周小順，王 崗，覃 朗

（1.徐州市交通工程機(jī)械化施工處，江蘇 徐州 221000；2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231；3.浙江中地海外水務(wù)實(shí)業(yè)有限公司，浙江 杭州 310000）

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特殊黏性土，工程表現(xiàn)為多裂隙性、超固結(jié)性、強(qiáng)親水性和反復(fù)脹縮性。膨脹土在世界范圍內(nèi)分布極廣，迄今發(fā)現(xiàn)存在膨脹土的國(guó)家40多個(gè)，遍及六大洲，而我國(guó)有20多個(gè)省區(qū)發(fā)現(xiàn)有膨脹土［1］。膨脹土的特性造成房屋建筑、鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)、水利工程等遭受巨大的破壞［2］。在美國(guó)，它引起的經(jīng)濟(jì)損失已超過(guò)了洪水、颶風(fēng)、地震和龍卷風(fēng)每年所造成的損失總和。

在工程上，對(duì)弱膨脹土用控制含水量和密度的方法可以部分消除其脹縮性，但對(duì)于中、強(qiáng)膨脹土較難奏效，必須進(jìn)行改性處理。土質(zhì)改性的方法有很多，如摻入水泥、石灰、粉煤灰、氯化鈉、氯化鈣和磷酸等改性劑［3］。改性后的膨脹土，用于高等級(jí)公路的修筑，具有很大的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值，近年來(lái)應(yīng)用廣泛［4～5］。不少科研單位和個(gè)人對(duì)膨脹土性質(zhì)及處理方法已做了不少試驗(yàn)研究。然而，由于膨脹土成因的復(fù)雜性，不同地區(qū)膨脹土性質(zhì)的差異，試驗(yàn)方法的選擇不同，［6］以前的研究成果和通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究提出的措施效果如何，還要通過(guò)工程實(shí)踐檢驗(yàn)、改進(jìn)，這就需要結(jié)合工程施工實(shí)際作進(jìn)一步研究。通過(guò)研究不斷改進(jìn)施工工藝，確保膨脹土填筑路基的施工質(zhì)量，確實(shí)降低改性土的脹縮性，以滿(mǎn)足施工要求［7］。

1 石灰改性膨脹土機(jī)理研究

1.1 石灰改性機(jī)理

目前處理膨脹土的方法主要是化學(xué)改性，采用摻石灰處理膨脹土的方法最為普遍而且有效。摻石灰處理后降低脹縮性主要是通過(guò)減小土的塑性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。石灰穩(wěn)定的過(guò)程主要有兩個(gè)：①石灰中的鈣離子取代土中低價(jià)的陽(yáng)離子，比如黏土顆粒表面的鈉離子，發(fā)生的陽(yáng)離子交換，而沒(méi)有發(fā)生交換的鈣離子可能會(huì)被吸收，造成總的離子單位重量增大；②當(dāng)石灰與土混合時(shí)，通過(guò)黏土顆粒的絮凝，土的組織發(fā)生了變化。隨著石灰含量的增加，人為地減少了黏粒含量，因而也就相應(yīng)減小了膨脹與收縮。［8］

1.2 改性點(diǎn)選擇

石灰與含水的黏土接觸后將發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)將引起土的物理力學(xué)性質(zhì)改變。實(shí)踐證明，在含水量合適的條件下，當(dāng)灰劑量小于某個(gè)值時(shí)，反應(yīng)石灰穩(wěn)定土的性質(zhì)指標(biāo)隨著灰劑量的增加而變化較快；當(dāng)灰劑量大于某個(gè)值時(shí)，其性質(zhì)指標(biāo)隨著灰劑量的增加而變化趨緩，這一灰劑量被稱(chēng)為“改性點(diǎn)”［9］?！案男渣c(diǎn)”隨著土及石灰的材料差異而變化，但基本接近于3%。本文選取摻加3%的石灰作為石灰改性膨脹土的基本灰劑量。

1.3 影響土體膨脹性大小的因素

影響膨脹土的脹縮特性的因素很多，總的說(shuō)來(lái)，可分為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面［10］。

（1）膨脹土的礦物組成。

（2）膨脹土團(tuán)粒的大小。土的粒度越細(xì)，它同石灰的相互作用將越充分，否則要適當(dāng)增加石灰用量。

（3）石灰用量。當(dāng)石灰用量不足時(shí)，一般不產(chǎn)生膠結(jié)作用，這時(shí)只是大幅度地降低了膨脹土的塑性，也減低其膨脹潛勢(shì)和收縮性，但對(duì)其強(qiáng)度的影響不大；隨著石灰用量的增加，膠結(jié)作用增加，逐漸增大石灰土強(qiáng)度，直到最佳用量時(shí)，改性土達(dá)到最大強(qiáng)度。

（4）時(shí)間。膨脹土與石灰摻和后，其強(qiáng)度是隨著時(shí)間而逐漸增加的。3個(gè)月內(nèi)強(qiáng)度隨時(shí)間而變化明顯，超過(guò) 3個(gè)月增加趨緩；1個(gè)月內(nèi)強(qiáng)度變化較快，所以一般工程中取28 d強(qiáng)度作為判斷石灰處理效果的指標(biāo)。

（5）濕度。濕度增加，石灰與膨脹土的作用過(guò)程將加快。

2 石灰改性膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 工程概況

膨脹土來(lái)源為江蘇省中部某高速公路。地質(zhì)資料反映，路線(xiàn)有大面積覆蓋于地表或埋藏在地表下淺層處的膨脹土。沿線(xiàn)共布設(shè)73個(gè)探坑，取土樣146個(gè)。

（1）沿線(xiàn)膨脹土普遍分布于第1、2層黏土及下伏第2－l層黏土。第 1、2層裸露地表，與路基關(guān)系密切，第 2－l層部分地段裸露，大部分地段被第1、2層覆蓋。鑒于部分路段可能為挖方，故對(duì)路基穩(wěn)定性的影響不可低估。

（2）膨脹土巖性為黃褐色、褐灰色黏土，含鐵錳質(zhì)氧化斑紋、斑點(diǎn)及結(jié)核雛形，厚度0.5～2.0 m，局部地段厚度可達(dá)3 m。

對(duì)于膨脹性土層路基地段，應(yīng)特別注意第1、2層黏土含水量變化，防止失水或浸水，需在試驗(yàn)指導(dǎo)下進(jìn)行摻灰處理。對(duì)于2.0 m以下第2－1層弱膨脹性土，由于被上覆層掩蓋較深，又位于地下水之下，對(duì)路基穩(wěn)定性無(wú)影響，一般可不進(jìn)行處理。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）擊實(shí)試驗(yàn)。在規(guī)定的試筒內(nèi)，對(duì)素土及石灰改性土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，［11］繪制土體含水量與干密度關(guān)系曲線(xiàn)，確定其最佳含水量和最大干密度。

（2）行保溫保濕養(yǎng)生（濕度≥98%，溫度保持20±2 ℃）。養(yǎng)生至最后一天，將試件浸泡在水中24 h后，測(cè)定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。［11］

2.3 改性前后膨脹土的脹縮特性

試驗(yàn)時(shí)將素土及石灰改性土土體采用烘箱將土樣烘干后再加至不同含水量，再進(jìn)行試驗(yàn)［12］。

2.3.1 自由膨脹率δef

從工程角度考慮，自由膨脹率是一個(gè)沒(méi)有實(shí)際意義的指標(biāo)，［13］但在一定程度上也能反映黏土礦物、粒度成分和交換陽(yáng)離子成分等基本特征。

表1 素土及灰劑量3%改性土自由膨脹率 / %

可以看出，膨脹土的膨脹性得到了很好的抑制。

2.3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將現(xiàn)場(chǎng)取回的素土土樣及改性土土樣制成不同干密度試件（最大干密度取90%、93%、95%），分別養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、56 d，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

（1）圖1為不同干密度、不同灰劑量（素土、3%灰、6%灰）養(yǎng)護(hù)28 d的素土與改性土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。改性土曲線(xiàn)在開(kāi)始階段比較平緩，然后逐漸陡峭，即試樣在開(kāi)始受壓時(shí)，較小的應(yīng)力就產(chǎn)生了相對(duì)較大的應(yīng)變，彈性模量也較小，而后彈性模量逐漸變大。

（2）由圖1可知，膨脹土、素土在最佳含水量附近本身就具有較高的強(qiáng)度（達(dá)到1.046 MPa），改性后強(qiáng)度有進(jìn)一步增大。干密度93%、灰劑量3%、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d的試樣破壞強(qiáng)度達(dá)到了1.487 MPa。膨脹土加石灰改性不僅改善了脹縮性，也使強(qiáng)度有所提高，這是由于膨脹土中摻入石灰后，使得土中Ca2＋離子含量提高，而Ca2＋離子很容易和水以及空氣中的CO2反應(yīng)生成碳酸鈣，碳酸鈣本身就是一種非膨脹礦物，無(wú)疑會(huì)對(duì)提高強(qiáng)度、減小土的脹縮性起作用。如果碳酸鈣以包膜的形式覆蓋在土樣表面上時(shí)，其作用就更為顯著。其次，黏土礦物中的Al3＋離子與石灰中氫氧基形成氫氧化鋁，使土脫水硬化，增強(qiáng)了土的膠結(jié)力，也會(huì)有一定的改性作用。

圖1 素土及改性土σ～ε曲線(xiàn)

圖2 改性土破壞強(qiáng)度與齡期關(guān)系（灰量3%）

（3）圖2為改性土破壞強(qiáng)度與齡期的一般關(guān)系曲線(xiàn)，灰劑量為3%。可以看出，改性土強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加也在不斷增大。另外，齡期為28 d時(shí)，不同壓實(shí)度的試件破壞強(qiáng)度分別為1.047 MPa、1.487 MPa、2.216 MPa，隨著壓實(shí)度增大強(qiáng)度也在增加。

相關(guān)規(guī)范規(guī)定，公路石灰穩(wěn)定土基層的抗壓強(qiáng)度達(dá)到 0.8 MPa就能滿(mǎn)足工程需要。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)，灰劑量3%的改性土試樣強(qiáng)度達(dá)到1.047 MPa，說(shuō)明改性后的膨脹土可以滿(mǎn)足工程要求［14］。

3 石灰改性施工質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 砂化的重要性

膨脹土作為高塑性黏土，具有很大的黏性，潮濕狀態(tài)下具有很強(qiáng)的塑性，而風(fēng)干后結(jié)成硬塊，即使采用路拌機(jī)也可能較難粉碎。施工中可采用二次摻灰施工工藝，即將設(shè)計(jì)灰劑量分兩次摻加，土體第一次摻灰后放置一段時(shí)間，此過(guò)程稱(chēng)為“砂化”。摻加石灰后，高液限黏土的液限減小，石灰與土的陽(yáng)離子交換作用引起了石灰穩(wěn)定土的級(jí)配和礦物成分的變化，使得土體黏性降低。

砂化在工程建設(shè)中具有重要意義。砂化后黏性土的黏性減小，土體更易破碎，含水量更容易有效降低，這就可以加快工程施工進(jìn)度。二次摻灰工藝中，第一次摻灰主要目的就是降低黏性土的塑性指數(shù)，也使第二次摻灰更容易拌合均勻。而第二次摻灰，主要用以改善土體的變形性質(zhì)以及增加土體的強(qiáng)度［15］。

實(shí)際施工中，可采用摻加2%的消解石灰對(duì)高塑性黏土集中砂化3 d后再進(jìn)行施工，使用路拌機(jī)拌和2遍后即可達(dá)到施工顆粒要求，效果遠(yuǎn)優(yōu)于砂化前拌和7遍的效果，既節(jié)省了大量的施工機(jī)具，又提高了工程質(zhì)量。改性土砂化后的黏土顆粒細(xì)小，比表面積增大，易于和石灰充分發(fā)生反應(yīng)，從而增加了二次摻灰的效果，石灰土強(qiáng)度較高，路基容易形成板體性結(jié)構(gòu)。

3.2 砂化質(zhì)量控制關(guān)鍵

砂化效果直接影響到后期石灰土的施工質(zhì)量，砂化是石灰改性膨脹土改性過(guò)程中最重要的工序，必須嚴(yán)格管理。施工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）砂化時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，一般可控制為3～4 d，尤其在雨季進(jìn)行石灰土基層施工時(shí)，要合理安排工期，防止砂化土遭受雨水沖刷。砂化過(guò)程應(yīng)合理安排施工機(jī)械，形成流水作業(yè)、段落作業(yè)，保證施工的連續(xù)性。

（2）砂化時(shí)要對(duì)土體進(jìn)行充分翻拌，以利于黏土顆粒和石灰的作用，保證砂化效果。

（3）砂化的關(guān)鍵是“燜灰”，對(duì)砂化土表面要拍打、碾壓密實(shí)以便于保溫，防止石灰和土反應(yīng)過(guò)程中熱量的喪失，以便加快砂化反應(yīng)速度，提高石灰作用效果。

（4）對(duì)砂化土場(chǎng)地、土堆，要做好排水措施，加強(qiáng)排水。對(duì)于打堆砂化，表面拍打密實(shí)，做成斜坡；對(duì)于就地碾壓的砂化土，注意加強(qiáng)橫坡的控制，同時(shí)應(yīng)具有一定的平整度。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析，可以認(rèn)為，摻石灰對(duì)膨脹土的改性起到了不錯(cuò)的效果，膨脹土用石灰改性處理后，其膨脹性受到了較好的抑制，性質(zhì)得到了很大改善，可應(yīng)用于公路路基的修筑。

（2）作為石灰改性膨脹土的“改性點(diǎn)”，在膨脹土中摻加灰劑量為3%的石灰進(jìn)行改性后，膨脹土的各項(xiàng)物理及力學(xué)指標(biāo)均有較大改善，可以認(rèn)為 3%灰劑量能夠達(dá)到膨脹土改性的目的。但由于工程施工中可能存在的施工工藝不同、施工不規(guī)范以及工程管理體制不完善等影響因素，應(yīng)當(dāng)將工程施工中的最低灰劑量選取為4%～5%。

（3）施工中切實(shí)加強(qiáng)石灰土的砂化施工工序的管理，這是確保石灰改性土質(zhì)量的關(guān)鍵。

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