外加劑改良膨脹土試驗研究

賈延安 張洋 黃閃閃 郝朝偉

摘要：以江淮地區(qū)弱膨脹土為研究對象，選取脹縮總率為評價指標，研究水泥、石灰、玄武巖纖維和固化劑四種改性材料對膨脹土改良效果的影響，并對水泥、石灰改良膨脹土的抗剪強度進行了研究。試驗結果表明，隨著外加劑摻量提高，改良土的脹縮總率逐漸減小，且趨勢減緩。同等摻量下，石灰改性效果優(yōu)于水泥，固化劑和玄武巖纖維改性效果不明顯。隨著外加劑摻量增加，改良土的黏聚力和內摩擦角逐漸增大，趨勢減緩；同等摻量下，石灰改性土的抗剪性能優(yōu)于水泥改性土。

關鍵詞：膨脹土?外加劑?膨脹潛勢?抗剪強度

中圖分類號：TU411

Experimental?Study?on?the?Improvement?of?Expansive?Soil?with?Admixtures

JIA?Yanan1??ZHANG?Yang1??HUANG?Shanshan1??HAO?Chaowei2*

1.?Anhui?Road?and?Bridge?Engineering?Co.，?Ltd.，?Hefei，?Anhui?Province，?230031?China;2.?Research?Institute?of?Highway，?Ministry?of?Transport，?Beijing，?100088?China

Abstract：?Taking?weak?expansive?soil?in?the?Jianghuai?area?as?the?research?object?and?selecting?the?total?swelling-shrinkage?percentage?as?the?evaluation?index，?this?paper?studies?the?impact?of?the?improvement?effect?of?the?four?modified?materials?of?cement，?lime，?basalt?fiber?and?curing?agent?on?expansive?soil，?and?also?studies?the?shearing?strength?of?cement?and?lime?improving?expansive?soil.?The?test?results?show?that?with?the?increase?of?admixture?content，?the?total?expansion?and?contraction?rate?of?improved?soil?decreases?gradually?with?a?slowing?trend，?that?under?the?same?dosage，?the?modification?effect?of?lime?is?better?than?that?of?cement，?and?the?modification?effect?of?curing?agent?and?basalt?fiber?is?not?obvious，?that?with?the?increase?of?admixture?content，?the?cohesion?and?internal?friction?angle?of?improved?soil?gradually?increase?with?a?slowing?trend，?and?that?under?the?same?dosage，?the?shearing?performance?of?lime-modified?soil?is?better?than?that?of?cement-modified?soil.

Key?Words：?Expansive?soil;?Admixture;?Expansion?potential;?Shearing?strength

1?背景介紹

膨脹土是一種遇水膨脹、失水收縮，并能反復脹縮變形的特殊黏性土，其主要由強親水性黏土礦物成分如蒙脫石和伊利石等組成，具有較強的脹縮特性和裂隙性。膨脹土的反復脹縮變形特性會對于公路工程造成嚴重的破壞，常常會使公路路基產生基床翻漿冒泥、路基下沉、邊坡滑坡、坍塌等病害，甚至導致嚴重的工程質量事故。

當前國內關于膨脹土改良方面的研究較多。譚曄等[1]選取南陽膨脹土作為研究對象，針對不同摻比的石灰和水泥改良土進行抗剪強度試驗，結果顯示隨著從摻量提高，石灰改良土抗剪強度先增加后減小，水泥改良土抗剪性能線形增長，并得出了石灰比水泥能更好地提高膨脹土的抗剪性能結論。韓晶等[2]以南水北調工程浙川段膨脹土為例，針對不同摻比的石灰和水泥改良土進行直剪試驗，結果顯示同等摻量下的水泥改性土抗剪性能更優(yōu)，得出水泥相對于石灰對膨脹土的抗剪性能影響更大的結論。王佩等[3]通過掃描電鏡試驗、壓汞實驗和X射線衍射試驗等方法對水泥改性膨脹土進行了系統(tǒng)性試驗研究，結果表明水化產物C-H-S凝膠是決定水泥改性膨脹土微觀孔隙結構特征、土體強度及收縮特性的關鍵因素。袁超等[4]以膨脹土與水泥的重量比為指標，研究環(huán)氧樹脂、玻璃纖維和水泥對膨脹土力學性質和微觀結構的影響。試驗得到了最佳外加劑摻量，并得出玻璃纖維通過基體間橋接作用延緩微裂紋發(fā)展來提高復合材料的延性和能量吸收的能力，從而提高試樣的抗彎強度。莊心善等[5]采取無側限抗壓強度、無側限抗壓強度和膨脹力、抗剪強度三種指標分別對玄武巖纖維、磷尾礦粉末、磷尾礦-玄武巖復合三種膨脹土改良方式進行了評價，并給出了對應的最優(yōu)摻量。劉貴起等[6]提出一種纖維加筋和化學改良相結合的技術，探討了固化劑類型和摻量、堿激發(fā)劑的摻入、玄武巖纖維摻量以及養(yǎng)護齡期對改良膨脹土無側限抗壓強度的影響規(guī)律，比較了不同改良方式的效果，并給出相應最優(yōu)摻量。

從當前研究可以看出由于作為研究對象的膨脹土自身組成成分不同，導致不同外加劑改性效果存在差異。對于較為新型的外加劑以及復合型外加劑改良方式，由于經濟性和實際可操作性等原因而導致其缺乏實際工程應用價值。現有研究中評價膨脹土改性效果的指標有自由膨脹率、脹縮總率、無側限抗壓強度等，尚未形成較為統(tǒng)一的評價指標可供參考。

基于此，本文針對引江濟淮（安徽段）新橋大道橋項目所在地的膨脹土，選取工程常用外加劑（水泥、石灰）和具備工程可行性外加劑（玄武巖纖維、固化劑）兩類改性材料，研究外加劑對膨脹土脹縮性能的影響。在脹縮總率試驗結果的基礎上，選取水泥、石灰兩種改良膨脹土，對其抗剪強度變化規(guī)律進行了試驗研究，最終確定最佳的改性材料。

2?試驗材料和方法

2.1?試驗材料

試驗所選取土樣來自引江濟淮（安徽段）新橋大道橋項目，土樣性質見表1。所采取外加劑種類及主要組成如下：石灰為有效含量（GaO和MgO）87%以上的Ⅰ級鈣質生石灰；水泥為P·O32.5級水泥；固化劑是以SiO2和NaO為主要成分的無機類固化劑；玄武巖纖維的主要成分為SiO2、NaO等氧化物，長度為6?mm，纖維直徑17?μm。

2.2?試驗方法

現場取樣后通過自由膨脹率試驗選取滿足膨脹潛勢指標的膨脹土樣，再對土樣進行液塑限、土粒比重、擊實試驗，直剪試驗等試驗以確定原膨脹土的基本性質，詳見表1。進行改良土相關研究過程中，需相繼開展膨脹土改良試驗及制樣工作、50kPa有荷膨脹試驗、收縮試驗以及固結快剪試驗。

本研究采取的改良試驗大致試驗步驟為將土樣烘干—破碎—過篩—二次烘干—拌和改良—養(yǎng)護—制樣成型—二次養(yǎng)護。考慮到采用壓樣法制樣的環(huán)刀體積較小，為避免出現大顆粒團聚現象，提高外加劑與土顆粒結合程度，本研究中過篩尺寸為0.5?mm方孔篩。在拌和改良過程中，主要采取兩種方式：一是土樣與水先拌和再與固體固化劑拌均勻；二是液體固化劑與水混合后再和土樣拌和。土樣拌和改良后在20?℃及密閉條件下，經24?h養(yǎng)護，再進行壓樣法制樣。制樣完成后將試樣置于標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7?d并開展后續(xù)試驗。

3?改良土的試驗研究

本研究中設置的外加劑摻量梯度為石灰（4%、5%、6%、7%），水泥（3%、4%、5%、6%），玄武巖纖維（0.15%、0.2%、0.25%、0.3%），固化劑（0.1%、0.15%、0.2%、0.25%）。通過50?kPa有荷膨脹試驗、收縮試驗和固結快剪試驗，得到相關數據。

3.1?脹縮總率

從圖1（a）中可以看出，經石灰改良后，試樣的有荷膨脹率幾乎為零；試樣的收縮變形隨著石灰摻量提高而減小，且變形呈平緩趨勢；由脹縮總率計算公式[7]可知，此時其主要由線收縮率組成；當石灰摻量達到5%時，土樣勉強達到弱膨脹土，摻量提高到6%時，土樣已改性為非膨脹土。這是因為隨著石灰摻入土中，石灰中有效物質與土中水，空氣中CO2，發(fā)生了離子交換、凝膠反應等反應，使土體的膨脹土分散性、坍塌性、親水性和膨脹性降低，黏聚力提高[8]。隨著石灰的摻量增大，因單位土體中黏粒數量一定，反應逐漸減緩，外部表現為脹縮總率下降趨勢逐漸平緩。

從圖1?（b）中可以看出，經水泥改良后，試樣的有荷膨脹率幾乎為零。試樣的收縮變形隨著水泥摻量提高而減小，脹縮總率主要由線收縮率組成，且變形呈平緩趨勢。原因是水泥水化反應產生的水化產物與土顆粒發(fā)生團聚，土顆粒之間逐漸黏聯形成體積較大的絮狀物或者絮狀體，土顆粒間的孔隙被絮狀物逐漸填充，孔隙體積減小，外部表現為膨脹性減小，強度增大[3]。隨著土中黏粒反應消耗，水泥改性效果呈減弱趨勢。值得注意的是：當水泥摻量達到6%時，脹縮總率為1.075%，仍屬于弱膨脹土范疇[9]。

從圖1?（c）中可以看出，相較于石灰、水泥兩種改性方式，對于本次研究土樣及設置的摻量下，固化劑的改性效果較不明顯，0.25%摻量下試樣的脹縮總率為3.979%，相較于原膨脹土脹縮總率4.89%，下降了一定程度，但仍具備較強膨脹性。

從圖1?（d）中可以看出，相較于石灰、水泥兩種改性方式，對于本次研究土樣及設置的摻量下，玄武巖纖維的改性效果較弱，其膨脹潛勢僅略優(yōu)于固化劑改性土。0.3%摻量下試樣的脹縮總率為3.434%，相較于原膨脹土脹縮總率4.89%，雖下降一定程度，但仍具備較強膨脹性。

3.2?抗剪強度

水泥和石灰作為工程中常見的兩種改良外加劑，且室內試驗結果顯示了其對降低膨脹土膨脹性具有較為顯著的能力，本研究中對這兩種外加劑不同摻量下的改良土抗剪性能展開了進一步研究，數據如圖2所示。

從圖2（a）中可以看出，隨著石灰改性摻量的增加，改性土的黏聚力和內摩擦角隨之增大，且二者都隨著摻量繼續(xù)增大而呈現增長減緩趨勢。對比表1中原膨脹土抗剪強度參數可以發(fā)現，相較于原膨脹土，石灰對膨脹土的黏聚力及內摩擦角都具有較為顯著的改善效果。

從圖2?（b）中可以看出，隨著水泥摻量的增大，改性土的黏聚力和內摩擦角隨之增大，且二者都隨著摻量繼續(xù)增大而呈現增長減緩趨勢。對比表1中原膨脹土抗剪強度參數可以發(fā)現，相較于原膨脹土，水泥對膨脹土的黏聚力及內摩擦角都具有較為顯著的改善效果[10]。對比上圖中圖2?（a）和圖2?（b）可以看出：同等摻量下，石灰改性土的抗剪性能優(yōu)于水泥改性土。

5?結論

通過開展膨脹土的外加劑改良試驗，并進行改良土的脹縮總率和抗剪強度試驗研究，主要得出以下結論：

1. 隨著固化劑摻量提高，改性土的脹縮總率逐漸減小，且趨勢減緩。在所選取的外加劑種類及摻量下，6%及以上摻量石灰改性土膨脹潛勢降到了非膨脹土。
2. 總體來看，石灰改性效果優(yōu)于水泥，固化劑和玄武巖纖維改性效果不明顯。隨著水泥（石灰）摻量增加，改性土的黏聚力和內摩擦角逐漸增大，趨勢減緩。同等摻量下，石灰改性土的抗剪性能優(yōu)于水泥改性土。綜上，針對項目所在地膨脹土，在本研究選取的外加劑中，石灰的改良效果最佳。

參考文獻

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