張曉果，楊博，王笑風，趙亞婷

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司 鄭州451450）

膨脹土是一種高塑性黏土，其主要由蒙脫石、伊利石和高嶺土等親水性礦物質(zhì)組成，一般其自由膨脹率大于40%，液限高于40%［1-2］。干燥時具有很高的承載強度，但被水浸泡時，含有的強親水性礦物成分迅速吸水膨脹，使土體表現(xiàn)出明顯的膨脹性。膨脹土的脹縮變化較大，會導致路基沉降、結(jié)構(gòu)開裂、邊坡失穩(wěn)等工程問題，給工程項目造成巨大的經(jīng)濟損失［3］。

本文以某高速沿線路基土為研究對象，該高速公路是河南省高速“雙千工程”項目之一，全長148.841 km，途經(jīng)駐馬店、信陽2 市6 縣27 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，地質(zhì)情況復雜，特別是有部分地區(qū)地下水位高且土質(zhì)為膨脹土。

受限于工程情況，采用填換土的方案不能實施，只能利用當?shù)氐牟涣纪猎慈缰械扰蛎浲粱蛉跖蛎浲羴硖钪坊０凑铡豆仿坊O(shè)計規(guī)范：JTG D30-2015》［4］要求，強膨脹土不能直接用于路堤填筑，中、弱膨脹土也需經(jīng)過工程處理后才能用于填筑。綜合考慮設(shè)計要求、造價預算經(jīng)濟以及生態(tài)環(huán)保等情況，擬用P.C 32.5 水泥、消石灰、固化劑3 種改性劑處理方案進行對比試驗，對膨脹土進行室內(nèi)改良試驗研究，探索改性劑對膨脹土力學性能等的影響效果，為工程應用提供參考。

1 試驗材料

1.1 膨脹土

試驗土樣來自于某高速沿線取土點（K129+150），取樣深度為1.0～1.5 m，土樣成暗黃色，中間夾雜白色，相關(guān)技術(shù)指標如下：最大干密度ρdmax=1.855 g/m3，最佳含水率wop=13.5%，液限wL=47%，塑限wP=25%，塑性指數(shù)IP=22%，自由膨脹率δef=52%，天然含水率w=21.70%。

可以看出，該土的自由膨脹率為52%，按文獻［4］進行分類，判定為弱膨脹土，且天然含水率較高，遠大于其最佳含水率。

1.2 改性劑

試驗所用改性試驗材料為P·C 32.5 水泥、消石灰、固化劑3種，其中固化劑是由粉煤灰、煤矸石、鋼渣粉、電石渣等工業(yè)廢渣制成的。改性材料主要化學成分如表1所示。

表1 改性材料主要化學成分Tab.1 Main Chemical Composition of Modified Materials

2 試驗方法

試驗所涉及到的常規(guī)試驗主要依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程：JTGE 40-2007》相關(guān)試驗方法進行，包括擊實試驗，液、塑限試驗，CBR 試驗，無側(cè)限抗壓強度試驗，有荷載膨脹率試驗，收縮試驗等。

非標準試驗依照下列要求實施：

⑴改良膨脹土7 d 自由膨脹率試驗：將養(yǎng)護7 d已測試的固化土無側(cè)限抗壓強度試件，經(jīng)過105 ℃烘24 h，冷卻至室溫，破碎，用0.5 mm 篩篩分，然后按《公路土工試驗規(guī)程：JTGE 40-2007》進行檢測。

⑵改良膨脹土浸水試驗：將養(yǎng)護7 d 而未測試的固化土無側(cè)限抗壓強度試件，經(jīng)過80 ℃烘24 h，冷卻至室溫，進行浸水試驗，與素土進行同條件對比，觀察經(jīng)改良膨脹土的耐水性能。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 改良膨脹土性能研究

為研究改性劑改良膨脹土的路用性能，確定改性劑及最佳摻量、穩(wěn)定材料的最佳含水率和最大干密度等指標，根據(jù)文獻［4］規(guī)定，對穩(wěn)定膨脹土進行擊實試驗、液塑限試驗、脹縮總率試驗和不同壓實度K 下的CBR試驗，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：

⑴素土不滿足上路床CBR＞8%的要求，經(jīng)各改性劑改良固化土的CBR值均滿足路基設(shè)計規(guī)范要求，各種改性劑都會大幅提高膨脹土的CBR 值［5］。相同摻量時，消石灰改良固化土的CBR值增加幅度最為明顯，水泥次之，固化劑的作用效果最差。

表2 改性膨脹土性能試驗Tab.2 Performance Test of Modified Expansive Soil

⑵由于塑性指數(shù)綜合反映了影響粘性土特征的各種重要因素，塑性指數(shù)愈大，表明土的顆粒愈細，比表面積愈大，土的粘?；蛴H水礦物（如蒙脫石）含量愈高。試驗數(shù)據(jù)顯示，各種改性劑改良固化土的液限和塑限均有增大，但改良土的塑性指數(shù)沒有明顯變化，與素土保持一致。這是由于界限含水率試驗時間較短，改性劑的摻入只改變土的部分物理性質(zhì)，使改良土塑液性產(chǎn)生一定變化，但沒有本質(zhì)上改變土的微觀結(jié)構(gòu)。

⑶素土的脹縮總率為4.51%，改良后的固化土脹縮總率都會大幅降低。與同摻量的水泥、固化劑相比，消石灰降低脹縮總率幅度最為明顯，5%摻量固化劑與5%摻量消石灰改良膨脹土的脹縮總率均不超過0.7%，滿足公路路基設(shè)計規(guī)范中對改良膨脹土脹縮總率的要求，可以作為路基填料使用。

3.2 7 d無側(cè)限抗壓強度和7 d自由膨脹率

進一步研究水泥、消石灰、固化劑3種改性劑對膨脹土7 d 無側(cè)限抗壓強度的影響，試件在試驗前已浸水養(yǎng)護24 h，觀察試件外觀，包括素土在內(nèi)的所有試件均完好，無崩解、缺失等情況。數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 改性膨脹土7 d無側(cè)限抗壓強度與7 d自由膨脹率Tab.3 7 d Unconfined Compressive Strength and 7 d-Free Expansion Ratio of Modified Expansive Soil

從表3 可以看出：3 種改性劑改良膨脹土的7 d 無側(cè)限抗壓強度比素土均有較大增加，尤其消石灰改性膨脹土的7 d 無側(cè)限抗壓強度增加明顯，均比同摻量水泥和固化劑高，而水泥對膨脹土的固化作用又比固化劑好。

這是由于膨脹土成分多以蒙脫石等親水性強的成分為主，其結(jié)構(gòu)是由兩個硅氧四面體夾一層鋁氧八面體組成的晶體結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)一般含有較多的低價陽離子，如Na+、K+等，這些陽離子與蒙脫石晶胞的作用很不穩(wěn)定，導致層間的連接較弱，當遇到水時，土體會發(fā)生崩解。當摻入改性劑后，改性劑水化產(chǎn)生Ca2+，Ca2+就會與層狀結(jié)構(gòu)間的Na+、K+交換，增加層間的范德華力，隨著養(yǎng)護齡期的增加，Ca2+還會與黏土顆粒中的活性二氧化硅發(fā)生火山灰反應，生成水化硅酸鈣［6］，進一步提高土體耐水性能。

從表3可知，經(jīng)過水泥、消石灰、固化劑改良的膨脹土7 d自由膨脹率均有一定降低，都在40%以下，已經(jīng)不屬于膨脹土［7-8］。其中，消石灰作用效果最為明顯，摻5%消石灰的改良膨脹土7 d自由膨脹率只有26%。

3.3 浸水試驗

在檢測膨脹土及其改性土的7 d 無側(cè)限抗壓強度時，雖然試件浸水養(yǎng)護1 d，但包括素土在內(nèi)的所有試件外觀均完好，無崩解、缺失等情況，7 d 無側(cè)限抗壓強度檢測結(jié)果真實有效。說明這個試驗過程不能真正反映出膨脹土及其改性土試件實際的耐水性，這是由于在整個養(yǎng)護過程中試件始終保持較大的含水率，泡水前后黏土始終處于蓄水狀態(tài)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有經(jīng)歷“干燥-蓄水”較大的狀態(tài)變化。為了進一步研究各種改良膨脹土的耐水性能［9］，直觀反映出改性劑對膨脹土的實際改良效果，需要通過干燥后泡水試驗來加以檢驗。試驗結(jié)果如圖1和表4所示。

圖1 浸水試驗Fig.1 Immersion Test

表4 改性前后膨脹土浸水對比試驗Tab.4 Contrast Test of Immersion of Expansive Soil before and after Modification

從圖1可以明顯看出，素土及采用水泥、固化劑改性的固化土試件泡入水中1 min 后表面就發(fā)生明顯崩解現(xiàn)象，而采用消石灰改性的固化土試件，輪廓清晰，沒有發(fā)生崩解現(xiàn)象，消石灰改良的膨脹土浸水24 h，尚能保持原形，并沒有出現(xiàn)大量崩解，而水泥、固化劑改良的膨脹土，24 h 后完全崩解，說明經(jīng)過消石灰改性后的膨脹土耐水性有較大提高。

從表2 可知，摻5%水泥與4%消石灰的膨脹土CBR 值也基本保持一致，K=93%時，分別為21.2%、20.7%；K=94%時，分別為24.5%、22.8%；K=96%時，分別為28.5%、27.2%。摻5%水泥的膨脹土脹縮總率為0.98%，略小于摻4%消石灰膨脹土的脹縮總率1.05%。從表4可知，摻5%水泥與4%消石灰的膨脹土7 d無側(cè)限抗壓強度基本保持一致，分別為0.97 MPa和0.95 MPa；摻5%消石灰改良膨脹土的脹縮總率為0.55%，摻5%固化劑改良膨脹土的脹縮總率為0.65%，均不超過0.7%。從表4 可知，經(jīng)過“干燥-浸水”過程后，摻5%水泥的膨脹土和摻5%固化劑的膨脹土都完全崩解，而只要摻消石灰的膨脹土發(fā)生表層解離，但均能保持原形，呈現(xiàn)出一定的耐水性能，不同改性劑改良膨脹土的耐水性表現(xiàn)出巨大的差異。

綜合以上試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象可以看出，消石灰改良膨脹土的耐水性的確有很大提高，而水泥、固化劑改良膨脹土雖然也能提高土體的CBR 值及無側(cè)限抗壓強度，降低脹縮總率，但沒有從根本上解決膨脹土遇水易崩解的缺點，所以這種現(xiàn)象并不能單從CBR 值、脹縮總率或無側(cè)限抗壓強度的數(shù)據(jù)上直接反映出來。當然，這些力學性能數(shù)據(jù)在某種程度上能夠反映出對膨脹土改性效果的差異，但這種數(shù)據(jù)間的差異或許可以簡單地通過增加改性劑的摻量就可以消除，而實際上并未從本質(zhì)上改變膨脹土。這些數(shù)據(jù)的優(yōu)劣只是在特定試驗環(huán)境中表現(xiàn)出的試驗數(shù)據(jù)而已，并不能顯示改良后的膨脹土還是不是“定義上的膨脹土”。

因此，回到解決問題的本質(zhì)——使膨脹土不再成為“膨脹土”。不僅需要滿足改良膨脹土的脹縮總率不超過0.7%，還需要通過改良膨脹土的自由膨脹率和“干燥-浸水”試驗，對改性劑對膨脹土的改良效果加以驗證，這樣才能更好地為工程提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

⑴ 3 種改性劑均能提高2種膨脹土的液限和塑限，但改良土的塑性指數(shù)沒有明顯變化。

⑵3種改性劑都可明顯提高膨脹土的CBR、無側(cè)限抗壓強度，降低脹縮總率。在同摻量時，消石灰改良固化土的CBR 值增加幅度最為明顯，水泥次之，固化劑的作用效果最差。

⑶消石灰改良的膨脹土經(jīng)過干燥后浸水24 h，能保持原形，并沒有出現(xiàn)大量崩解，而水泥、固化劑改良的膨脹土，在浸水1 min 后就出現(xiàn)嚴重的崩解，24 h后完全崩解；說明消石灰改良的膨脹土的耐水性遠好于水泥、固化劑改良的膨脹土。

⑷經(jīng)過水泥、消石灰、固化劑改良的膨脹土7 d自由膨脹率都有一定降低，消石灰作用最為明顯，摻5%消石灰的改良膨脹土7 d 自由膨脹率只有26%。在滿足文獻［4］要求的“改良膨脹土脹縮總率不得超過0.7%”的同時，還需要通過改良膨脹土的自由膨脹率和“干燥-浸水”試驗，對改性劑對膨脹土的改良效果加以驗證。