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(1.深圳市勘察測(cè)繪院有限公司廣東深圳518028；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院, 廣西桂林541004；3.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004)

0 引言

膨脹土是在自然地質(zhì)過(guò)程中形成的一種具有多裂隙性和顯著脹縮特性的特殊性黏土[1]，其主要礦物成分由強(qiáng)親水性的蒙脫石或伊利石所構(gòu)成，具有吸水膨脹軟化和失水收縮硬裂兩大特性，且經(jīng)常發(fā)生反復(fù)的干縮濕脹變形。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)，每年因膨脹土而造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)50億美元[2]，僅美國(guó)就達(dá)20億美元之多[3]。因此，膨脹土問(wèn)題被稱為“工程中的癌癥”[4]。

膨脹土發(fā)生上述災(zāi)變的主要原因在于其工程特性發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的劣化，而這些變化都是由于膨脹土特殊的礦物成分和獨(dú)特的微孔隙結(jié)構(gòu)引起的。在工程實(shí)踐中，人們往往利用物理[5-6]、化學(xué)[7-8]、生物[9-10]等方法對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，以達(dá)到改善膨脹土的工程性質(zhì)、防治膨脹土災(zāi)變之目的。在工程中被廣泛推廣應(yīng)用的是石灰改良膨脹土：顧明芬[11]、陶飛飛[12]、劉林芽[13]等研究了石灰改良膨脹土的物理力學(xué)性能；莫紅艷[14]、張義貴[15]等探討了石灰改良膨脹土的路用性能及施工技術(shù)；Guney[16]、Kalkan[17]、Runigo[18]等研究了石灰改良膨脹土的干濕循環(huán)效應(yīng)及水穩(wěn)定性；上述研究結(jié)果表明該方法具有改性效果好、施工推廣度高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前對(duì)于石灰改良膨脹土的工程特性尚缺乏系統(tǒng)的研究，在工程實(shí)踐過(guò)程中也未能有效地確定摻灰比和養(yǎng)護(hù)齡期。因此，有必要對(duì)石灰改良膨脹土的工程特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。

本文對(duì)素膨脹土和不同摻量的石灰改良膨脹土進(jìn)行了一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，獲得其物理、力學(xué)、水理性質(zhì)等指標(biāo)的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對(duì)石灰改良膨脹土的工程特性進(jìn)行了相關(guān)分析，可為石灰改良膨脹土在鐵路工程方面的應(yīng)用提供有效的參考依據(jù)。

1 石灰改良膨脹土的作用機(jī)理

石灰作為一種氣硬性膠凝材料，可與黏土礦物中的活性鋁、硅礦物發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣等膠結(jié)物，廣泛應(yīng)用于地基、路基、砌塊、墻體抹面等工程方面，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于石灰作為膨脹土改良劑已有較為成熟的研究，石灰可與膨脹土發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，生成的物質(zhì)改變了土體的力學(xué)性能及基本物理性質(zhì)，從而使得膨脹土的不良工程特性得以控制，其改良機(jī)理主要集中在以下幾個(gè)方面：

①離子交換反應(yīng)

膨脹土中的膨脹性礦物(蒙脫石和伊利石)是膨脹土具有膨脹性的主要原因，由于在靜電力的吸引下，表面帶有一定負(fù)電荷的黏土顆粒周圍吸引了大量帶Na+、K+的水化陽(yáng)離子，從而導(dǎo)致膨脹土土顆粒間存在著較厚的吸著水膜，吸著水膜厚度的變化可顯著影響膨脹土的物理力學(xué)特性。石灰加入膨脹土后，石灰電解生成Ca2+、Mg2+，這些高價(jià)陽(yáng)離子可與Na+、K+發(fā)生置換反應(yīng)。由于雙電子層厚度與孔隙中陽(yáng)離子的價(jià)數(shù)成反比，因此石灰的摻入可減小膨脹土的吸著水膜厚度，從而降低了膨脹土的膨脹性。

②膠結(jié)作用

石灰屬于無(wú)機(jī)性膠凝材料，在高堿性的條件下，石灰摻入膨脹土中可與土中大量存在的活性硅、活性鋁在堿性條件下發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鈣硅和氫氧化鈣鋁，從而使得土體強(qiáng)度得到提高?；鹕交曳磻?yīng)則是生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這些膠凝材料具有水硬性，可在水中逐漸硬化，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加從而使石灰改良土的強(qiáng)度和水穩(wěn)性不斷增加。

③碳化作用

土中未反應(yīng)的石灰在長(zhǎng)期過(guò)程中可與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣，整個(gè)反應(yīng)在有水的條件下進(jìn)行，由于石灰與空氣中二氧化碳接觸面積較小，因此碳化作用是一個(gè)緩慢的過(guò)程。反應(yīng)生成的碳酸鈣為結(jié)晶體，對(duì)膨脹土的膠結(jié)作用起到了一定的促進(jìn)作用，對(duì)改良土的后期強(qiáng)度和水穩(wěn)性的影響主要體現(xiàn)在后期。

④硬凝反應(yīng)

石灰加入膨脹土中，經(jīng)過(guò)一定的物理和化學(xué)反應(yīng)，石灰改良土可發(fā)生團(tuán)聚，并產(chǎn)生膠凝物，形成膠凝團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，土體中不斷有棒狀和纖維狀的結(jié)晶生成，構(gòu)成了網(wǎng)狀的結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，膠凝結(jié)構(gòu)會(huì)不斷加厚，網(wǎng)架不斷加密，從而使石灰改良土的穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步的提高。

2 試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自南寧至廣州高速鐵路南寧東站附近，取土深度約2.0 m；土樣取回后，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[19]進(jìn)行了土粒相對(duì)密度、天然含水率、密度、界限含水率、自由膨脹率等試驗(yàn)，結(jié)果見表1。由表1可知，膨脹土樣的塑性指數(shù)為28.9，液限大于50 %，塑性指數(shù)大于0.73(ωL-20)，按照《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)[20]，該土樣可劃分為高液限黏土(CH)；該土樣自由膨脹率為54 %，由于40 %<54 %<65 %，按照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112—2013)[21]規(guī)定，該土樣屬弱膨脹性土。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties of expansive soil

2.2 試驗(yàn)方案

2.1.1 物理性能試驗(yàn)

石灰改良膨脹土可以作為鐵路路基的填筑材料，其自由膨脹率、界限含水率和擊實(shí)性能(最優(yōu)含水率和最大干密度)是最關(guān)鍵的參數(shù)。因此，分別對(duì)不同石灰摻量的膨脹土試樣進(jìn)行上述三種物理性能試驗(yàn)。

①自由膨脹率試驗(yàn)

將試驗(yàn)土樣風(fēng)干碾碎過(guò)0.5 mm篩，分別按照0 %、2 %、4 %、6 %、8 %的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)摻加消石灰，拌和均勻，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7 d、14 d、28 d。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[19]進(jìn)行上述土樣的自由膨脹率試驗(yàn)。

②界限含水率試驗(yàn)

將試驗(yàn)土樣風(fēng)干碾碎過(guò)0.5 mm篩，分別按照0 %、2 %、4 %、6 %、8 %的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)摻加消石灰，拌和均勻。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[19]進(jìn)行上述土樣的界限含水率試驗(yàn)。

③擊實(shí)試驗(yàn)

將試驗(yàn)土樣風(fēng)干碾碎過(guò)5 mm篩，分別按照0 %、2 %、4 %、6 %、8 %的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)摻加消石灰，拌和均勻。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[19]，每組試驗(yàn)分別配置5種不同含水率的土樣，由于摻入的石灰需要一定的反應(yīng)時(shí)間，因此，所有試樣靜置養(yǎng)護(hù)3 d后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。

2.1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

抗剪強(qiáng)度是膨脹土力學(xué)性能參數(shù)中最典型的一個(gè)指標(biāo)。因此，本次試驗(yàn)主要通過(guò)直剪試驗(yàn)探究不同石灰摻量、不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)石灰改良膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響。具體方案和試驗(yàn)過(guò)程如下：①將試驗(yàn)土樣風(fēng)干碾碎過(guò)2 mm篩，分別按照0 %、2 %、4 %、6 %、8 %的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)摻加消石灰，拌和均勻；②按上述素膨脹土(石灰摻量0 %)擊實(shí)試驗(yàn)得出的最優(yōu)含水率加水，在恒溫恒濕的條件下靜置24 h，使土樣含水率均勻；③采用靜壓法將含水率均勻的土樣壓制成環(huán)刀樣(內(nèi)徑61.8 mm，高20 mm)，環(huán)刀樣的密度之差小于0.01 g·cm-3；④將制備的環(huán)刀試樣分別放置在相同含水率的粉土中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，表面鋪蓋一層保鮮膜，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為1 d、7 d、14 d、28 d；由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，需定期測(cè)定粉土含水率，防止試樣含水率發(fā)生過(guò)大變化；⑤采用抽氣真空飽和法對(duì)試樣進(jìn)行飽和，飽和度在95 %以上時(shí)滿足試驗(yàn)要求；⑥按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[19]進(jìn)行快剪試驗(yàn)，每組4個(gè)試樣。

2.1.3 水穩(wěn)性試驗(yàn)

工程實(shí)踐中，膨脹土工程性質(zhì)劣化引發(fā)的災(zāi)變問(wèn)題大部分與自然環(huán)境中的水密切相關(guān)，尤其是干濕交替頻繁的大氣環(huán)境常常引起膨脹土體中水分發(fā)生遷移，致使土體產(chǎn)生濕脹干縮和裂紋。因此，對(duì)石灰改良膨脹土開展干濕循環(huán)試驗(yàn)，探討其水穩(wěn)定性能。具體方案和試驗(yàn)過(guò)程如下：

①試樣制備

按2.1.2節(jié)步驟1)～4)制備環(huán)刀試樣，按石灰摻量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)：0 %、2 %、4 %、6 %、8 %)分為5個(gè)大組，每大組按干濕循環(huán)次數(shù)(0次、1次、2次、3次、4次、5次、6次)又分為7個(gè)小組，每個(gè)小組4個(gè)環(huán)刀試樣，一共140個(gè)試樣。

②干濕循環(huán)

為了模擬自然環(huán)境中膨脹土經(jīng)歷雨季和旱季的干濕循環(huán)過(guò)程，室內(nèi)干濕循環(huán)過(guò)程中，采用環(huán)刀試樣在恒溫恒濕條件下進(jìn)行浸水和脫濕試驗(yàn)。

浸水過(guò)程：環(huán)刀試樣放置在透水石上，透水石和試樣之間放置濾紙，防止土顆粒堵塞透水石。加水淹沒(méi)透水石至試樣的2/3高度處，利用土體的毛細(xì)吸力作用吸水至試樣飽和，此為一個(gè)濕循環(huán)。

脫濕過(guò)程：在恒溫恒濕條件下，將試樣放置在陰涼處自然風(fēng)干，由于自然環(huán)境中膨脹土在干旱季節(jié)有一個(gè)較為穩(wěn)定的含水率(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該穩(wěn)定風(fēng)干含水率為15 %)，因此在風(fēng)干過(guò)程中采用稱重法控制含水率，達(dá)到15 %時(shí)即完成一個(gè)干循環(huán)。

完成一個(gè)濕循環(huán)和一個(gè)干循環(huán)即為一次干濕循環(huán)，上述140個(gè)試樣分組完成0～6次干濕循環(huán)過(guò)程。

③體積量測(cè)

干濕循環(huán)過(guò)程中，對(duì)每個(gè)完成干循環(huán)和濕循環(huán)的試樣進(jìn)行體積量測(cè)，采用游標(biāo)卡尺分3次量測(cè)試樣直徑和高度，取平均值作為體積計(jì)算的直徑和高度值。

④直剪試驗(yàn)

對(duì)完成干濕循環(huán)的試樣采用抽氣真空飽和法進(jìn)行飽和，飽和度在95 %以上時(shí)滿足試驗(yàn)要求；按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[19]進(jìn)行快剪試驗(yàn)，每組4個(gè)試樣。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 物理性能試驗(yàn)

不同摻量石灰改良膨脹土的自由膨脹率試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1表明石灰摻量對(duì)膨脹土的自由膨脹率產(chǎn)生了顯著影響，僅僅摻加了2 %的石灰，自由膨脹率δef由素膨脹土(石灰摻量為0)的54 %迅速降至14 %左右，降幅高達(dá)76 %；隨著石灰摻量的增加，自由膨脹率δef繼續(xù)降低，但是降低速度緩慢，石灰摻量為4 %時(shí)，自由膨脹率降幅為82 %，后面的降幅基本維持不變。這主要是因?yàn)槭宜馍傻腃a2+、Mg2+高價(jià)陽(yáng)離子與膨脹土中黏土礦物Na+、K+低價(jià)離子發(fā)生置換反應(yīng)，減小了膨脹土的吸著水膜厚度，從而降低了膨脹土的膨脹性；但是黏土礦物中Na+、K+離子數(shù)量是一定的，所以隨著石灰摻量的增加，離子交換速率變慢，所以自由膨脹率降低速度也漸緩慢并趨于穩(wěn)定。由圖1可知，不同石灰摻量的膨脹土自由膨脹率均滿足δef≤ 40 %的要求，按照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112—2013)[21]規(guī)定，所有的石灰改良膨脹土不具有膨脹性。由于自由膨脹率試驗(yàn)是在溶液中進(jìn)行，石灰和膨脹土黏土礦物的反應(yīng)均以離子交換的形式進(jìn)行，所以養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)此影響不明顯，圖1中3種不同養(yǎng)護(hù)齡期的石灰改良膨脹土自由膨脹率變化曲線近乎重合剛好證明了這一點(diǎn)。

圖1 自由膨脹率與石灰摻量的關(guān)系
Fig.1 Relationship between freeswell ratio and lime content

圖2 界限含水率與石灰摻量的關(guān)系
Fig.2 Relationship between waterratio limit and lime content

(a) 干密度與含水率的關(guān)系

(b) 最大干密度、最優(yōu)含水率與石灰摻量的關(guān)系

圖3 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果
Fig.3 Compaction test results

圖2表明石灰改良膨脹土的界限含水率指標(biāo)，相比素膨脹土而言有明顯改善；隨著石灰摻量的增加，液限含水率和塑性指數(shù)遞減，塑限含水率遞增；石灰摻量為2 %時(shí)，相對(duì)素膨脹土，液限含水率和塑性指數(shù)分別降低了15 %和33 %，塑限含水率增加了6 %；石灰摻量為4 %時(shí)，相對(duì)素膨脹土，液限含水率和塑性指數(shù)分別降低了19 %和46 %，塑限含水率增加了13 %；此后，隨著石灰摻量的遞增，界限含水率的變化幅度逐漸減小。另一方面，當(dāng)石灰摻量為4 %時(shí)，改良膨脹土的塑性指數(shù)降低為15.5 %，較好地滿足了作為一般路用高液限黏土材料的基本要求。上述現(xiàn)象可以這么解釋：石灰與黏土礦物反應(yīng)，立刻發(fā)生離子交換和絮凝作用，其中離子交換作用與黏粒(<0.002 mm)含量有直接關(guān)系，由于黏粒具有比較大的比表面積，其含量越高，顆粒表面電荷所形成的的表面能就越大，相應(yīng)的離子交換能力就越強(qiáng)，離子交換作用就越顯著。離子交換的結(jié)果使土粒的雙電層變薄，結(jié)合水減少，因此降低了土粒之間的結(jié)合力；其宏觀現(xiàn)象就是界限含水率的變化。

圖3表明隨著石灰摻量的增加，改良膨脹土的最大干密度遞減，最優(yōu)含水率遞增。石灰摻量為2 %時(shí)，相對(duì)素膨脹土，最大干密度減少了4.4 %，最優(yōu)含水率增加了3.0 %；石灰摻量為4 %時(shí)，相對(duì)素膨脹土，最大干密度減少了7.5 %，最優(yōu)含水率增加了5.9 %；此后，隨著石灰摻量的遞增，上述二者的變化幅度逐漸減小。上述現(xiàn)象可以從兩個(gè)方面來(lái)解釋：一方面，由于石灰加入膨脹土中，經(jīng)過(guò)一定的物理和化學(xué)反應(yīng)，石灰改良土可發(fā)生團(tuán)聚，并產(chǎn)生膠凝物，形成膠凝團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黏土顆粒減少，團(tuán)聚體內(nèi)孔隙增多，也就是說(shuō)土體內(nèi)部孔隙體積增加了，因此最大干密度隨石灰摻量的增加而減少；而這部分團(tuán)聚體內(nèi)孔隙可以吸收更多的水分，因此最優(yōu)含水率隨石灰摻量的增加而遞增。另一個(gè)方面，石灰在水解的過(guò)程中，需要吸收周圍土體的大量水分，因此，隨著石灰摻量的增加，土體需要更多的水分補(bǔ)充以便石灰能夠充分水解，這就是石灰改良膨脹土最優(yōu)含水率遞增的另一個(gè)原因。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

石灰改良膨脹土直剪試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖5所示。

(a) 黏聚力

(b) 內(nèi)摩擦角

圖4 黏聚力、內(nèi)摩擦角與石灰摻量的關(guān)系
Fig.4 Relationship between cohesion force & internal friction angle and lime content

圖4顯示了直剪參數(shù)(黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ)隨石灰摻量的變化曲線，由此可以看出：隨著石灰摻量的增加，土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)出不同程度遞增的趨勢(shì)。主要原因是石灰摻入膨脹土中可與土中大量存在的活性硅、活性鋁在堿性條件下發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鈣硅和氫氧化鈣鋁，從而使得土體黏結(jié)強(qiáng)度得到提高。另一方面，火山灰反應(yīng)生成的硅酸鈣、鋁酸鈣膠體使得土顆粒膠結(jié)成團(tuán)粒，增大了顆粒間的咬合力，在這個(gè)過(guò)程中土體的黏聚力和內(nèi)摩擦力均大幅度的增加，從而表現(xiàn)出黏聚力和內(nèi)摩擦角隨石灰摻量遞增而遞增的特點(diǎn)。具體來(lái)看，圖4中石灰改良膨脹土抗剪強(qiáng)度在石灰摻量2 %～6 %之間呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)：以1 d養(yǎng)護(hù)期曲線為例，石灰摻量為2 %、4 %、6 %時(shí)，相對(duì)素膨脹土(0 %)而言，黏聚力c的增長(zhǎng)幅度分別為126 %、180 %、238 %，內(nèi)摩擦角φ的增長(zhǎng)幅度分別為111 %、139 %、200 %。但是，在石灰摻量6 %～8 %之間強(qiáng)度增長(zhǎng)速度漸漸緩慢，摻量為8 %時(shí)，相對(duì)素膨脹土(0 %)而言，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的增長(zhǎng)幅度分別為248 %和219 %，但是與摻量6 %的強(qiáng)度值相比，上述二者的增長(zhǎng)幅度僅僅分別提高了10 %和19 %。由此得到結(jié)論：過(guò)量的石灰摻量并不能起到大幅度增加石灰改良膨脹土體強(qiáng)度的作用，石灰摻量4 %是一個(gè)比較合理的數(shù)值。

圖5顯示了直剪參數(shù)(黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ)隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線，由此可以看出：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，黏聚力c呈現(xiàn)明顯遞增趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角φ并沒(méi)有發(fā)生明顯變化而在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。具體地分析，圖5(a)中不同摻量石灰改良膨脹土的黏聚力隨養(yǎng)護(hù)齡期的遞增而增大，表現(xiàn)出變化趨勢(shì)的一致性。在1 d養(yǎng)護(hù)齡期，相對(duì)素膨脹土(0 %)而言，黏聚力c呈現(xiàn)出較大的強(qiáng)度增長(zhǎng)：石灰摻量為2 %、4 %、6 %、8 %時(shí)，c的增長(zhǎng)幅度分別為126 %、180 %、238 %、248 %；同時(shí)，由圖5(a)各曲線的斜率可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期0～7 d、7～14 d和14～28 d各段內(nèi)的增長(zhǎng)速率是不一樣的，由大到小依次排列為：(0～7 d)>(7～14 d)>(14～28 d)。因此，養(yǎng)護(hù)齡期7 d左右是石灰改良膨脹土強(qiáng)度發(fā)展的高峰期，而14～28 d是強(qiáng)度增長(zhǎng)的緩慢期，其前期黏聚力發(fā)展較為迅速的原因主要由石灰中的Ca(OH)2與土體中的活性硅、鋁礦物發(fā)生火山灰反應(yīng)生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣的膠結(jié)作用，而后期黏聚力發(fā)展緩慢的因素可能是由于Ca(OH)2與空氣中二氧化碳反應(yīng)生產(chǎn)了不溶性的CaCO3的包裹作用阻止了Ca(OH)2火山灰反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生。圖5(b)中不同摻量石灰改良膨脹土的內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而無(wú)規(guī)律性變化，表明養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)于內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)并沒(méi)有明顯的作用，原因在于：盡管石灰的摻入能在短期內(nèi)改變層間結(jié)合水的狀態(tài)和土顆粒間咬合力的作用方式，但是這些作用只能在1 d齡期內(nèi)引起內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)，如石灰摻量為2 %、4 %、6 %、8 %時(shí)，相對(duì)素膨脹土而言，內(nèi)摩擦角φ的增長(zhǎng)幅度分別為111 %、139 %、200 %、219 %。隨著齡期的增加，這些作用就微乎其微，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

(a) 黏聚力

(b) 內(nèi)摩擦角

圖5 黏聚力、內(nèi)摩擦角與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系
Fig.5 Relationship between cohesion force & internal friction angle and curing period

3.3 水穩(wěn)性試驗(yàn)

石灰改良膨脹土的水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果見圖6～圖8。

圖6顯示了不同摻量的石灰改良膨脹土試樣在經(jīng)歷了4次干濕循環(huán)后的裂紋開展情況：石灰摻量2 %的膨脹土試樣表面出現(xiàn)裂隙和脫環(huán)現(xiàn)象，4 %摻量石灰改良膨脹土僅出現(xiàn)脫環(huán)現(xiàn)象并未有明顯的宏觀裂隙產(chǎn)生，6 %及8 %摻量的石灰改良膨脹土試樣表面完整、無(wú)顆粒脫落現(xiàn)象，也無(wú)貫穿裂隙的發(fā)展，土樣收縮明顯減小，未出現(xiàn)脫環(huán)現(xiàn)象；這表明石灰摻量的增加可有效的降低膨脹土的脹縮特性和裂隙的開展。眾所周知，膨脹土具有顯著的濕脹干縮現(xiàn)象，干濕循環(huán)過(guò)程會(huì)促使土體裂隙的開裂和發(fā)展；但是石灰的摻入可減小膨脹土的吸著水膜厚度，從而降低了膨脹土的膨脹性，這在前文中已經(jīng)得到證實(shí)；同時(shí)，石灰與膨脹土發(fā)生的膠結(jié)作用、碳化作用和硬凝反應(yīng)會(huì)促使石灰改良土的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的提高。因此，隨著石灰摻量的增加，石灰改良膨脹土的裂隙性和脹縮性不斷弱化而出現(xiàn)如圖6所示的現(xiàn)象。

(a) 石灰摻量2 %

(b) 石灰摻量4 %

(c) 石灰摻量6 %

(d) 石灰摻量8 %

圖6 干濕循環(huán)后不同摻量的石灰改良膨脹土試樣
Fig.6 Improved expansive soils with different lime content after wetting and drying cycles

上述干濕循環(huán)后試樣形態(tài)的變化情況只能定性地觀察石灰改良膨脹土的水穩(wěn)性情況，不能定量地反映出石灰摻量對(duì)膨脹土水穩(wěn)性的影響。為了定量研究石灰改良膨脹土的水穩(wěn)性，采用干濕循環(huán)過(guò)程中土樣的相對(duì)膨脹率δr和絕對(duì)膨脹率δa來(lái)描述改良膨脹土在干濕循環(huán)過(guò)程中的脹縮特性。

(1)

(2)

式中：δa為絕對(duì)膨脹率，δr為相對(duì)膨脹率；hi為試樣第i次干濕循環(huán)后膨脹穩(wěn)定高度，hi-1為試樣第i-1次干濕循環(huán)后風(fēng)干穩(wěn)定高度，h0為試樣初始高度。

圖7顯示了干濕循環(huán)過(guò)程中試樣的絕對(duì)膨脹率和相對(duì)膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律：在干濕循環(huán)過(guò)程中，素膨脹土的絕對(duì)膨脹率和相對(duì)膨脹率均較大，其絕對(duì)膨脹率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，在前2次干濕循環(huán)中具有較大增幅，在經(jīng)歷3次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定，其相對(duì)膨脹率在第一次干濕循環(huán)后呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)；對(duì)比石灰改良前后的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，石灰改良膨脹土具有較低的膨脹性，整體上隨著石灰摻量的增加，其絕對(duì)膨脹率和相對(duì)膨脹率都有較大幅度的降低；其中石灰摻量為2 %時(shí)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其絕對(duì)膨脹率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，原因是干濕循環(huán)破壞了石灰改良膨脹土中生成硅酸鈣的膠結(jié)能力，但當(dāng)石灰摻量大于4 %時(shí)，石灰改良膨脹土表現(xiàn)出更好的水穩(wěn)性，原因是更多石灰的摻入可以使土體中親水性黏粒數(shù)量進(jìn)一步減少，減小了黏粒的雙電子層厚度，而且隨著在干濕循環(huán)過(guò)程能夠繼續(xù)進(jìn)行火山灰反應(yīng)產(chǎn)生更多的膠結(jié)物質(zhì)，從而使土體能夠保持體積穩(wěn)定。

(a) 絕對(duì)膨脹率

(b) 相對(duì)膨脹率

圖7 石灰改良膨脹土的膨脹率隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律
Fig.7 Change rule of swelling ratio of lime-improved expansive soil with the drying-wetting cycle

圖8顯示了干濕循環(huán)過(guò)程中石灰改良膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。由此可看出，素膨脹土和石灰改良膨脹土的黏聚力c隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而遞減，干濕循環(huán)對(duì)內(nèi)摩擦角φ的影響不明顯，這符合多數(shù)學(xué)者對(duì)膨脹土干濕循環(huán)效應(yīng)的研究結(jié)論[22-24]。圖8也表明，對(duì)于同一次循環(huán)，隨著石灰摻量的增加，石灰改良膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均有較大幅度的增加，主要原因在于：由于石灰可與土中的活性鋁、硅礦物發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣的等膠結(jié)物，從而在養(yǎng)護(hù)一定齡期后能大大提高土體強(qiáng)度和水穩(wěn)性；同時(shí)石灰同空氣中的二氧化碳也可發(fā)生碳化反應(yīng)，從而能進(jìn)一步增強(qiáng)土體的整體強(qiáng)度。

(a) 黏聚力

(b) 內(nèi)摩擦角

圖8 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系
Fig.8 Relationship between shear strength index and cycle number

同時(shí)由圖8可以看出，在干濕循環(huán)過(guò)程中，石灰改良膨脹土在1～2次干濕循環(huán)后土體的黏聚力降低幅度逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，2 %摻量石灰改良土黏聚力降低幅度較4 %以上摻量降低幅度大，說(shuō)明4 %以上摻量的石灰可發(fā)生更多的火山灰反應(yīng)從而產(chǎn)生更多的膠結(jié)物質(zhì)，從而增加了石灰改良膨脹土的水穩(wěn)性；但6 %和8 %的石灰摻量對(duì)黏聚力的提升幅度相當(dāng)，因此可以認(rèn)為過(guò)多的石灰摻量并不能過(guò)大的提高膨脹土的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，石灰摻量4 %是一個(gè)比較合適的數(shù)值。

4 結(jié)論

①石灰可以顯著改善膨脹土的物理性能，隨著石灰摻量的增加，石灰改良膨脹土的自由膨脹率、液限含水率、塑性指數(shù)、最大干密度大幅度地降低，而塑限含水率、最優(yōu)含水率顯著地增加，較好地滿足了作為一般路用高液限黏土材料的基本要求。

②隨著石灰摻量的增加，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)出不同程度遞增的趨勢(shì)，2 %～6 %之間增加趨勢(shì)明顯，6 %～8 %之間增長(zhǎng)速度緩慢，過(guò)量的石灰摻量并不能大幅度地增加石灰改良膨脹土體強(qiáng)度，石灰摻量4 %是一個(gè)合理值。

③隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，黏聚力c呈現(xiàn)明顯遞增趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角φ并沒(méi)有發(fā)生明顯變化而在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，養(yǎng)護(hù)齡期7 d左右是石灰改良膨脹土強(qiáng)度發(fā)展的高峰期。

④隨著石灰摻量的增加，石灰改良膨脹土的水穩(wěn)性提高，表現(xiàn)為脹縮性和裂隙性減弱、膨脹率和體積變化率減小、干濕循環(huán)效應(yīng)弱化。