電石灰改良膨脹土水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

侯毓山 張朝元

（新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830002）

1 概述

膨脹土的塑性較高，具有脹縮性。并且其土壤中含有大量的伊利石、蒙脫石等粘土礦物，具有良好的親水性。膨脹土浸在水里之后，它的體積急劇膨脹，失去水分后它的體積又明顯收縮，對(duì)路基的性能影響很大。經(jīng)常引起路面隆起、沉陷或開裂，還會(huì)引起邊坡失穩(wěn)、路堤滑塌、路塹滑塌等問題[1-2]。與此同時(shí)，工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程中產(chǎn)生的電石灰等工業(yè)廢料對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的一系列影響也是當(dāng)前急需解決的熱點(diǎn)問題。因此，探索電石灰等工業(yè)廢料的回收利用新途徑以及解決公路建設(shè)中面臨的原材料短缺等問題，均具有十分重要的意義[3-6]。本文嘗試使用電石灰改良膨脹土，結(jié)合規(guī)范和他人的研究確定了五組配合比，通過擊實(shí)試驗(yàn)得到五組配比的最佳含水率和最大干密度，進(jìn)而進(jìn)行電石灰改良膨脹土干濕循環(huán)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和膨脹量試驗(yàn)，分析了不同摻量電石灰對(duì)膨脹土強(qiáng)度以及水穩(wěn)性的影響，確定了比較合理的配合比。

2 原材料性質(zhì)

2.1 膨脹土的基本性質(zhì)

本文選取的是河南某地區(qū)的土樣，取樣深度為1.0～1.5m，土樣呈現(xiàn)暗黃色且中間夾雜白色；同時(shí)所取土樣網(wǎng)狀裂隙極為發(fā)育，有蠟面，易風(fēng)化呈現(xiàn)細(xì)粒狀且裂隙中填著灰白、灰綠色黏土。

通過自由膨脹率試驗(yàn)得出所取土樣的自由膨脹率為48.3%，根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20-2011）[7]判定，本實(shí)驗(yàn)所取土樣為弱膨脹土。其物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)

2.2 電石灰的基本性質(zhì)

本次試驗(yàn)所用電石灰來自某市電石灰調(diào)運(yùn)中心。

化工企業(yè)生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生的副產(chǎn)品之一為電石灰。電石與水的化學(xué)反應(yīng)如式（1）所示：

電石灰基本物理性質(zhì)的測(cè)試結(jié)果見表2。從外觀上看，電石灰整體呈淺灰色，局部呈團(tuán)狀，原含水率較高，并伴有刺激性氣味，經(jīng)烘干后發(fā)現(xiàn)其顏色由淺灰色變?yōu)榛野咨?，并伴有較大的揚(yáng)塵，故在實(shí)際工程應(yīng)用中，電石灰應(yīng)保持一定的含水率，以確保施工過程中不發(fā)生較大揚(yáng)塵，從而對(duì)環(huán)境造成較大影響。

表2 電石灰物理性質(zhì)

3 電石灰改良膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)研究

3.1 混合料配合比的選取

在電石灰改良膨脹土混合料的配合比確定過程中，電石灰的摻量對(duì)改良后的膨脹土的力學(xué)性能和水穩(wěn)定性能影響都較大，因此，確定合理的電石灰摻量是電石灰改良膨脹土工程應(yīng)用的重要步驟。結(jié)合前期研究成果及工程經(jīng)驗(yàn)，最終確定了電石灰的摻量，電石灰劑量分別占混合料質(zhì)量含量的8%、12%、16%和20%，剩余的成分為膨脹土的含量。最終確定了素膨脹土和四組配合比。

3.2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果及分析

擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，隨著電石灰摻量增加，膨脹土的最佳含水率先減小后增大，最大干密度先增大后減小。純膨脹土的最佳含水率最大為17.0%，當(dāng)電石灰摻量達(dá)到16%時(shí)，最佳含水率最小為10.1%，當(dāng)電石灰摻量大于16%時(shí)，最佳含水率開始增大。當(dāng)配比為電石灰16%、膨脹土84%時(shí)，最大干密度取得最大值，為1.62g/cm3，對(duì)應(yīng)的最佳含水率為10.1%。

表3 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

4 電石灰膨脹土浸水膨脹量試驗(yàn)研究

4.1 膨脹量計(jì)算

試件的膨脹量按照式（2）計(jì)算：

H0-試件初始高度（mm）。

同一組配合比需要進(jìn)行兩個(gè)試件的重復(fù)試驗(yàn)，最終膨脹量取兩個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTE40-2020）等規(guī)范[8-9]采用擊實(shí)成型試件時(shí)[10-12]，選用內(nèi)徑為152mm、高170mm 的金屬圓筒，每層擊數(shù)一般為59 次，采用靜壓成型制做膨脹量測(cè)試試件。泡水時(shí)，槽內(nèi)水面的水份應(yīng)保持在試筒頂部上方25mm 左右，且試件要泡4 個(gè)晝夜。膨脹量隨著電石灰摻量變化曲線如圖1 所示。

圖1 電石灰摻量-膨脹量圖

由圖1 可以看出，隨著電石灰摻量增多，電石灰改良膨脹土的膨脹量呈下降趨勢(shì)，5 種電石灰改良膨脹土對(duì)比純膨脹土（圖中電石灰摻量為0%）膨脹量明顯降低，純膨脹土的膨脹量最大為4.6%，電石灰摻量為20%膨脹土的膨脹量最小為2.6%，相比純膨脹土電石灰摻量為20%的膨脹土膨脹量明顯下降，下降幅度為43.4%。并且從圖中可以看出電石灰摻量12%到16%時(shí)膨脹量下降幅度最大，電石灰摻量16%到20%時(shí)膨脹量下降幅度最小。

5 電石灰膨脹土崩解試驗(yàn)

5.1 崩解率計(jì)算

浸水過程中土的崩解率可用式（3）表示。

式中：Ct-試樣浸水過程中t 時(shí)刻的崩解率（%）；m1-試樣全部浸入水中的瞬時(shí)的天平讀數(shù)（kg）；

mt-試樣浸入水中在t 時(shí)刻測(cè)力計(jì)的讀數(shù)（kg）；

me-金屬網(wǎng)空載時(shí)浸入水中天平的讀數(shù)（kg）；

由于試樣浸水可能立即崩解，可以在試樣外部包裹一個(gè)塑料袋，然后封緊袋口對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試。為了提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，采用多次空載方式測(cè)定，求取平均值以備后期求崩解率。同一組配比需要進(jìn)行三個(gè)試件的重復(fù)試驗(yàn)，最終浸水崩解試驗(yàn)取三個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

上述成型后的試驗(yàn)進(jìn)行崩解試驗(yàn)，不同摻量電石灰膨脹土均不產(chǎn)生崩解，因此對(duì)試件進(jìn)行干濕循環(huán)，模擬沿海地區(qū)的高溫暴雨循環(huán)的氣候變化，探究電石灰對(duì)膨脹土的崩解的影響[13]。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了模擬突降暴雨造成的土體迅速飽和過程，采用浸水法將試樣浸入水中。將試件放在孔徑較大的金屬網(wǎng)上，在1min 內(nèi)每隔10s 記錄一次天平的讀數(shù)，試驗(yàn)進(jìn)行1min 后，每隔30s 記錄一次讀數(shù)，同時(shí)觀察并記錄試樣的崩解現(xiàn)象。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，記下此時(shí)天平的讀數(shù)。崩解開始的試樣如圖2 所示。由圖2 可知，只有純膨脹土和8%摻量電石灰的膨脹土崩解率達(dá)到100%，完全崩解。電石灰摻量為12%的膨脹土最終崩解率達(dá)到92.5%，電石灰摻量為16%的膨脹土最終崩解率達(dá)到69.9%，電石灰摻量為20%的膨脹土最終崩解率達(dá)到62.8%。并且從圖中可以看出純膨脹土的崩解速率最快，隨著電石灰摻量增加，膨脹土崩解速率逐漸降低。還可以看出膨脹土和電石灰膨脹土在剛浸水的60S 內(nèi)，崩解速率較快，在一分鐘以后崩解速率逐漸降低。

圖2 崩解率與浸水時(shí)間關(guān)系圖

6 結(jié)論

6.1 純膨脹土的膨脹量最大為4.6%，隨著電石灰摻量的增加膨脹土的浸水膨脹量減小，電石灰摻量為20%時(shí)膨脹量最小為2.6%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得知隨著電石灰摻量增加，膨脹土的膨脹量呈下降趨勢(shì)。因此，摻電石灰能夠降低膨脹土的由于漲縮性所帶來的工程安全問題。

6.2 純膨脹土和8%摻量電石灰的膨脹土在10min 內(nèi)崩解率能夠達(dá)到100%，完全崩解。電石灰摻量為12%的膨脹土最終崩解率達(dá)到92.5%，電石灰摻量為16%的膨脹土最終崩解率達(dá)到69.9%，電石灰摻量為20%的膨脹土最終崩解率達(dá)到62.8%，隨著電石灰摻量增加，膨脹土崩解速率逐漸降低。