膨脹土地區(qū)高速公路路基石灰改良的脹縮性研究

鄒祎

摘 ?要：膨脹土因其吸水膨脹、失水收縮會造成嚴(yán)重的工程病害而受到廣泛關(guān)注，尤其是對高等級公路路基穩(wěn)定和變形問題更為突出。文章以某高速公路膨脹土路基工程為依托，開展了石灰改良膨脹土的脹縮性試驗研究。結(jié)果表明，石灰摻入膨脹土中可顯著降低膨脹土的脹縮性，但摻灰率超過一定閾值后，改良效果變差。分析認(rèn)為，土-水-石灰系統(tǒng)間復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，膠結(jié)分散顆粒和充填孔隙，有效的減少孔隙空間和阻止水分遷入，弱化膨脹土的晶格擴(kuò)張和雙電層膨脹。

關(guān)鍵詞：路基;膨脹土;石灰改良;脹縮性

中圖分類號：U414 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）22-0057-02

Abstract： Expansive soil has been widely concerned because its water absorption expansion and water loss shrinkage will cause serious engineering diseases， especially for the stability and deformation of high-grade highway roadbed. Based on the expansive soil subgrade project of an expressway， the expansion and shrinkage test of expansive soil improved by lime is carried out in this paper. The results show that the swelling and shrinkage of expansive soil can be significantly reduced by adding lime into expansive soil， but the improvement effect becomes worse when the lime content exceeds a certain threshold. The analysis shows that the products of complex physical and chemical reactions between soil-water-lime system， cementitious dispersed particles and filling pores， effectively reduce pore space and prevent water from moving in， and weaken the lattice expansion and double layer expansion of expansive soil.

Keywords： subgrade; expansive soil; lime improvement; expansion and shrinkage

1 概述

膨脹土富含蒙脫石、伊利石等親水性黏土礦物，是一種對環(huán)境的濕熱變化高度敏感的高塑性黏土，具有多裂隙性、強(qiáng)脹縮性和強(qiáng)度衰減性等特點，常給工程建設(shè)帶來嚴(yán)重的危害，如墻體開裂、道路傾斜、滑坡等[1-2]。根據(jù)現(xiàn)有資料，在四川、云南、廣西、湖北、河南、陜西等20多個省、自治區(qū)均有殘積或殘坡積成因的膨脹土分布。隨著高速公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，路網(wǎng)密度不斷增大，在工程建設(shè)中遇到的膨脹土工程問題也日益增多。截止目前，據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，我國膨脹土路基病害處置的費用每年遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過數(shù)百萬元[3]。由此可見，膨脹土地區(qū)路基的病害問題是目前工程界迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

為此，針對膨脹土地區(qū)修建高速公路面臨諸多病害，本文以某高速公路路基工程為依托，基于膨脹土工程性質(zhì)的改良，通過無荷膨脹量試驗和收縮試驗對石灰改良膨脹土脹縮性的改善情況及其機(jī)理進(jìn)行了探析。該研究成果可為類似工程實踐提供重要的理論參考數(shù)據(jù)。

2 試驗概況

試驗土體取自廣西寧明縣，取土深度地下1.5～2.5m，呈灰白色、斑紋狀，為殘積型膨脹土，其基本的性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

首先，取回的膨脹土經(jīng)風(fēng)干土、碾碎、過篩（2.0mm），測得其風(fēng)干含水率為3.7%;稱取一定質(zhì)量的上述風(fēng)干土和預(yù)定劑量（0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0%）的生石灰粉（過1.0mm篩）倒入干粉混合器中勻速攪拌20min后取出;然后噴灑蒸餾水拌勻，裝入自封袋密封，放置保濕缸中燜料72h。之后，取出復(fù)測濕土含水率，其值控制在20%～0.5%內(nèi)。根據(jù)預(yù)設(shè)的干密度（1.4g/cm3），稱取相應(yīng)質(zhì)量的濕土，分兩層（每層土料質(zhì)量相等）靜壓制樣。為保證各土層間接觸良好，壓實后將其上表面刨毛。最后，試樣被密封養(yǎng)護(hù)7天后，裝入膨脹儀和收縮儀中進(jìn)行脹縮性試驗測試。詳細(xì)試驗操作參看《土工試驗規(guī)程》[4]。所有試驗均在室溫約25℃且濕度變化較小的條件下進(jìn)行。

3 試驗結(jié)果

3.1 無荷膨脹量試驗

圖1呈現(xiàn)了在無荷載有側(cè)限條件下，試樣浸水后豎向膨脹率隨摻灰率的變化曲線?？梢钥闯?，摻灰率在0～9%范圍內(nèi)，試樣無荷膨脹率隨摻灰率的增加并不是單調(diào)降低的，而是先急劇降低后略有回升，其最小膨脹率對應(yīng)的摻灰率約為5%。這說明石灰改良膨脹土的膨脹性存在一個臨界閾值，超過該閾值后改良效果變差，故工程實踐中為達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效的目的，應(yīng)因地制宜選擇合適的摻灰率。相類似的試驗結(jié)果在陳愛軍[5]對石灰改良膨脹土的研究中也曾有報道。

3.2 收縮試驗

不同摻灰率的石灰改良膨脹土的體收縮率測試結(jié)果，如圖1所示。從圖中可以看出，隨著摻灰率的不斷增加，體收縮率不斷的減小;當(dāng)摻灰率超過4.5%后，其體收縮率的變化趨穩(wěn)定，即使后續(xù)摻灰率增至9%仍并未有較大的改善體收縮率。該試驗結(jié)果表明，摻入石灰可有效改善膨脹土的收縮性，但影響程度有限;過多地增加摻灰量來改善膨脹土的收縮量，也是不可取的做法。

4 分析與討論

目前主要是通過晶格擴(kuò)張膨脹理論和擴(kuò)散雙電層膨脹理論來解釋膨脹土脹縮性的變化[5]。前者是指土體與水接觸時，極性水分子在電場作用下嵌入晶層成為水化陽離子，晶層間水膜加厚，使晶層間距增大產(chǎn)生體積膨脹，見圖2（a）;后者是指為了滿足電中性和力平衡的要求，黏土顆粒表面將吸附水分子、水化陽離子等形成擴(kuò)散雙電層，見圖2（b），由于擴(kuò)散雙電層增厚發(fā)生重疊而將巖土顆粒楔開，增大固體基質(zhì)之間的距離，導(dǎo)致土體膨脹。

當(dāng)石灰摻入膨脹土后，在土-水-石灰構(gòu)成的系統(tǒng)中將發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，主要包括：離子交換反應(yīng)、結(jié)晶反應(yīng)以及碳酸化和火山灰反應(yīng)[6]。

4.1 離子反應(yīng)

在水的作用下，石灰將解離成（Ca2+）和（OH）-離子，二價（Ca2+）離子與一價（如K+、Na+）離子發(fā)生陽離子交換，使顆粒表面擴(kuò)散雙電層變薄（膨脹性減弱）而發(fā)生集結(jié)，形成新的土顆粒結(jié)構(gòu)。

4.2 結(jié)晶反應(yīng)

石灰與水反應(yīng)生成的Ca（OH）2，其部分不發(fā)生解離并保留在土中形成晶體，將分散的膨脹土固體顆粒膠結(jié)成一個整體，從而使土體獲得初期的水穩(wěn)性。

4.3 碳酸化和火山灰反應(yīng)

膨脹土自身釋放的CO2以及土中的SiO2和Al2O3將與（2）中保留的Ca（OH）2晶體發(fā)生碳酸化和火山灰反應(yīng)，生成堅硬的CaCO3、CaSiO3和Ca（AlO2）2等物質(zhì)，充填于膨脹土內(nèi)部錯綜復(fù)雜的孔隙、裂隙等中，把固體顆粒膠結(jié)在一起形成整體阻止外界水分的進(jìn)入，并減少了有效孔隙空間。這對改良膨脹土的脹縮性起著決定性作用。

5 結(jié)論

本文以某高速公路膨脹土路基石灰改良土為例，從無荷膨脹率和體收縮率的角度探討了石灰摻入率對膨脹土脹縮性的影響，獲得以下結(jié)論：

（1）石灰的摻入可有效地降低膨脹土的脹縮性，滿足工程實踐的需求，是一種經(jīng)濟(jì)有效的改良劑。當(dāng)摻灰率超過臨界閾值后，再增加摻灰率改良效果變差，故存在最佳摻灰率。

（2）石灰摻入膨脹土發(fā)生的離子、結(jié)晶、碳酸化和火山灰等反應(yīng)，生成的物質(zhì)膠結(jié)充填于土體孔隙中，使膨脹土的晶格擴(kuò)張和雙電層膨脹減弱，進(jìn)而有效的改善了膨脹土的脹縮性。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊洋，姚海林，陳守義.廣西膨脹土的孔隙結(jié)構(gòu)特征[J].巖土力學(xué)，2006，27（1）：155-158.

[2]李斌.膨脹土地區(qū)[M].北京：人民交通出版社，1993.

[3]周晶晶，席志飛.膨脹土地區(qū)修建高速公路路基填料改良及效果研究[J].黑龍江交通科技，2019，42（02）：4-6，9.

[4]中華人民共和國水利部.SL237-1999土工試驗規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，1999.

[5]陳愛軍.南友公路膨脹土路堤石灰改良的試驗研究[D].長沙理工大學(xué)，2004.

[6]李宏沖，鄭培溪.石灰改良高速公路路基膨脹土的試驗研究[J].黑龍江交通科技，2013，36（9）：22-24.