石灰改良膨脹土的工程特性試驗研究

張東生

中建鐵投試驗檢測有限公司 遼寧沈陽 110000

膨脹土作為自然地質(zhì)中一種，自身具備多裂隙性與明顯的脹縮特性的特殊類型的黏土。粘土中所含有的礦物質(zhì)成分，主要是以具有強親水性的蒙脫石與伊利石等結(jié)構(gòu)所組成。不僅具有較強的吸水膨脹性，失水收縮硬裂性也較為明顯，且在工程操作中還可能會發(fā)生膨脹變形。

1 石灰改良膨脹土工程現(xiàn)狀

混凝土路堤在經(jīng)過強烈的暴雨沖刷后，路提體積會產(chǎn)生較為明顯的膨脹，地面表層也會形成較厚的蓬松層。如果是春秋較為干燥的季節(jié)，土地表層還會出現(xiàn)大量的裂痕。如果雨水經(jīng)過裂痕縫隙中融入到地下土體后，會使土體變得更加松軟，從而導致路堤承受能力有所下降。石灰改良膨脹土路堤主要是指經(jīng)過石灰處理的非飽和土，其相關(guān)脹縮性與裂隙性都與膨脹土路堤有一定差距。因為石灰改良膨脹土路堤自身具備的優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用我國鐵路與高速公路路堤的工程建設(shè)中。盡管研究表明石灰改良膨脹土的工程特性與并未加入石灰改良膨脹土的路堤結(jié)構(gòu)性質(zhì)相比較來看，其變化浮動較為明顯。但在不斷進行干濕循環(huán)的基礎(chǔ)上，也會呈現(xiàn)較為明顯的改良效果[1]。相關(guān)工作人員根據(jù)干濕循環(huán)對石灰改良粘質(zhì)土的變化特征進行詳細的探索，并對膨脹土的高塑性欲膨脹力進行分析檢測。在此基礎(chǔ)上，對加入石灰的改良土經(jīng)過相應(yīng)的科學檢測與匹配后進行相同比例規(guī)格的實驗。通過檢驗數(shù)據(jù)報告顯示來看，當石灰改良后的膨脹土在進行干濕循環(huán)作用的前提下。石灰穩(wěn)定膨脹土原本的控制膨脹效果就會有所減弱，相應(yīng)的改良效果也會受到影響，在浸水壓力作用下，也會使原本明顯特征遭受侵襲[2]。

2 石灰改良膨脹土的作用機理

石灰本就是一種硬性膠凝材料，能夠與粘土礦物中的活性鋁與硅礦物等化學物質(zhì)發(fā)生火山灰反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，形成具有硅酸鈣與鋁酸鈣等膠狀物質(zhì)，并將其廣泛應(yīng)用于我國地基、路基與鐵路等相關(guān)工程建設(shè)中。現(xiàn)階段，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙呀?jīng)對石灰改良膨脹土進行詳細的探索。研究表明，石灰能夠與膨脹土產(chǎn)生較為明顯的物理化學反應(yīng)。將兩者融合在一起，所生成的物質(zhì)也對土體的力學性能有所影響，以此實現(xiàn)對建設(shè)工程質(zhì)量保障[3]。

2.1 離子交換反應(yīng)

膨脹土中所存在的膨脹性礦物是膨脹土發(fā)生膨脹的關(guān)鍵因素。因為在靜電力的作用下，膨脹土表面所帶有的負電荷粘土顆粒會吸引大量的水化陽離子。以此使膨脹的顆粒中有明顯的吸著水膜其厚度所發(fā)生的變化。也能夠?qū)ε蛎浲恋奈锢韺W特征產(chǎn)生較為明顯的影響。因為雙電子層厚度與空氣中的陽離子將成為反比例。所以在膨脹土中摻入石灰，能夠從根本上降低膨脹土的吸著水厚度，以此控制膨脹土的膨脹性[4]。

2.2 膠結(jié)作用

石灰作為無機性膠凝材料，在高堿性作用下，如果將石灰摻入到膨脹土中，會使土體強度發(fā)生變化，且火山灰反應(yīng)能夠生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣。此外，由于膠凝材料本身具有水硬性特征，能夠在水中逐漸硬化。在土體養(yǎng)護時間的持續(xù)延長的基礎(chǔ)上，石灰改良土的強度與水穩(wěn)性也會發(fā)生明顯變化。

2.3 碳化作用

并未在土中發(fā)生反應(yīng)的石灰，在一定時間內(nèi)會與空氣中的CO2生成碳酸鈣，但化學反應(yīng)的發(fā)生需要在有水的前提下才能實現(xiàn)，因為石灰與空氣中的CO2接觸有限，所以碳化作用的形成需要較長時間。通過化學反應(yīng)所生成的碳酸鈣為結(jié)晶體，能夠?qū)ε蛎浲廉a(chǎn)生膠結(jié)作用。

2.4 硬凝反應(yīng)

將石灰融于膨脹土中，在一段時間后會發(fā)生物理與化學反應(yīng)，石灰改良土可能會以團聚形式展現(xiàn)，還會產(chǎn)生膠凝物，形成膠凝團聚結(jié)構(gòu)。在養(yǎng)護期限不斷延長的前提下，土體中會產(chǎn)生棒狀與纖維狀結(jié)晶出現(xiàn)，表現(xiàn)為網(wǎng)狀結(jié)晶體結(jié)構(gòu)。此外，膠凝結(jié)構(gòu)也會不斷加厚，強化石灰改良土的穩(wěn)定性。

3 試驗方案

3.1 物理性能試驗

石灰改良膨脹土為建設(shè)鐵路路基的主要材料，其中包含大量起關(guān)鍵作用的參數(shù)，例如自由膨脹率、界限含水率和擊實性能等。所以，需要對不同石灰摻量的膨脹土試樣進行物理性能試驗，以保證建筑工程質(zhì)量安全。

3.2 力學性能試驗

抗剪強度作為膨脹土力學性能參數(shù)中的關(guān)鍵因素。所以，試驗通過對不同石灰摻量、不同養(yǎng)護時間進行探究，總結(jié)對石灰改良膨脹土抗剪強度的影響。

3.3 水穩(wěn)性試驗

在工程建設(shè)中，通常引發(fā)膨脹土工程性質(zhì)劣化災(zāi)變問題的關(guān)鍵因素與自然環(huán)境中的水有直接聯(lián)系，特別是在干濕交替頻繁的大氣環(huán)境下，會使膨脹土體中水分發(fā)生遷移，導致土體產(chǎn)生濕脹干縮與裂紋。

4 結(jié)語

石灰能夠改變膨脹土的物理性能，由于石灰摻量在不斷發(fā)生變化，所以石灰改良膨脹土的自由膨脹率、塑性指數(shù)等都發(fā)生了差異變化。但塑限含水率與最優(yōu)含水率卻得到了增加，從而滿足了作為一般路用高液限黏土材料質(zhì)量需求。在石灰摻量不斷增加的前提下，石灰改良膨脹土的水穩(wěn)性得到明顯上升，主要表現(xiàn)為脹縮性與裂隙性減弱等。