石灰與水泥改性加固膨脹土對比試驗研究

摘要：為探究石灰和水泥改性兩種方法加固膨脹土的效果，以蒙-華鐵路三荊段為例，采用現(xiàn)場采樣和室內(nèi)試驗，對膨脹土樣品的顆粒分布和力學特性進行了分析，研究了兩種改性加固方法不同摻和比例的加固效果，分析內(nèi)摩擦角、黏聚力、剪切強度等指標的變化規(guī)律，對兩種加固方案的效果進行了比較，并通過電鏡掃描分析了加固后的微觀結(jié)構(gòu)，揭示加固機理。結(jié)果表明：MHTJ-19和MHTJ-21兩個區(qū)段的膨脹土在黏性礦物成分、顆粒級配和力學參數(shù)方面一致性良好，不存在系統(tǒng)差異。石灰和水泥改性顯著提升了膨脹土的黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強度，其中水泥改性效果更佳。電鏡掃描圖像分析顯示，這兩種改性方法通過顆粒凝聚作用提高了膨脹土的力學性能和降低了膨脹性。研究成果可為重載鐵路工程路基設計和維護提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：膨脹土； 力學特性； 石灰改性； 水泥改性

中圖法分類號：U213.15

文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.009

文章編號：1006-0081（2024）03-0054-07

0引言

膨脹土膨脹和收縮的過程會產(chǎn)生裂縫［1-2］，對土體的抗壓、抗剪、承載力等產(chǎn)生重要影響，給實際工程帶來危害［3-4］。為了降低膨脹土地層因上拱下沉、開裂現(xiàn)象等對工程結(jié)構(gòu)的負面影響，國內(nèi)外學者［5-9］對膨脹土的改性加固技術(shù)開展了研究。在改性加固方法中，摻和水泥改性和摻和石灰改性是最為常見的兩種方式。在水泥摻和改性加固方面：高建偉等［10］通過分析試驗的無側(cè)限抗壓強度指標，對膨脹土摻入水泥后的改性效果進行研究；唐云偉等［11］則進一步以無側(cè)限抗壓強度為因變量，分析了其隨水泥摻量等影響因素的變化情況；李星等［12］對干濕循環(huán)下的水泥改性加固膨脹土試樣的動力特性開展研究；商擁輝等［13］則基于不同摻量下的水泥改性膨脹土試樣，研究了改性膨脹土試樣的水穩(wěn)性、臨界動應力等指標，并借助現(xiàn)場監(jiān)測研究了加固路基的動力響應特征；考慮到水泥改性的局限性，Yahia等［14］采用復合摻和劑對膨脹土進行改性加固的嘗試，如橡膠顆粒與水泥結(jié)合［15］、水泥堿渣結(jié)合［16］、酸堿環(huán)境結(jié)合［17］等手段進行改性加固。在石灰摻和方面：邊加敏等［18］、周葆春等［19］、汪明武等［20］均對石灰改性加固膨脹土的機理和技術(shù)進行了試驗研究，涵蓋了宏觀、微觀等方面；王眾等［21］對石灰聯(lián)合粉土對膨脹土進行改性加固的質(zhì)量控制方法開展系統(tǒng)研究；占世斌等［22］對壩體土進行不同摻灰比情況下的改性土試驗，并推薦采用石灰摻和的膨脹土改性方案。由此可見，當前對于膨脹土的改性加固技術(shù)研究已較為系統(tǒng)，且存在部分關(guān)于不同改性加固技術(shù)的對比研究。然而，這些不同技術(shù)對比的研究較少以同一工程項目、一致膨脹土樣品為研究對象，難以反映不同加固技術(shù)的差異。另外，不同加固技術(shù)改性加固后，對膨脹土的改性加固機理的微觀特征尚缺少比較研究，故無法有效指導膨脹土的改性加固施工。

蒙-華鐵路是中國最大規(guī)模的運煤專線，全長1 837 km，其中三荊段膨脹土分布約211 km，由于三荊段平均降雨量703.6～1 173.4 mm，造成礦物分解減弱，蝕變過程時間和水量充分，利于膨脹性黏土礦物形成，極易影響蒙-華鐵路的安全運行。現(xiàn)階段多數(shù)大型水利水電工程需匹配火電廠提供原動力和負荷調(diào)節(jié)能力，通過水火共濟保證電力供應的穩(wěn)定。作為煤炭等關(guān)鍵能源物資的運輸通道，蒙-華鐵路的長期運營安全對保障沿途水利水電設施穩(wěn)定運行和保持相應水利水電設施可靠的供電能力意義重大。為系統(tǒng)研究膨脹土改性加固技術(shù)的機理以及不同改性加固技術(shù)的差異，本文以蒙-華鐵路三荊段為研究對象，開展摻石灰改性加固和摻水泥改性加固對比研究。首先對TJMH-19和TJMH-21兩個區(qū)段的膨脹土樣開展黏土礦物成分、顆粒級配、力學參數(shù)的對比研究，以驗證其一致性。在此基礎(chǔ)上，對水泥摻和改性和石灰摻和改性的機理進行分析，并對比了不同摻和改性后試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角和無側(cè)限抗剪強度指標，對摻和量的影響進行分析。最后，采用電鏡掃描，對不同摻和方法、不同摻和量下的相同膨脹土樣進行改性加固，并對比掃描電鏡圖像的差異，從微觀角度分析改性加固機理。本文基于一致膨脹土樣的不同改性加固方法對比研究，可以為工程方案選擇和工法優(yōu)化提供參考。

黃啟友石灰與水泥改性加固膨脹土對比試驗研究

1工程背景

1.1工程概況

蒙-華鐵路線路起于內(nèi)蒙古自治區(qū)浩勒報吉站，止于江西省吉安站，跨越蒙、陜、晉、豫、鄂、湘、贛7個省區(qū)，投資概算1 700億元，是繼大秦線（山西大同至河北秦皇島）之后中國又一條超長距離的運煤大通道，規(guī)劃設計輸送能力為2億t/a。蒙-華鐵路為新建國鐵Ⅰ級，電力牽引，客貨混跑，浩勒報吉至荊州段為雙線，岳陽至吉安段為單線并預留雙線條件，設計行車速度120 km/h，全線采用全封閉、全立交設計，正線為有砟軌道，長度6 km以上隧道內(nèi)鋪設彈性支承塊式無砟軌道。路基總長1 038.757 km、橋梁總長297.121 km（共702座）、隧道總長457.504 km（228座）。全線新建及改建車站74座、牽引變電所37座，設煤炭集輸運站5座和臨時煤堆場5個。2015年開始修建，2020年建成開通。與國內(nèi)已建重載鐵路相比，蒙-華重載鐵路具有南北跨越大、線路總里程長、路基比例高達56.546%，且機車牽引力大、貨運量大、建設周期短等突出特點，在中國重載貨運線路中占據(jù)重要位置。

三荊段膨脹土分布約211 km，改良土填方約1 581萬m3，膨脹土分布最多、最厚。由于三荊段所經(jīng)地區(qū)屬南陽盆地（典型膨脹土區(qū)），屬北亞熱帶季風型大陸性氣候，年平均氣溫14.4～15.7 ℃（7月極端氣溫41.4 ℃），年平均降雨量703.6～1 173.4 mm，降雨多集中在6～9月，占全年降雨量63.1%，全年其他時間干旱少雨，礦物分解減弱，蝕變過程有足夠時間和水量，并易于積聚堿土金屬元素，有利于膨脹性黏土礦物形成。

1.2研究區(qū)域膨脹土特性

三荊段各標段膨脹土分布特點如下，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制三荊段各標段不同等級膨脹土分布如圖1所示。

（1） DK916+000～DK1044+300段（TJMH-19區(qū)段）地處南襄盆地壟崗區(qū)，地勢平緩開闊，地面標高由北至南從255 m逐漸降低至80 m。膨脹土一般厚度大于20 m，最厚可達50 m，部分地段中間夾有較厚層軟至流塑狀粉質(zhì)黏土，一般厚3～5 m，最厚超過10 m，下伏砂礫石層。此段以中等膨脹土為主，長度約73.11 km，占比59.83%；弱膨脹土長度約14.24 km，占比11.66%；強膨脹土約34.84 km，占比28.51%。

（2） DK1044+300～DK1076+050段（TJMH-21區(qū)段）地處磨旗山和楊家大山間丘間盆地，地勢較平緩開闊，地面標高60～128 m。膨脹土厚度一般不超10 m，部分地段夾有軟至流塑狀粉質(zhì)黏土，一般厚3～5 m，下伏砂礫石層。此段以中等膨脹土為主，長度約23.05 km，占比72.60%；弱膨脹土長度約8.70 km，占比27.40%。

（3） DK1072+050～1134+690段位于宜荊丘陵區(qū)，地勢起伏，地面標高80～158 m。白堊系砂巖丘坡表層覆蓋薄層Q4el＋dl粉質(zhì)黏土，多具弱膨脹性，一般厚1～3 m，局部最厚可達5 m。此段以弱膨脹土為主，長度約43.80 km，占比76.31%；中等膨脹土長度約13.60 m，占比23.69%。

2膨脹土特性研究

2.1不同區(qū)段膨脹土級配和成分對比

根據(jù)工程實際需要，在三荊段的不同區(qū)段，分別采用不同的改性加固技術(shù)，其中DK916+000～DK1034+000段采用水泥摻和改性加固，DK1058+800～DK1076+050段采用石灰摻和改性加固。在研究中，DK916+000～DK1034+000段膨脹土試樣取自MHTJ-19標段的大山寨、黃牛種、宋崗、小薛崗等14處取土場；而DK1058+800～DK1076+050段膨脹土樣則取自MHTJ-21標段千弓村、譚灣、楊河村、武安取等6處取土場。

為排除因不同取土點土樣化學成分對加固效果造成的影響，本節(jié)先對比兩個工段的黏土礦物含量和黏性顆粒含量、顆粒級配的異同。2個區(qū)段取土場土樣的整體黏土礦物分布和顆粒級配分布如圖2所示。

從圖2中可知：在影響膨脹土膨脹性的黏土礦物含量方面，2個區(qū)段所取土樣的黏土礦物含量分布基本一致，這說明2個區(qū)段所取土樣在化學成分方面具有較好的一致性；此外，在顆粒級配方面，2個區(qū)段所取的強、中、弱膨脹土的顆粒級配也基本一致（2個區(qū)段圖中對應圖例為MHTJ-19和MHTJ-21）。由此可知，兩個區(qū)段所取膨脹土樣的一致性較好，在后續(xù)研究中可以忽略其差異對加固效果的影響。

2.2不同區(qū)段膨脹土力學參數(shù)對比

研究涉及的2個區(qū)段膨脹土在黏性礦物含量和顆粒分布上基本一致，本節(jié)將對比研究2個工段膨脹土試樣的三軸不固結(jié)不排水剪（UU）試驗結(jié)果，為后續(xù)加固強度對比做參考，以消除誤差。

從表1可知，MHTJ-19和MHTJ-21兩區(qū)段的弱、中、強膨脹土的黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）總體分布接近，這也從正面表明兩區(qū)段的土樣不存在力學參數(shù)、化學成分的不一致，不會給后續(xù)加固效果對比帶來誤差。

3膨脹土改性加固對比

3.1水泥改性加固機理

水泥摻入到膨脹土中后，會引起水泥的水解和水化反應，產(chǎn)生水泥水化物。一部分水泥水化物與黏土顆粒產(chǎn)生相互作用，水泥水化物中的氫氧化鈣（Ca（OH）2）又與二氧化碳（CO2）發(fā)生碳酸化作用。經(jīng)過這些反應與相互作用后，改變了膨脹土的原有性質(zhì)。水泥在發(fā)生水化反應后，將生成硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、硅酸二鈣（2CaO·2SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）、鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）、硫酸鈣（CaSO4）等化合物，這些化合物中，有的化合物自身繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架；有的則與其周圍具有一定活性的黏土顆粒相互間發(fā)生離子交換和團?；饔?、凝硬反應和碳酸化作用等，最終提高膨脹土抗剪強度。

3.2石灰改性加固機理

石灰是鐵路膨脹土改良技術(shù)中普遍使用的材料，生石灰的主要成分是CaO，其次是MgO。將生石灰拌入土中后，CaO馬上吸水消解生成Ca（OH）2，即熟石灰。在熟化過程中，可吸水，發(fā)熱，膨脹，但是由于石灰摻量較少所以真正的膨脹力很小。生石灰完全消解后生成了Ca（OH）2，則可與膨脹土中的黏土顆粒發(fā)生離子交換、凝硬反應和碳酸化反應，從而使膨脹土得到改良。膨脹土中摻水泥、石灰等，均能提高強度，減少膨脹率。就改良效果而言，石灰在降低土的膨脹率方面比水泥更為有效，而水泥則能顯著增加土的強度。

需要注意的是，膨脹土中摻石灰后盡管能顯著減小其塑性指數(shù)和大大弱化其膨脹性能，但并非摻入石灰越多效果越好，當石灰摻量超過某一值后，過多的石灰在土中自由存在，反而會導致其力學性質(zhì)變差。因此，其摻灰率應通過物理與力學性質(zhì)、脹縮性、水穩(wěn)性等試驗來確定。

3.3改性加固效果對比

對各區(qū)段內(nèi)常見的中膨脹土分別開展水泥摻和改性和石灰摻和改性加固試驗。水泥摻和改性試驗，選自其中具有代表性的來自同一個地方2個取樣點的土樣（MHTJ-19的1號和2號試樣），測量了不同摻和量下的黏聚力、內(nèi)摩擦角、飽和無側(cè)限抗壓強度，并與采用生、熟石灰摻和的MHTJ-21區(qū)段的兩批不同摻和量的樣品進行對比，如圖3所示。

對于水泥加固樣品，當膨脹土中摻入水泥改良劑后，抗剪強度得到了明顯的提升，說明水泥的摻入對水泥改良土的抗剪強度影響顯著。并且，隨著水泥摻量的增加，抗剪強度逐漸增大，當水泥摻量為3%時，改良膨脹土的黏聚力由素土的40 kPa左右增大至139～182 kPa，增長幅度近3～5倍，內(nèi)摩擦角增長了約15%～35%；當水泥摻量為4%時，黏聚力達到了201～204 kPa；當水泥摻量為5%時，黏聚力達到了244～291 kPa，總增長幅度達到了5～7倍，內(nèi)摩擦角的增長幅度為1.3～1.9倍。飽和抗壓強度得到了明顯的增長，說明水泥的摻入對水泥改良土的飽和抗壓強度影響顯著，且隨著水泥摻量的增加，飽和抗壓強度逐漸增大。對于沙灣中膨脹土，當水泥摻量為3%時，改良膨脹土的飽和抗壓強度為1 210 kPa，當水泥摻量為5%時，飽和抗壓強度達到了1 840 kPa，增長幅度約為1.52倍。水泥改性的機制在于水泥拌入土體后發(fā)生系列水解與水化反應，由于膨脹土在微觀結(jié)構(gòu)及水分空間分布上具有一定的隨機性與非均質(zhì)性，導致水泥改性效果往往也表現(xiàn)出一定的非均質(zhì)性，所以在相同的處置措施下可能表現(xiàn)出較大的力學性能差異，如圖3（c）所示，但是即便如此，依然可以看出采用水泥改性的效果明顯優(yōu)于石灰的改性效果。

對于石灰摻和改性試樣，石灰能大幅增強膨脹土的抗剪強度，主要表現(xiàn)在黏聚力的大幅增加以及內(nèi)摩擦角的少量增大。具體而言，改良后弱膨脹土的黏聚力增加31.3～66.2 kPa，內(nèi)摩擦角增加到4°～9°，中膨脹土的黏聚力增加30.7～74.0 kPa，內(nèi)摩擦角增加7°～21°。此外，土體膨脹性越強，石灰改良的效果越好，黏聚力和內(nèi)摩擦角在摻灰率為5%左右時存在明顯拐點，到達拐點后，強度增加緩慢，甚至不變。在膨脹土中摻入石灰能有效提高其無側(cè)限強度，具體表現(xiàn)為試樣的飽和無側(cè)限強度上升至原來的5～11倍。分析圖3數(shù)據(jù)可見，雖然熟石灰和生石灰的改性對于石灰的摻和改性結(jié)果十分接近，但是在部分工況中（如采用2%的摻量），生石灰的改良效果優(yōu)于熟石灰的改良效果。膨脹土的7 d無側(cè)限抗壓強度及飽和無側(cè)限抗壓強度隨含灰率的增加而明顯增大，但當土體含灰率在5%以后，摻入石灰對于其無側(cè)限強度的提高將變緩。

綜上可知，對于所研究的試樣，摻入水泥對膨脹土的改性效果好于摻和石灰改性的試樣。摻和水泥改性的試樣在黏聚力、飽和無側(cè)限抗剪強度優(yōu)于摻和石灰的試樣，而兩種摻和方式在內(nèi)摩擦角加固方面的效果無顯著差別。為提升膨脹土的承載力等指標，最后采用摻和水泥改性的方法對其進行加固。

4掃描電鏡結(jié)果比較

對獲取的弱膨脹土樣品，分別摻入3.5%的石灰和水泥，以及摻入5%的石灰和水泥，并對摻和前后的樣品進行電鏡掃描，所得結(jié)果如圖4所示。由于膨脹土的膨脹性從微觀上來看主要是由于面-面疊聚體的黏土片大量緊密聚集而導致，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，摻入水泥進行改良后，膨脹土中出現(xiàn)了眾多細小顆粒，包括顆粒基質(zhì)、團聚體及連結(jié)物，而片狀和扁平狀顆粒大幅減少甚至消失，顆粒邊緣呈不規(guī)則形狀，顆粒間緊密接觸，微裂隙減少，這是由于摻入水泥后，通過離子交換等作用可以改善原片狀黏土顆粒的親水性，且水泥本身具有絮凝作用及團?；?，易在顆粒表面形成團聚體。對比摻入石灰后的改良效果，雖然石灰對膨脹黏土顆粒有類似的絮凝作用，但根據(jù)電鏡掃描照片可見，摻入石灰后的膨脹土片狀顆粒表面團聚結(jié)構(gòu)明顯較為粗糙，存在較大的間隙，密實度較差，可見其土性改善效果遜色于采用水泥改性樣品。此外，對比摻入不同劑量改良劑的膨脹土樣電鏡掃描結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，改良劑摻入比例越高，無論采用水泥還是石灰作為摻料，團聚狀結(jié)構(gòu)均更加明顯。其中，采用水泥改性的團聚結(jié)構(gòu)粒徑未有顯著變化，并且依然保持較高的密實度，故摻料增加對改性效果提升影響顯著。然而，采用石灰改性的團聚結(jié)構(gòu)粒徑有明顯變化，并引入了更多的孔隙結(jié)構(gòu)，故雖然其團聚結(jié)構(gòu)有所增加，其改性效果卻沒有對應顯著增長。上述觀測結(jié)果表明，采用水泥改良膨脹土整體效果更加顯著，而采用石灰改性在摻和量較高時未能繼續(xù)提升改性效果，加固效果不及水泥摻入加固的膨脹土。

5結(jié)論

本文通過室內(nèi)力學試驗、試驗加固、電鏡掃描和數(shù)據(jù)分析，對采用摻入石灰改性加固和摻入水泥改性加固膨脹土的加固機理和加固效果進行了對比分析，主要結(jié)論如下。

（1） 三荊段MHTJ-19和MHTJ-21兩區(qū)段的膨脹土在黏性礦物成分、顆粒直徑、力學參數(shù)等指標上均不存在顯著差異，兩區(qū)段的土樣一致性較好。

（2） 摻和水泥改性的試樣在黏聚力、飽和無側(cè)限抗剪強度優(yōu)于摻和石灰的試樣，而兩種摻和方式在內(nèi)摩擦角加固方面的效果無顯著差別。摻和石灰試樣在石灰含量超過5%時，無側(cè)限抗剪強度提升緩慢。

（3） 掃描電鏡觀察結(jié)果表明：采用水泥改良膨脹土能有效改善膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有較好的改性加固效果。相比之下，當石灰摻入量較高時，其改性加固效果受到限制，未能達到水泥摻入加固的水平。

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（編輯：高小雲(yún)，唐湘茜）

Comparative study on lime and modified cement expansive soil

HUANG Qiyou

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China）

Abstract：?In order to study the effect of lime and cement soil modification on expansive soil，taking Sanjing section of Meng-Hua railway as an example，the particle distribution and mechanical properties of expansive soil samples were analyzed by field sampling and laboratory tests.The effects of two kinds of modified reinforcement methods with different blending ratios were studied，and the variation of internal friction angle，cohesion and shear strength were analyzed.Moreover，the micro-structure of the reinforced concrete was analyzed by SEM，and the mechanism of the reinforced concrete was revealed.The results showed that the consistency of clay mineral composition，particle size distribution and mechanical parameters of expansive soils in sections MHTJ-19 and MHTJ-21 were good，and there was no systematic difference.The cohesion，internal friction angle and shear strength of expansive soil were improved by lime and cement soil modification，but the effect of cement modification was better.The analysis of SEM images showed that the mechanical properties of expansive soil were improved and the swelling property was reduced by both methods through particle agglomeration.The research results can provide a reference for the design and maintenance of roadbed of heavy-haul railway engineering.

Key words：?expansive soil； mechanical property； lime modification； cement modification