樊繼文 葉英杰 李佳欣 潘梓瑤 姚 彤 沈 正 陶羽杭

南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167

作為一種具有特殊性質(zhì)的黏土，膨脹土內(nèi)部含有較多的蒙脫石、伊利石等礦物質(zhì)，具有吸水迅速膨脹，失水收縮，強(qiáng)度迅速降低的性質(zhì)，屬于特殊土的范疇。膨脹土具有較大的工程危害性，對(duì)道路、地基、邊坡建設(shè)等工程建設(shè)會(huì)產(chǎn)生很大危害，通常情況下不能直接作為工程建設(shè)的基礎(chǔ)填料。膨脹土的性質(zhì)導(dǎo)致其十分容易受到氣候變化、雨水等干濕循環(huán)的影響，容易使其產(chǎn)生大量的內(nèi)部裂隙繼而形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，因此，在膨脹土地區(qū)建設(shè)的路基、路面、邊坡等工程所造成的危害具有長(zhǎng)期潛伏性和難預(yù)料性。我國(guó)膨脹土范圍分布廣且土體眾多，如果將膨脹土棄之不用，將會(huì)造成極大的浪費(fèi)。因此，在實(shí)際工程中，常常先改良膨脹土，然后再加以利用，以此來(lái)滿(mǎn)足工程建設(shè)的需要。

1 改良劑的選擇

1.1 水泥改良膨脹土

水泥改良膨脹土能較好地提高膨脹土的力學(xué)性能。膨脹土中摻入水泥后，膨脹土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成發(fā)生較大變化，從而引起膨脹土的脹縮性能的改變。水泥改良后膨脹土的物理性能改變主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：團(tuán)粒作用、離子交換作用、凝硬反應(yīng)和碳酸反應(yīng)。當(dāng)水泥與水?dāng)嚢杌旌虾?，?huì)發(fā)生一系列水化反應(yīng)生成氫氧化鈣，膨脹土中的鈣離子含量急劇增加，在很短時(shí)間內(nèi)膨脹土中氫氧化鈣就會(huì)完全飽和。隨著鈣離子的釋放，膨脹土黏聚力增大，從而可以達(dá)到加固土體的效果。但隨著水泥水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)不斷消耗膨脹土中的水分，因此，黏土礦物會(huì)發(fā)生不同程度的干縮和開(kāi)裂，從而造成膨脹土強(qiáng)度下降，使得膨脹土的穩(wěn)定性較差。水泥水化反應(yīng)會(huì)生成一定量的膠凝物質(zhì)使土顆粒黏結(jié)起來(lái)，從而提高土體的穩(wěn)定性和耐水性。

1.2 粉煤灰改良膨脹土

粉煤灰屬于一種人工火山灰活性材料，其能夠有效改良膨脹土的膨脹潛勢(shì)。粉煤灰中含有較多的活性氧化硅和活性氧化鋁，其在常溫下能夠與氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。從礦物組成成分上看，粉煤灰內(nèi)部含有大量的光滑玻璃微珠，這種物質(zhì)能使粉煤灰具有其他火山灰質(zhì)材料所沒(méi)有的優(yōu)異特性，能夠改善其拌合物的和易性。將膨脹土與粉煤灰混合后，由于離子交換與硬凝反應(yīng)，脹縮效應(yīng)會(huì)顯著降低。粉煤灰能夠較好地抑制膨脹土的膨脹特性，使得改良后的膨脹土達(dá)到路用的要求，但其效果次于水泥、石灰等其他改良劑。粉煤灰對(duì)膨脹土黏聚力的提高效果十分微弱，反而使黏聚力降低。由于粉煤灰摻入后膠凝作用非常微弱，所以很難提高黏聚力[1]。

1.3 風(fēng)化砂改良膨脹土

風(fēng)化砂分布范圍廣泛，原材料獲取較為容易，工程造價(jià)成本低。使用風(fēng)化砂改良膨脹土的方法屬于物理改良。通過(guò)往膨脹土中摻入適量的風(fēng)化砂，可以提高膨脹土的力學(xué)性能指標(biāo)，同時(shí)利用風(fēng)化砂中的較大顆粒間的摩擦力來(lái)抑制膨脹土的膨脹潛勢(shì)，從而達(dá)到改良膨脹土的目的，以此來(lái)使膨脹土達(dá)到路用工程材料的要求。摻風(fēng)化砂后，膨脹土的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨風(fēng)化砂摻量的增大而下降，但總體能達(dá)到路基填料的標(biāo)準(zhǔn)。但摻風(fēng)化砂對(duì)提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度的效果并不明顯，并且風(fēng)化砂改良后膨脹土的抗剪強(qiáng)度對(duì)正應(yīng)力變化比較遲緩。摻入風(fēng)化砂會(huì)增大土粒間的距離，使得土壤黏聚力減小。風(fēng)化砂與粉煤灰在提高黏聚力方面較為相似，摻入風(fēng)化砂后，能在一定程度上使土粒間距離增大，黏聚力隨之減小。所以在大部分情況下，風(fēng)化砂不但增加不了膨脹土黏聚力，反而會(huì)使土壤黏聚力有所下降[2]。

1.4 生物酶改良膨脹土

生物酶是通過(guò)植物的發(fā)酵，從中提取的無(wú)毒性的液體酶制劑。據(jù)以往研究來(lái)看，生物酶屬于低成本且十分環(huán)保的一種土壤改良劑。其內(nèi)部分子的結(jié)構(gòu)所具有的化學(xué)鍵包括疏水鍵、親水鍵等，其中疏水鍵可以阻礙外界水分進(jìn)入土體內(nèi)部，而親水鍵則可以包裹在黏土顆粒的表層。除此以外，生物酶中含有的部分化學(xué)物質(zhì)，如乙醇會(huì)影響土體的介電常數(shù)，從而會(huì)減小吸附水的厚度。研究表明，生物酶容易與土體結(jié)合，能顯著降低膨脹土的膨脹潛勢(shì)，從而提高膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力及彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)，改善其工程特性。目前關(guān)于生物酶改良膨脹土的方法仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較少，主要原因是生物酶改良膨脹土?xí)r，酶的活性會(huì)受到一系列因素的影響，例如溫度、土壤酸堿性等[3]。

1.5 石灰改良膨脹土

在一定程度上增加改良膨脹土中的石灰摻量，膨脹土內(nèi)部會(huì)形成膠凝團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，并且膨脹土中的裂縫數(shù)量和脹縮性會(huì)呈明顯的下降趨勢(shì)，從而可以增大膨脹土的穩(wěn)定性。石灰能顯著改良膨脹土的部分力學(xué)性能，在膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大上表現(xiàn)較明顯。在干濕循環(huán)過(guò)程中，土壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角會(huì)顯著減小，一定的石灰摻量能夠抑制黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小并在一定程度上增大其黏聚力與內(nèi)摩擦角，從而達(dá)到增大膨脹土強(qiáng)度的效果[4]。使用石灰改良膨脹土的改良效果評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是強(qiáng)度和耐久性，強(qiáng)度主要指無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和三軸剪切強(qiáng)度；耐久性則主要指干濕循環(huán)和長(zhǎng)期浸水兩種條件下的土體耐久性。目前在工程實(shí)踐中主要根據(jù)長(zhǎng)期浸水下的土體耐久性和無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度來(lái)判斷膨脹土的改良效果。但據(jù)大量實(shí)際工程現(xiàn)象表明，只根據(jù)這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷膨脹土的改良效果顯得有些片面。例如，長(zhǎng)期的降水和地下水位的無(wú)規(guī)則變化會(huì)導(dǎo)致路基路面工程出現(xiàn)干濕循環(huán)變化。對(duì)于長(zhǎng)期處于干濕循環(huán)作用下的石灰改良膨脹土的路基十分容易出現(xiàn)局部裂縫，這種現(xiàn)象對(duì)于用石灰改良膨脹土的路基工程十分常見(jiàn)。因此，對(duì)干濕循環(huán)作用下石灰改良膨脹土的力學(xué)性能研究具有重要的工程實(shí)踐意義[5]。

2 石灰改良膨脹土的改良機(jī)理

2.1 改良機(jī)理分析

膨脹土吸水后體積迅速膨脹，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是因?yàn)橥馏w中含有一定量的膨脹性黏土礦物質(zhì)，如蒙脫石、伊利石等，其具有緊密堆積的疊聚體結(jié)構(gòu)，單元間土壤的黏結(jié)力較小。使用石灰改良膨脹土的方法應(yīng)用較早，并且在工程中應(yīng)用廣泛，其主要是利用土壤中游離的氧化硅、二氧化碳與石灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以此來(lái)改善土體的性質(zhì)。

當(dāng)加入的石灰與膨脹土中的膨脹性物質(zhì)充分拌合后，會(huì)引起膨脹土出現(xiàn)結(jié)塊，可塑性降低，同時(shí)土體的最佳含水率增大而最大干密度縮小等物理性質(zhì)的改變。在改良的過(guò)程當(dāng)中，主要涉及兩個(gè)反應(yīng)階段：水化作用和膠凝作用[6]。

2.2 水化作用

生石灰加水后會(huì)與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化鈣，其中的鈣離子與氫氧根離子將會(huì)與土壤中的鈉離子、鉀離子進(jìn)行離子置換，會(huì)使得土壤中的鈣離子含量增加，減小土壤顆粒之間的距離，從而增強(qiáng)土粒間的黏聚力。因此，在一定程度上加入生石灰與水反應(yīng)所生成的氫氧化鈣含量越多，改良膨脹土的效果就越好。

2.3 膠凝作用

將生石灰加入膨脹土中，膨脹土中的化學(xué)物質(zhì)，如二氧化硅、氧化鋁等在生石灰與水發(fā)生水化反應(yīng)后逐漸硬化凝結(jié)形成一層保護(hù)膜覆蓋在土粒的外表面，所以土的黏聚力變得極強(qiáng)，使得土體凝結(jié)成為一個(gè)整體，不容易分散。

3 力學(xué)性能研究分析

3.1 抗剪強(qiáng)度

3.1.1 改良后膨脹土內(nèi)摩擦角的變化

王敏對(duì)石灰改良膨脹土力學(xué)性質(zhì)的干濕循環(huán)效應(yīng)的研究表明：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦角逐漸減小。當(dāng)干濕循環(huán)由0次到2次時(shí)，內(nèi)摩擦角變化幅度較大，后期隨著次數(shù)的逐漸增多，內(nèi)摩擦角變化幅度變小。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為0次的時(shí)候，土體的內(nèi)摩擦為35.2°。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為16次時(shí)，此時(shí)內(nèi)摩擦角為32.8°，減少了2.4[5]。

3.1.2 改良后膨脹土黏聚力的變化

在上述石灰改良膨脹土力學(xué)性質(zhì)的干濕循環(huán)效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體間的黏聚力逐漸減小。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為0次時(shí)，黏聚力的大小為153.2 kPa；當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為16次時(shí)，黏聚力大小為107.9 kPa，減少了45.3 kPa。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)由0次到10次時(shí)，黏聚力變化幅度較大；干濕循環(huán)次數(shù)由10次到16次時(shí)，黏聚力變化幅度較小。使用石灰改良膨脹土還能改變膨脹土的彈性模量。研究表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良后膨脹土的初始彈性模量顯著減少。但提高圍壓可以減少干濕循環(huán)作用對(duì)改良后膨脹土的初始彈性模量的衰減作用。主要原因是提高圍壓后，土體內(nèi)部骨架能夠受到的約束作用更大，從而增強(qiáng)了土體內(nèi)部骨架抵抗變形的能力。

從上述結(jié)論中可以看出，黏聚力相對(duì)于內(nèi)摩擦角更加容易受到干濕循環(huán)的影響。這是因?yàn)橥寥乐械目辜魪?qiáng)度由內(nèi)摩擦角和黏聚力這兩個(gè)特征參數(shù)確定，抗剪強(qiáng)度隨著內(nèi)摩擦角和黏聚力的增大而增大。因此，在干濕循環(huán)的作用下，土壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角顯著減小，從而導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度的降低。

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

賈紅衛(wèi)對(duì)石灰、水泥改良膨脹土性能試驗(yàn)研究表明：當(dāng)土壤為素土?xí)r，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為200 kPa，隨著石灰摻量的增加，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之增加。當(dāng)石灰摻量為0%～5%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升較快；當(dāng)石灰摻量為5%～8%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎保持不變。但從整體上看，石灰摻量的添加會(huì)引起膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加[6]。

3.3 石灰摻量

上述研究發(fā)現(xiàn)，隨著石灰摻量的增多，土體的黏聚力與內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)不同程度的遞增。主要原因是膨脹土中摻入了一定量的石灰，石灰可與土中的氧化硅、氧化鋁等活性氧化物在一定堿性環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氧化鈣硅和氫氧化鈣鋁，反應(yīng)生成的這兩種物質(zhì)使得土體的黏結(jié)性能更好，提高了土體間的黏結(jié)強(qiáng)度。另外，化學(xué)反應(yīng)所生成的硅酸鈣、鋁酸鈣相互交替排列使得土壤間的顆粒黏結(jié)成塊，形成一個(gè)團(tuán)粒，減小了土粒間的空隙，增大了土粒間的咬合力，因此呈現(xiàn)出土壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著石灰摻量的增加而遞增的特點(diǎn)。當(dāng)石灰摻量為0%～2%時(shí)，黏聚力增加最快。當(dāng)石灰摻量為2%～8%時(shí)，黏聚力增加速度較慢，但都呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)，且當(dāng)石灰摻量為0%～2%時(shí)，內(nèi)摩擦角增加最快，當(dāng)石灰摻量為2%～8%時(shí)，內(nèi)摩擦力增加速度較慢，但都呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以膨脹土為研究對(duì)象，分析了各類(lèi)改良劑對(duì)膨脹土的改良效果，試驗(yàn)主要分析了石灰改良劑對(duì)膨脹土的改良機(jī)理，并對(duì)石灰改良后膨脹土的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析。結(jié)論如下：

（1）使用石灰、水泥、粉煤灰和風(fēng)化砂均能改善膨脹土的部分性能，其中用石灰作為改良劑對(duì)膨脹土的改良作用相對(duì)較好。

（2）在改良過(guò)程中，主要依靠水化作用，使石灰與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，氫氧化鈣中的鈣離子與其他離子發(fā)生置換反應(yīng)，使土粒間的黏聚力增大，并且膠凝作用會(huì)形成一層覆蓋在土粒外表面的保護(hù)膜使膨脹土不易分散開(kāi)，達(dá)到改良膨脹土的效果。

（3）石灰能顯著改良膨脹土的部分力學(xué)性能，石灰摻量在2 % ～ 6 % 之間膨脹土黏聚力和內(nèi)摩擦角上升趨勢(shì)較為明顯，之后隨著石灰摻量的增加，黏聚力與內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)速度平穩(wěn)緩慢，控制在4 %時(shí)效果最為明顯，但過(guò)量的石灰摻量不能增加膨脹土強(qiáng)度。

（4）在干濕循環(huán)的作用下，土壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角顯著減小，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度的降低。

（5）與內(nèi)摩擦角相比，黏聚力更加容易受到干濕循環(huán)作用的影響。

（6）提高圍壓有助于抑制干濕循環(huán)作用對(duì)膨脹土彈性模量衰減作用。