邱天賜 沈正 沈浪 洪明星

(1.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.南京審計(jì)大學(xué)，江蘇 南京 211815)

膨脹土，也稱脹縮性土，因其對道路和建筑所產(chǎn)生的嚴(yán)重破壞而被廣泛關(guān)注[1,2,3]。我國是膨脹土分布最廣泛的國家之一，在我國廣西，河南，湖北，四川，陜西，安徽等地區(qū)均存在大量膨脹土。提高膨脹土的力學(xué)性能，也成了巖土工程和結(jié)構(gòu)工程的熱點(diǎn)問題。膨脹土含有較多的蒙脫石、伊利石等黏土礦物，性質(zhì)極不穩(wěn)定，具體表現(xiàn)在裂隙性和脹縮性顯著，在浸水后體積劇烈膨脹，失水后體積顯著收縮。這也直接導(dǎo)致未經(jīng)處理的膨脹土不能直接用作路基或建筑材料。我國擁有大量的膨脹土資源，尤其是在四川陜西一帶，置換膨脹土顯得十分困難且不合經(jīng)濟(jì)。為了最大程度地利用膨脹土，減少工程事故，保證施工質(zhì)量，減少工程造價，對膨脹土的改良顯得尤為重要。

1 膨脹土改良方法與試驗(yàn)研究

1.1 碎石改良膨脹土試驗(yàn)研究

目前經(jīng)碎石改良的膨脹土在實(shí)際工程中已有應(yīng)用，研究相對成熟。廣西大學(xué)廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中[4]，使用含量超過95%的粒徑大于4.75mm的碎石粗骨料，采用模型箱的模型試驗(yàn)方案，對膨脹土的體積含水率、側(cè)向壓力以及碎石改良膨脹土的可行性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純膨脹土以豎向排水為主，不同深度達(dá)到穩(wěn)定體積含水率的數(shù)值相差不大；膨脹土深部排水需要較長時間，且滲透性較差，排水較為困難。摻入碎石的改性膨脹土在注水后的短時間里體積含水率迅速增加，淺層透水性明顯增加，但是深層排水仍需較長時間。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，經(jīng)碎石改良的膨脹土滲透性得到顯著改善，側(cè)向膨脹力大幅下降，達(dá)到了預(yù)期的改良效果。綜合以上研究，摻入碎石可以有效降低膨脹土的膨脹特性，改善膨脹土的結(jié)構(gòu)性能，降低膨脹土的內(nèi)部阻力，為工程實(shí)踐以及膨脹土改良提供思路。

1.2 纖維和煤矸石粉對膨脹土脹縮特性改性研究

研究表明煤矸石中的高價金屬離子，能與膨脹土中低價OH-、Na+等離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，進(jìn)而改良膨脹土的膨脹特性，而纖維對膨脹土的膨脹性又具有較為不錯的抑制作用。因此可延伸到纖維和煤矸石這兩種材料復(fù)合后對膨脹土的改性效果。在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中[5]，研究人員向膨脹土中分別摻入煤矸石、聚丙烯纖維以及兩摻入物的復(fù)合物，最終得到包括純膨脹土的四種復(fù)合土樣。研究發(fā)現(xiàn)，在2880min后，土樣的自由膨脹以及無荷膨脹都進(jìn)入了穩(wěn)定平衡狀態(tài)，純膨脹土膨脹率最大，纖維-煤矸石膨脹土膨脹率最小，同時，各含水率下，纖維-煤矸石膨脹土的收縮曲線保持最低(線縮率最低)。由此可見，纖維和煤矸石這兩種材料的復(fù)合疊加作用對于膨脹土改性的效果更加顯著?？紤]到外界含水率對回彈模量的影響，分別研究含水率為20%、50%、80%的土樣，其中纖維-煤矸石膨脹土的回彈模量最大，足以體現(xiàn)其良好的抗變形能力；在增濕含水率升高時，纖維-煤矸石膨脹土回彈模量減小幅度最大，亦可見其后期有著較大的壓縮空間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，除纖維-煤矸石可減小水分子對土體骨架的破壞作用，使膨脹土抗變形能力提高外，其他復(fù)合土樣的內(nèi)部骨架已基本被破壞，對膨脹土改性能力較差。

1.3 粉煤灰改良膨脹土的脹縮和強(qiáng)度特性

以粉煤灰為代表的化學(xué)改性劑，工程實(shí)踐豐富，理論基礎(chǔ)完善。為減少樓房地基建設(shè)及道路施工過程中膨脹土造成的地質(zhì)危害，現(xiàn)有對摻入粉煤灰以改良膨脹土膨脹特性和強(qiáng)度的研究。在學(xué)者王和魚的實(shí)驗(yàn)中[6]，取Ι級、II級兩不同品質(zhì)的粉煤灰，均以膨脹土中質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、6%、9%、12%、15%摻入其中，來測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下7d、14d、28d的各膨脹土的抗壓強(qiáng)度和自由膨脹率。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于粉煤灰中SiO2和Al2O3的高價陽離子產(chǎn)生絮凝作用，隨著粉煤灰摻入量的增加，土樣的自由膨脹率逐漸降低，而抗壓強(qiáng)度逐漸增高。在14、28d粉煤灰的摻入量為12%時，土樣的的自由膨脹率和抗壓強(qiáng)度的增幅趨勢都開始減弱，向平緩狀態(tài)靠近。因此12%粉煤灰摻入量為最佳摻入量。當(dāng)然，不同品質(zhì)的粉煤灰對膨脹土的影響程度也不一樣，研究表明，實(shí)驗(yàn)的三個齡期中，Ι級粉煤灰的抗壓強(qiáng)度均比II級粉煤灰的高出大于10%，可見粉煤灰的品質(zhì)越高，它對膨脹土抗壓強(qiáng)度的改良效果就越明顯。粉煤灰對于膨脹土的應(yīng)用，有利于建筑物地基及公路路基等膨脹土施工環(huán)境的正常運(yùn)行，提高膨脹土利用的安全性，為有效改良膨脹土路基，改善粉煤灰資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1.4 粉砂土改良膨脹土性能研究

邱翱博，王歡等通過變水頭滲透實(shí)驗(yàn)、壓汞實(shí)驗(yàn)[7]研究了粉砂土對改良膨脹土滲透性的變化情況以及土體內(nèi)部孔的排列。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增大膨脹土的干密度，改良膨脹土的滲透系數(shù)也隨之增大，且初始階段增大速率明顯高于中間階段，后期趨于平緩，由此得出隨著膨脹土中粉砂土摻量的增加，混合膨脹土的滲透系數(shù)也隨之增大，且土體內(nèi)部孔隙被不斷填實(shí)，大大增加了膨脹土的密實(shí)性，因此后期滲透系數(shù)的增長趨勢趨于緩慢。其中壓泵試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加粉砂土?xí)黾痈牧寂蛎浲羶?nèi)部的小孔隙和大孔隙，而中孔隙的含量則減小，摻入的粉砂土改變了膨脹土的內(nèi)部孔隙，并且大量的粉砂土?xí)匦屡帕性瓉淼耐馏w顆粒，疏松土質(zhì)，隨著小孔隙的減少，形成了越來越多的大孔隙。大孔隙能較為明顯的影響膨脹土滲透系數(shù)，是膨脹土工程建設(shè)的重要參考指標(biāo)。

粉砂土的摻入極大增加了膨脹土的滲透系數(shù)，很大程度上改良了膨脹土滲透性能，但只有連通孔且大孔隙才能更大程度增加其滲透性，因此，判斷土體的滲透能力還需考慮孔隙分布特征，是否連通等參數(shù)。

1.5 橡膠顆粒改良膨脹土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

在學(xué)者宗佳敏的試驗(yàn)中[8]，采用向膨脹土中摻入橡膠顆粒的實(shí)驗(yàn)方法，測試在凍融循環(huán)條件下改良膨脹土的抗壓強(qiáng)度。在試驗(yàn)時，把冷凍所需的溫度設(shè)為零下20℃,12h的時長為一個凍融時長;凍融結(jié)束后，先關(guān)閉實(shí)驗(yàn)裝置,接著將試驗(yàn)樣品放置在室溫條件下12h,上述過程完成即代表一個完整的凍融循環(huán)過程完成。在所進(jìn)行的試驗(yàn)里的橡膠顆粒材料均為一般汽車所廢棄不用的老舊輪胎上的橡膠，并把它們的粒徑加工至1mm以下，這樣的橡膠顆粒即為使用時的材料；在本次實(shí)驗(yàn)中所用的膨脹土取自陽段建設(shè)工地。研究人員進(jìn)行了具體兩個變量的試驗(yàn)，即是在不同橡膠顆粒含量以及不同凍融循環(huán)次數(shù)的條件下試驗(yàn)，結(jié)果表現(xiàn)為：膨脹土抗壓強(qiáng)度隨著橡膠顆粒所占比例的增加，先呈現(xiàn)外界施加壓力時的強(qiáng)度極限增大的趨勢，而后逐漸減小。并且，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橡膠顆粒的含量為3%時，改良的膨脹土外界抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；隨著橡膠顆粒的增多，可以在一定程度上提高破壞應(yīng)變，即降低試樣剛度。在橡膠顆粒含量較小時，此效果不明顯；當(dāng)含量>5%時，試樣剛度的降低才較為明顯。此外，試驗(yàn)過程中，在凍融循環(huán)條件下，隨著橡膠顆粒含量的增多，膨脹土的直徑變化率也隨之變化，并隨其含量增多變化率增大；但是，凍融循環(huán)次數(shù)的越多，直徑的變化幅度也就是測得的直徑變化幅度越穩(wěn)定。

1.6 石灰、橡膠顆粒改良膨脹土穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

在張立璟學(xué)者的研究中[9]，試驗(yàn)人員取用南澳大利亞阿德萊德唐納街的膨脹土作為試驗(yàn)樣品，使用0%、2.5%、5%的石灰粉末以及0%、5%、10%的橡膠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，用來評估摻入石灰，對膨脹土強(qiáng)度的影響。研究人員對土壤進(jìn)行了粒度分析和阿太堡極限試驗(yàn)，以此來確定天然土壤所擁有基本性質(zhì)。接著進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，確定了天然土壤能夠達(dá)到的膨脹程度。最后采用標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探究不同摻合料(橡膠和石灰)的百分比對天然土壤穩(wěn)定性的影響。在試驗(yàn)中，可以發(fā)現(xiàn)隨著膨脹土中石灰含量的增加，OMC(土壤最優(yōu)含水量)增加，但是MDD(土壤的最大干密度)減小。接著，將橡膠顆粒加入石灰膨脹土，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述加入石灰的結(jié)論基本一致。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，加入了5%石灰與5%含量的橡膠后，膨脹土樣品的最大軸向應(yīng)力達(dá)到最大，且所有加入石灰和橡膠顆粒的混合試樣的軸向應(yīng)力都得到顯著增強(qiáng)，橡膠顆粒的摻入對軸向應(yīng)力的影響不大。此外，無論是加入石灰還是橡膠顆粒亦或是混合摻入膨脹土，都會使土壤的抗壓能力變強(qiáng)。但是10%的橡膠顆粒摻量反而會降低土壤的抗壓能力。

1.7 電石灰改良膨脹土水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

根據(jù)侯毓山，張朝元對電石灰改良膨脹土水穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究[10]表明，電石灰在一定程度上能顯著改善膨脹土的水穩(wěn)定性和力學(xué)性能。研究選取了電石灰摻量為 8%、12%、16% 和 20%的膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)，該試驗(yàn)對摻電石灰的混合膨脹土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電石灰參量逐步增加，混合膨脹土的最佳含水率減小后又逐漸增大，最大干密度則先增大后減小，且當(dāng)電石灰摻量為16%時，最大干密度能取得最大值1.62g/cm3，其最佳含水率為10.1%。此外，試驗(yàn)采用浸水法模擬暴雨，在該環(huán)境下研究土體飽和的情況，相隔一定時間分別記錄試驗(yàn)樣品的崩解情況，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)電石灰的摻量越多，混合膨脹土的崩解速率越低。且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨脹土在浸水的1min之內(nèi)崩解速率快，隨后膨脹土崩解速率緩慢降低。最終得出結(jié)論，在一定程度上，膨脹土中隨著電石灰的含量增多，膨脹土的膨脹量逐步減小呈下降趨勢，且崩解速率也逐步降低。綜上試驗(yàn)表明，電石灰的摻入在一定程度上能有效降低膨脹土的漲縮性，從而降低膨脹土工程的安全問題。

2 膨脹土研究現(xiàn)狀與改良思路

目前的工程實(shí)踐中多采用摻入化學(xué)外加劑的方法[11-12]對膨脹土進(jìn)行改良,最常用的改性劑主要有粉煤灰、水泥、石灰、固化劑等,這些材料具有化學(xué)活性,能夠發(fā)生一系列的放熱作用、碳酸化作用、離子交換作用、凝聚作用、灰結(jié)作用等等,改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到控制膨脹土膨脹特性的效果。此外,摻入纖維、碎石[13]、巖粉[14]、橡膠顆粒[15]、煤矸石等材料對膨脹土進(jìn)行的物理改良,優(yōu)化土的內(nèi)摩擦角、粘聚力、膨脹力、滲透性[16]等，也都獲得了良好效果。

由于膨脹土的脹縮性能與土的礦物含量、土的含水率、土的密度與土的內(nèi)在空間聯(lián)結(jié)狀態(tài)有關(guān)，目前對膨脹土的改良思路主要集中在改善粘土礦物的強(qiáng)親水性、提高粘土顆粒之間的連接強(qiáng)度、改善粘土的微觀結(jié)構(gòu)、改善土的滲透性與水分遷移等。

許英姿博士指出，純膨脹土滲透性較差，經(jīng)碎石改良的膨脹土存在較大空隙，有效降低了膨脹土的黏滯阻力，加快水分的滲入和排出，減少土體吸水造成的工程影響。

莊心善教授指出，石灰-玄武巖纖維改良膨脹土效果顯著，主要是由于石灰和玄武巖纖維在膨脹土中有著較好的分散性，能夠形成穩(wěn)定的三維空間結(jié)構(gòu)體系，增強(qiáng)膨脹土顆粒之間的咬合能力，因而提高了膨脹土的抗拉強(qiáng)度和整體的穩(wěn)定性。

學(xué)者張雁[17]指出，微觀結(jié)構(gòu)是影響膨脹土強(qiáng)度的主要因素之一，煤矸石的摻入可以大幅改善膨脹土的孔隙率、孔隙體積、孔隙密度等指標(biāo)，提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，降低膨脹土的膨脹特性。

學(xué)者黃偉[18]指出，環(huán)境對膨脹土的影響不容忽視。酸雨、工業(yè)廢水的滲入，會損壞膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，劣化膨脹土力學(xué)性能，降低土質(zhì)的穩(wěn)定性和耐久性。水泥改性膨脹土增加了土體的密實(shí)度，填充了分內(nèi)部孔隙，能夠顯著提升抗壓性能和強(qiáng)度。

筆者目前正尋找合適的材料對南京部分地區(qū)的膨脹土進(jìn)行改良。目前一些新型材料的加入，使改良土在三軸試驗(yàn)下測得的的粘聚力和內(nèi)摩擦角與預(yù)期符合的較好。筆者認(rèn)為，隨著技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)有關(guān)土體的微觀掃描技術(shù)已趨于成熟，對膨脹土的改良研究可以深入到土體的微觀結(jié)構(gòu)。可以從土體孔隙、土顆粒內(nèi)部的空間位置、土粒間的毛細(xì)壓力聯(lián)結(jié)狀態(tài)、土體骨架排列分布和土體層理構(gòu)造等方面著手考慮，從液限和塑性指數(shù)、最大干密度、最優(yōu)含水率、粘聚力、抗剪抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、脹縮特性綜合評價改良土性能指標(biāo)。

3 結(jié)語

膨脹土作為一種擁有高承載力的高塑性黏土，雖然造成諸多危害，但在工程以及化工領(lǐng)域中作為一種礦產(chǎn)資源，有著許多有益的應(yīng)用。通過對膨脹土的改良，降低了膨脹土對路基的破壞作用，減少了建筑物產(chǎn)生的位移、開裂甚至是破壞，保證了道路和建筑物的施工質(zhì)量和使用壽命。目前圍繞膨脹土進(jìn)行的改良已有較多研究，取得了豐富的研究成果。然而在實(shí)際工程中，膨脹土產(chǎn)生的工程事故仍然時有發(fā)生，面臨一些較為極端的情況時，還缺少有效的解決方法。對膨脹土的研究，例如膨脹土裂隙的形成機(jī)理、脹縮性、力學(xué)性質(zhì)的各向異性等等仍存在較大空缺，需要國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)一步深入研究。