縮總率，但沒有從根本上解決膨脹土遇水易崩解的缺點(diǎn)，所以這種現(xiàn)象并不能單從CBR 值、脹縮總率或無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)上直接反映出來。當(dāng)然，這些力學(xué)性能數(shù)據(jù)在某種程度上能夠反映出對(duì)膨脹土改性效果的差異，但這種數(shù)據(jù)間的差異或許可以簡(jiǎn)單地通過增加改性劑的摻量就可以消除，而實(shí)際上并未從本質(zhì)上改變膨脹土。這些數(shù)據(jù)的優(yōu)劣只是在特定試驗(yàn)環(huán)境中表現(xiàn)出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)而已，并不能顯示改良后的膨脹土還是不是“定義上的膨脹土”。

因此，回到解決問題的本質(zhì)——使膨脹土不再成為“膨脹土”。不僅需要滿足改良膨脹土的脹縮總率不超過0.7%，還需要通過改良膨脹土的自由膨脹率和“干燥-浸水”試驗(yàn)，對(duì)改性劑對(duì)膨脹土的改良效果加以驗(yàn)證，這樣才能更好地為工程提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

⑴ 3 種改性劑均能提高2種膨脹土的液限和塑限，但改良土的塑性指數(shù)沒有明顯變化。

⑵3種改性劑都可明顯提高膨脹土的CBR、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，降低脹縮總率。在同摻量時(shí)，消石灰改良固化土的CBR 值增加幅度最為明顯，水泥次之，固化劑的作用效果最差。

⑶消石灰改良的膨脹土經(jīng)過干燥后浸水24 h，能保持原形，并沒有出現(xiàn)大量崩解，而水泥、固化劑改良的膨脹土，在浸水1 min 后就出現(xiàn)嚴(yán)重的崩解，24 h后完全崩解；說明消石灰改良的膨脹土的耐水性遠(yuǎn)好于水泥、固化劑改良的膨脹土。

⑷經(jīng)過水泥、消石灰、固化劑改良的膨脹土7 d自由膨脹率都有一定降低，消石灰作用最為明顯，摻5%消石灰的改良膨脹土7 d 自由膨脹率只有26%。在滿足文獻(xiàn)［4］要求的“改良膨脹土脹縮總率不得超過0.7%”的同時(shí)，還需要通過改良膨脹土的自由膨脹率和“干燥-浸水”試驗(yàn)，對(duì)改性劑對(duì)膨脹土的改良效果加以驗(yàn)證。