高液限膨脹性黏土化學改良試驗研究

趙潤濤

中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308

膨脹土具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮、開裂、硬結現(xiàn)象，為D組路基填料，一般不應直接用作路堤填料。有砟軌道高速鐵路基床底層可采用弱膨脹土改良土填筑，基床以下路堤和其他有砟軌道鐵路基床底層及基床以下路堤可采用弱、中膨脹土改良土填筑；膨脹土改良時，摻和料宜采用石灰或水泥等，摻入量應根據(jù)試驗確定。目前我國已開展了膨脹土改良土用于鐵路工程實踐的試驗研究［1-6］。文獻［1-2］結合武孝城際鐵路、合寧客運專線、滬漢蓉通道工程開展的改良土試驗結果表明石灰改良土具有很好的改良效果，建議摻比為5%~7%；文獻［2］指出水泥改良膨脹土具有良好的強度特性但水穩(wěn)定性較弱，粉煤灰改良膨脹土抵抗干濕循環(huán)的效果較弱。文獻［3-4］結合蒙內(nèi)鐵路工程用石灰+火山灰進行了改良試驗及孔隙特征分析，指出2%石灰+10%火山灰摻比改良效果和經(jīng)濟性最好，改性后可形成具有蜂窩狀、骨架狀、海綿狀的混合結構，孔隙連通性顯著降低。文獻［5］結合大馬何鐵路采用石灰改良泥巖風化物作為路基填料，建議摻灰比為8%。文獻［6］結合浩吉重載鐵路對水泥改良膨脹土進行的試驗及模擬研究表明，摻3%~5%水泥改良土路基動力穩(wěn)定性可滿足安全服役要求。文獻［7］通過干濕循環(huán)試驗證明水泥改良土的動力特性滿足路基工程要求。

雅萬高速鐵路全長142.3 km，最高設計時速350km，時速小于300 km地段采用有砟軌道。全線挖方地段地層以不同膨脹等級的黏土、泥巖為主，且黏土的液限和有機質(zhì)含量較高。國內(nèi)尚無將該類黏土改良用于高速鐵路填筑的先例，有必要開展高液限膨脹性黏土化學改良室內(nèi)試驗，確定改良配合比及施工工藝。

1 膨脹土化學改良機理

石灰主要化學成分為CaO、MgO。石灰改良膨脹土的作用機理包括離子交換作用、絮凝作用、碳酸化作用、硬凝反應等。膨脹土中摻入石灰后首先發(fā)生離子交換反應，使結合水膜變薄，發(fā)生絮凝和結團、結塊；硬凝反應形成水化物（C—S—H和C—A—H）能提高土體的強度，是一個長期的過程；碳酸化（生成CaCO3和MgCO3）也有助于提高土體的強度；一系列的反應導致膨脹土的微觀結構和礦物組成發(fā)生變化是石灰改性膨脹土的內(nèi)因［8］。

粉煤灰主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO。粉煤灰改良土的作用機理與石灰改良土類似，改良機理包括離子交換作用和硬凝反應。粉煤灰自身是一種細顆粒的無黏性材料，在膨脹土中摻入適量的粉煤灰可有效降低膨脹土的塑性指數(shù)、膨脹勢、線縮率與活性［9］。

硅酸鹽水泥的主要化學成分為CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3。水泥摻入土中后，與土中水發(fā)生強烈的水解、水化反應，通過離子交換作用、硬凝反應、碳酸化作用形成水化水泥骨架，約束了土顆粒之間及土顆粒與水之間的相互作用［10-11］。

綜上所述，石灰、水泥和粉煤灰改良土的改良機理基本一致，但不同摻量的礦物成分及含量略有不同，導致其具有不同的適用性。

2 工程概況

雅加達至萬隆高速鐵路位于印度尼西亞爪哇島，其中雅加達平原和萬隆盆地之間為丘陵區(qū)及低山區(qū)，表層以火山堆積層為主，局部發(fā)育沖洪積層、坡洪積層、坡積層和殘積層，巖性以黏性土、粉土、碎石類土、砂類土為主，覆蓋層厚度變化較大，且黏性土大多具膨脹性，局部具半成巖半膠結作用。本工程路基挖方約951萬m3，隧道棄渣約330萬m3。勘察期間針對黏性土進行了2 007次液塑限測試，1 091次固結試驗，864組直剪試驗，其物理力學指標見表1。由于淺層土樣受大氣影響較大，不同土樣的物理力學指標差異較大，平均含水率為42.3%，液限為64.5%，塑性指數(shù)為27.7，自由膨脹率為55%。

表1 黏性土物理力學指標

圖1 黏性土自由膨脹率統(tǒng)計

黏性土自由膨脹率的統(tǒng)計結果見圖1，87個土樣為非膨脹土，65個為弱膨脹土，65個為中膨脹土，37個為強膨脹土。

3 試驗材料及方法

3.1 試驗材料

DIK42+150.00—DIK43+155.97段黏性土含水率為25.3%~56.4%，液限44.0%~104.8%，塑限24.4%~56.0%，黏聚力11~161 kPa，內(nèi)摩擦角5.5°~28.5°，壓縮系數(shù)0.1~0.7 MPa-1。改良試驗用的黏土（1#）原土料的液限為69.1%，塑限為43.6%，塑性指數(shù)為25.5，自由膨脹率58%。DK96+080.00—DK97+014.05段黏性土的含水率為17.1%~98.0%，液限35.2%~112.0%，塑限14.4%~76.6%，黏聚力4~118 kPa，內(nèi)摩擦角1.7°~44.3°，壓縮系數(shù)0.1~0.7 MPa-1。改良試驗用的黏土（2#）原土料的液限為61.5%，塑限為36.0%，塑性指數(shù)25.5，自由膨脹率32%，灼燒法測得有機質(zhì)含量為9.7%。

水泥為印尼生產(chǎn)的SEMEN GARUDA普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為一級粉煤灰，石灰為優(yōu)等熟白灰。

3.2 配合比設計

一般情況下采用水泥改良的原土料，塑性指數(shù)宜小于12，有機質(zhì)含量不宜大于2%，硫酸鹽含量不大于0.25%；采用石灰改良的原土料，塑性指數(shù)宜大于12，有機質(zhì)含量不大于5%，硫酸鹽含量不大于0.8%［16］。原土料的液限、塑限、塑性指數(shù)、有機質(zhì)含量均較高，綜合比選后確定配合比為：1#黏土采用石灰改良，石灰摻比分別為3%、5%和7%；2#黏土采用不同配合比的石灰、水泥、粉煤灰、石灰與水泥、粉煤灰與水泥的改良方案，見表2。

表2 DK 96+080.00—DK 97+014.05段2#黏土配合比

3.3 試驗過程及方法

1）原土料按四分法取樣（干土法）；

2）按照設計配合比拌和，進行顆粒分析試驗（篩分法+密度計法）和擊實試驗（重型）；

3）按照壓實系數(shù)K為0.92、0.95確定原土料、水和摻和料，采用重型擊實法制作改良土試件。

4）養(yǎng)生、浸水后進行直剪試驗或無側限抗壓強度試驗，直剪試驗采用垂直壓力為50、100、150、200 kPa。

4 改良效果

4.1 改良土粒徑分布

膨脹土摻入石灰后發(fā)生離子交換作用、硬凝反應和碳酸化作用，將改變土的微觀結構和礦物成分。1#黏土摻灰前后的粒徑分布見表3?？芍咭合夼蛎浲翐郊邮液蟠笥?.075 mm的粒徑含量增多，0.075~0.005 mm含量逐漸減小，但是由于土樣含水率較高，砂化效果不是很明顯。

表3 不同石灰摻量的改良土粒徑分布

4.2 液限、塑限及塑性指數(shù)

改良土的液限、塑限和塑性指數(shù)與摻灰量的關系與素土類型有關，一般情況下?lián)饺胧液笠合迺杂凶兓芟迺@著增加，塑性指數(shù)顯著降低［3-6］。

不同摻灰量時1#黏土的液限、塑限及塑性指數(shù)見圖2?？芍趽交伊啃∮?%時，液限、塑限均明顯降低；摻灰量大于5%時，液限繼續(xù)降低，同時塑限有所增加，塑性指數(shù)隨摻灰量的增大逐漸降低。

圖2 液限、塑限與塑性指數(shù)隨石灰摻量的變化

經(jīng)試驗可知，2#黏土水泥改良土的水泥摻量越多，液限、塑限越大；2#黏土粉煤灰摻量小于10%時，液限、塑限變化不大，摻量大于10%后，液限、塑限顯著減小。

4.3 擊實特性

改良土擊實特性與素土類型有關，不同外摻料改良土的擊實試驗結果見表4、表5。

表4 1#黏土不同石灰摻量改良土的擊實特征

表5 2#黏土不同摻量改良土的擊實特征

由表4、表5可知：1#黏土隨著石灰的增多、2#黏土隨著粉煤灰摻量的增多，改良土的最大干密度逐漸降低，最優(yōu)含水率逐漸增大；隨著水泥摻量的增多，最大干密度增大，最優(yōu)含水率減少；采用二灰方案時，水泥摻量對最大干密度和最優(yōu)含水率的影響較小。

4.4 強度特性

1#黏土改良前后強度見表6?？芍?，隨著石灰摻量的增多，改良土的直剪強度及7 d飽和無側限抗壓強度（Rc7）逐漸增大，且壓實系數(shù)越高，強度越高。其中摻0%石灰（原土料擊實樣）養(yǎng)護7 d后浸水崩解，表中數(shù)據(jù)為浸水前的直剪強度；摻3%~7%石灰（改良土擊實樣）養(yǎng)護7 d后浸水不崩解，表中數(shù)據(jù)為浸水后的直剪強度。摻5%石灰可滿足基床以下路堤要求（Rc7≥250 kPa），摻7%石灰可滿足基床底層要求（Rc7≥350 kPa）。

表6 不同石灰摻量時1#黏土的強度特征

2#黏土改良后強度見表7?？芍?，隨著外摻料的增加，改良土的7 d飽和無側限抗壓強度逐漸提高；從強度提高水平來看，粉煤灰改良效果最差，水泥及石灰+水泥改良效果最好。

表7 不同摻量外摻料時2#黏土的強度特征

摻4%石灰、摻5%水泥、摻2%石灰+3%水泥、摻5%水泥+10%粉煤灰可滿足基床底層及以下改良土的壓實要求。

4.5 膨脹特性

不同土樣自由膨脹率與外摻料的關系見圖3?？芍弘S著石灰摻量的增多，1#黏土自由膨脹率逐漸降低；隨著石灰、水泥或者粉煤灰摻量的增加，2#黏土自由膨脹率均逐漸降低，其中粉煤灰的效果不明顯。

圖3 不同土樣自由膨脹率與外摻料的關系

4.6 高液限膨脹性黏土改良土設計原則

全線高液限黏土具有不同的膨脹潛勢，使用前應化驗核實取土場黏土的膨脹性。正線有砟軌道鐵路基床底層可采用弱膨脹性黏土改良土填筑，水泥摻量3%，石灰摻量4%。有砟軌道基床以下路堤、走行線基床底層及基床以下路堤、車站場坪等可采用弱、中膨脹性黏土改良土填筑，水泥摻量3%，石灰摻量2%。

改良土應采用集中場拌法施工，改良土應選擇在旱季進行施工。原土料含水率應滿足拌和需要，否則應進行晾曬、灑水拌勻處理。

改良土填筑前應進行現(xiàn)場填筑工藝試驗，確定不同壓實機械、施工方法及工藝參數(shù)，含水率應控制在最優(yōu)含水率±2%范圍內(nèi)。

5 結論

1）雅加達至萬隆高速鐵路沿線黏土的平均含水率為42.3%，液限為64.5%，塑性指數(shù)為27.7，自由膨脹率為55%，為高液限土，具有弱~強膨脹性。

2）高液限膨脹性黏土室內(nèi)改良試件可滿足規(guī)范要求的路基填料壓實標準。粉煤灰改良效果不明顯，化學改良時外摻料宜采用石灰、水泥或者石灰+水泥，建議水泥摻量3%，石灰摻量2%~4%。

3）高液限膨脹性黏土摻灰后細顆粒含量依然較多，砂化效果不明顯，塑限略有變化；雨季時原土料天然含水率較高，因此改良土施工應選擇在旱季進行，并通過晾曬、灑水等控制含水率。