張 亞 濤

(安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

我國多達(dá)20余個省、市、自治區(qū)分布有膨脹土。膨脹土是指粘粒成分主要由強(qiáng)親水性礦物蒙脫石與伊利石組成，具有顯著濕脹干縮和反復(fù)濕脹干縮性質(zhì)的特殊粘性土，膨脹土對公路建設(shè)危害較大，常出現(xiàn)油面開裂、路基翻漿、邊坡沉塌、滑坡等危害。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量高等級的公路需要修建，然而膨脹土不能直接用于路基填筑，使用前必須對其進(jìn)行特別處理，摻加石灰作為一種簡便易行的方法越來越受到重視。因為石灰土在成型初期具有一定的穩(wěn)定性、水穩(wěn)性和板結(jié)性，且隨著時間的增長，強(qiáng)度、板結(jié)性及水穩(wěn)性也會增長，又因其取材方便，施工工藝簡單，所以石灰土被廣泛應(yīng)用于我國的道路工程。但不同區(qū)域素土配成的石灰土的灰劑量都有一個最佳值，過高或過低都會造成石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的下降，因此控制石灰土質(zhì)量的重點(diǎn)和難點(diǎn)就是石灰劑量的控制[1-4]。目前常用EDTA滴定法檢測石灰劑量，該方法能夠在工地快速測定出石灰穩(wěn)定材料中灰劑量，并可用于檢查現(xiàn)場拌和、攤鋪的均勻性。

現(xiàn)實中，有的工地沒有條件進(jìn)行現(xiàn)場測試，需要拿到檢測單位進(jìn)行檢測時，當(dāng)送的樣比較多，一天內(nèi)做不完時(不同齡期對應(yīng)著不同的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗量與灰劑量的標(biāo)準(zhǔn)曲線)，或者為了以后工程質(zhì)量問題的檢查與責(zé)任追究，我們就需要把石灰土盡可能固定在某一個齡期。由于石灰與膨脹土間主要是離子置換反應(yīng)，而這種交換過程是通過土粒四周的結(jié)合水和自由水的離解作用發(fā)生的。從張志宏、楊貞武和王崗[5,6]對石灰土的研究中可知：石灰土中含水量越高，石灰中的鈣、鎂離子越容易與土內(nèi)部的離子發(fā)生置換作用，從而使石灰土中游離態(tài)的Ca2+減少。因此我們可以采用快速烘干法把石灰土的含水量盡可能的減小，從而使其對石灰與素土間反應(yīng)的影響可以忽略不計。這樣以來，烘干以后的石灰穩(wěn)定材料中的鈣離子就幾乎不與土中的礦物發(fā)生反應(yīng)，但是烘干過程中是否有鈣離子與素土中的礦物發(fā)生反應(yīng)，則不得而知，且這個過程對最終測定結(jié)果的影響程度如何，這些都是試驗中需要解決的問題。

1 試驗

1.1 石灰改良膨脹土的機(jī)理

1.1.1膨脹土膨脹性的改良機(jī)理

膨脹土中的膨脹性礦物吸水，在膨脹土晶格、粘土顆粒和聚集體間形成結(jié)合水膜，水膜的厚度決定著膨脹土變形的大小。水膜越薄，顆粒間的粘結(jié)力就越大，土的脹縮性就越??；反之，水膜越厚，顆粒間的粘結(jié)力就越小，土的脹縮性就越大[6,7]。因此，為了減小膨脹土的膨脹性，就必須盡可能地減小結(jié)合水膜的厚度。

膨脹土中摻入石灰可使膨脹土中Ca2+含量提高，這時高價的Ca2+就會置換結(jié)合水膜中低價的Na+和K+，使結(jié)合水膜的厚度減小，顆粒間的粘結(jié)力增大，最終達(dá)到降低膨脹性的目的。

1.1.2膨脹土力學(xué)性能的改良機(jī)理

石灰與含水的膨脹土接觸后，將發(fā)生團(tuán)聚、膠結(jié)、火山灰化和碳化等一系列物理化學(xué)反應(yīng)的作用，這使石灰改良膨脹土形成了凝膠結(jié)晶的網(wǎng)狀混合結(jié)構(gòu)[8-11]，改良了膨脹土的物理力學(xué)性能。實踐證明：當(dāng)改良膨脹土的含水量小于某值時，石灰與膨脹土基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[6]。

從石灰改良膨脹土的機(jī)理中我們可以看出，水的存在對石灰劑量在齡期中的變化起著至關(guān)重要的作用。

1.2 石灰劑量的測定原理與方法

根據(jù)JTG E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程中規(guī)定的試驗步驟，石灰土中加入10%的NH4Cl溶液，主要是把其中鈣的化合物轉(zhuǎn)化為易溶的CaCl2，然后取上層懸浮夜，加入1.8%的NaOH溶液(內(nèi)含三乙醇胺)，使溶液pH值在12.5～13.0之間，主要是規(guī)避石灰土溶液中Mg2+的干擾(Mg2+在pH值大于11時，會形成難溶的Mg(0H)2沉淀)，而溶液中的三乙醇胺可以與石灰土溶液中Al3+，F(xiàn)e3+形成非常穩(wěn)定的配合物，因此EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液只是對石灰土中Ca2+含量進(jìn)行滴定。

因為一定的Ca2+含量對應(yīng)著一定的石灰劑量，所以我們可以用EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量來反映石灰土中的石灰劑量。由于素土和石灰中都能用10%的NH4Cl溶液溶出Ca2+，且當(dāng)石灰劑量改變時，素土質(zhì)量也隨著改變，所以EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量和石灰土中石灰劑量不存在嚴(yán)格的線性關(guān)系。但是從張福海、劉嶄、張志宏等[5,8,12]對石灰土的研究結(jié)果中可知：石灰土中的石灰劑量與EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量存在近似線性的關(guān)系，筆者大量的試驗也證實了這一點(diǎn)。究其原因，就是同等質(zhì)量的素土和石灰，在相同試驗環(huán)境下，素土中溶出的Ca2+量與石灰中溶出的Ca2+量相比，前者非常小，所以，某一石灰土的石灰劑量可以在經(jīng)過線性擬合后的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗量、石灰劑量曲線中查得。

2 試驗

2.1 試驗內(nèi)容

把從工地取來的素土、消石灰烘干后，分別根據(jù)6%和8%石灰土最佳含水量配置成6%和8%的石灰土，再把不同劑量的石灰土分成三份(每份300 g)，按照表1中三種處理方式分別進(jìn)行處理，6%石灰土處理后的試樣分別為6-1，6-2和6-3，8%石灰土處理后的試樣分別為8-1，8-2和8-3。

表1 試樣處理方式

2.2 試驗結(jié)果與分析

105 ℃±5 ℃環(huán)境中處理試樣6 h后，于干燥器中冷卻至常溫，然后加入600 mL 10%氯化銨溶液，震蕩5 min，靜止，10 min左右取上層澄清液10 mL，加入適量鈣紅指示劑，用配好的EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定，記錄消耗EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。同時，向20 ℃±3 ℃環(huán)境中保存的300 g石灰土中加入600 mL 10%氯化銨溶液，按上述方法進(jìn)行試驗，測定出10 mL上層清液EDTA二鈉的消耗量。試驗后單位質(zhì)量的石灰土消耗EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積如表2所示。

表2 不同處理方式石灰土的EDTA二鈉消耗量 mL/g

從表2中可以看出，攤開放于105 ℃±5 ℃環(huán)境中烘6 h的石灰土與20 ℃±3 ℃環(huán)境下密封保存6 h的石灰土單位質(zhì)量消耗EDTA二鈉量相比，明顯下降。說明烘制過程造成石灰土中的鈣離子嚴(yán)重減少，烘制過程有加速土壤中的礦物與鈣離子反應(yīng)的作用，因為烘制過程中的含水量從初始狀態(tài)到很低(或接近零)需要有一個過程，盡管該過程時間很短。密封保存在105 ℃±5 ℃的環(huán)境中6 h的石灰土與20 ℃±3 ℃下密封保存6 h的石灰土單位質(zhì)量消耗EDTA二鈉量相比，下降更多，這說明，在有水和較高溫度環(huán)境下土壤中的礦物與鈣離子反應(yīng)的速度更快；以上這些從側(cè)面表明：在有水存在時，溫度升高會加快石灰與膨脹土間的反應(yīng)，溫度降低，則會減弱石灰對膨脹土的改性效果；影響石灰改良膨脹土灰劑量測定值的因素不僅有齡期，還有溫度和含水量。同時也解釋了楊志強(qiáng)等[13]的研究成果：石灰膨脹土試樣在80 ℃下養(yǎng)護(hù)48 h后的強(qiáng)度可以達(dá)到同樣的試樣在室溫下養(yǎng)護(hù)兩年后的強(qiáng)度。在這里把這種現(xiàn)象稱之為石灰土的“時溫等效性”，即正常環(huán)境下，石灰土在長時間后才能達(dá)到的性能，可以通過人工控制的環(huán)境在短時間內(nèi)實現(xiàn)。這為以后對于石灰土的研究會大有幫助，比如想知道長時間后石灰土的一些性能參數(shù)值，我們在試驗室內(nèi)可以短時間內(nèi)實現(xiàn)，還可以進(jìn)行一些齡期和灰劑量的追溯。

3 結(jié)語

影響石灰土灰劑量測定的因素除了齡期外，還有溫度和含水量；石灰土中也存在“時溫等效”現(xiàn)象，該現(xiàn)象的存在將為日后長齡期石灰土的研究提供一種可能。