石灰粉煤灰改性膨脹土试验

　　随着经济建设的发展，膨胀土因在形貌上和工程性质上的特殊作用和破坏作用的严重性，越来越引起岩土工程界的广泛的重视。为消除、减小膨胀土危害，提高其工程适用性，人们开展了卓有成效的研究。50年代初，我国在修建成渝铁路工程中，首次遇到成都黏土膨胀危害问题，从而拉开了我国膨胀土研究的序幕。70年代中期，我国开展了大规模的膨胀土普查工作，建立了科学研究试验基地，开展了卓有成效的研究，取得了一定的科研成果和工作经验。80年代，我国制定了膨胀土地区建筑技术规范。膨胀土的研究已经从一个国家或地区的研究逐渐发展成为世界性的共同课题。到目前为止，已经先后召开了7次国际膨胀土研究与工程会议，在膨胀土的成分、结构、强度、膨胀机理以及变形等方面取得了许多很有价值的研究成果和工作经验，掌握了许多处理方法，改性膨胀土由于具有较好的性价比而受到重视。

　　1 膨胀土的危害及改性措施

　　1.1 膨胀土的危害。膨胀土是土中黏粒成分主要由亲水矿物(主要是蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石等)组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特征的黏性土。

　　由于膨胀土液限、塑限和塑性指数较大，在天然含水量的情况下常处于较坚硬的状态，具有很强的吸水性、高塑性以及快速崩解和剧烈的膨胀性，常常给膨胀土地区的工程建设造成严重的破坏，给人民的财产造成巨大的损失。膨胀土造成的破坏是长期的、反复的和潜在的，对铁路、公路及建筑物的危害很严重，全世界每年造成的损失达50亿美元以上。我国由于膨胀土地基致害的建筑面积达1000平方米左右。主要表现在其上构造物的过量变形和边坡的稳定性遭到破坏。过量变形是由于含水量的变化使膨胀土地基土体体积发生变化，对其上的构造物造成危害;对边坡的破坏作用主要是由于水分侵入风化带内发育的裂隙中，使黏土颗粒间联结力削弱并吸水膨胀，其产生的横向膨胀应变能使土体沿滑面向坡脚产生位移，使膨胀土开裂、崩解，强度衰减而产生滑坡。

　　1.2 改性措施。目前膨胀土在工程施工中的改性措施主要有：

　　1)换填土。换填土是膨胀土路基处理中最简单而且有效的方法，换填土方法虽然行之有效，但会造成极大的浪费以及对环境造成污染，故此法不足取。

　　2)包裹法。膨胀土的膨胀是有一定条件的，在其含水量一定的情况下，它并不会随意膨胀。因此，可利用土工布或黏性土将膨胀土进行包裹，避免膨胀土与外界大气直接接触，尽量减少膨胀土内部的含水量的变化。此方法处理成本不高，经济性较好。但没有从根本上解决问题，且不易把握，容易出现质量隐患。

　　3)改性处理。常用的有水泥、石灰或其他固化材料改性处理方法，其原理是通过与膨胀土进行物理和化学反应，以达到降低膨胀土的膨胀潜势，增加强度和提高水稳定性，以达到改善膨胀土的力学性能的目的。此种方法处理成本较高，但处理问题彻底，且不会对环境造成危害。

　　2 石灰粉煤灰改性试验研究

　　2.1 土料备制。为了保证取得的土样是研究区域内典型的膨胀土，试验中所用到的所有膨胀土土样都是导师根据研究区内品质土的外貌特征和地质情况，亲自到现场指导取样，取得土样属于典型的膨胀土。

　　取土回来后把其放入烘箱烘干，然后过0.5mm、2mm、5mm 筛，分别把这3种不同粒径的土放到保鲜膜中，并贴上标签，以便区分。把筛过的土样放在通风干燥处保存，避免潮湿。

　　2.2 石灰粉煤灰改性机理。膨胀土中加入石灰后，二者发生复杂的物理和化学作用 ，包括阳离子交换、Ca(OH)2 胶凝结晶、碳酸化作用、火山灰反应和固结作用。Ca(OH)2 离解后的Ca2+与粘土胶体颗粒反离子层上的K+、Na+ 进行交换，胶体吸附层减薄，胶体颗粒发生聚结，生成棒状、纤维结晶体，结晶体不断生长与胶体构成胶凝--结晶体网架结构，使石灰的获得初级的水稳性;Ca(OH)2与水作用形成的含水晶体相互吸引，使粘土颗粒股结成整体;形成 CaC03过程的碳酸化反应和形成硅酸钙、铝酸钙过程的火山灰反应改变了膨胀土的力学性质，其强度和水稳定性大大提高， 膨胀性也得到控制。随着结晶网格结构的生成，逐渐向结晶缩合结构转化，起强度不断增大，涨缩性下降。同时，生石灰的硝化反应放出大量的热，从而降低了土中的含水量;生成的Ca(OH)2 体积比CaO体积大一倍，进一步固结了土体。

　　掺入粉煤灰可充分降低塑性指数，减少缩裂，增大胶凝作用，提高抗冲刷能力。

　　试验的掺灰量从7%～11%，每相邻的掺灰量之间相差2%。 试验方法是按照《公路土工试验规程》(JTJ051-93)进行。土的液限和塑限采用液限塑限联合测定法测定;击实试验采用轻型击实法;剪切试验采用快剪试验;固结试验采用单轴固结仪法;膨胀试验为自由膨胀率试验和无荷膨胀量试验。对试验所得到的数据进行整理，并用Excel绘制相应的曲线图。

　　2.3 石灰粉煤灰改性土的试验研究

　　利用粉煤灰对膨胀土进行改性，并对其物理性质试验、力学试验、和特殊性质试验的研究，并于原装土及扰动土进行比较，从而确定改性膨胀土的各项性能指标，以作为工程设计与施工的参考依据。

　　经过多种改性试验方案的分析比较，综合考虑石灰+粉煤灰改性效果和经济成本，结合相关试验规范，本试验采用石灰作为添加剂掺入膨胀土中进行改性试验。对三种配比土体进行了试验研究，分别为：配比一：石灰粉煤灰7%(石灰：粉煤灰=70%：30%)，水16%;配比二：石灰粉煤灰9%(石灰：粉煤灰=70%：30%)，水17%;配比三：石灰粉煤灰11%(石灰：粉煤灰=70%：30%)，水18%。

　　(1)剪切试验。以剪应力为τ为纵坐标，剪切位移ΔL为横坐标，绘制e-l曲线如图，取各个曲线的峰值点作为该级荷载下的抗剪强度，以垂直压力P为横坐标抗剪强度τ为纵坐标，绘制τ-P 直线如图所示，纵坐标上的截距为黏聚力C，直线的倾角为内摩擦角φ。

　　各个配比在100KPa、200 KPa、300 KPa、400 KPa荷载时剪应力与剪切位移关系。

　　(2)固结试验。测定土体在侧限条件下受荷时的稳定固结量及固结过程，绘制固结曲线。固结试验每个配比分别取3个试样，施加12.5KPa、25KPa、50 KPa、100 KPa、200 KPa 、300 KPa、400 KPa 、600 KPa垂直荷载。

　　(3)渗透试验。通过土样的渗流在变化的水压力影响下进行的渗透试验。

　　原状土的平均渗透系数为：0.226*10-4(cm/s)。

　　配比一的平均渗透系数为：0.195*10-4(cm/s);配比二的平均渗透系数为：0.07*10-4(cm/s);配比三的平均渗透系数为：0.05*10-4(cm/s)。

　　3 结 论

　　通过采用掺灰法对膨胀土进行土性的改良，对比所有的试验结果可以得出以下结论：

　　1.掺灰量对压缩性的影响。在击实功相同的情况下，改良土的压缩系数所着掺灰量的增加而减小，也就是水掺灰可以使膨胀土的压缩性降低。

　　2.掺灰量对强度的影响。在击实功相同的情况下，掺石灰粉煤灰对土的抗剪强度有明显的影响，掺灰量可以提高土的CBR值，这说明石灰粉煤灰可以明显提高膨胀土的强度指标。各种抗剪强度与垂直压力的关系曲线如图13。

　　从图13的对比可以看出，石灰粉煤灰改性膨胀土掺灰量从7%—9%剪切强度随着掺灰量的增大而增大;当掺灰量为11%时剪切强度稍微有所下降，但幅度较小。但在实际施工过程中，为了在较低的成本下获得更好的施工效果，需要不断的优化膨胀土、石灰粉煤灰、水三者之间的比例，使之达到最优组合。

　　3.膨胀土掺入石灰粉煤灰可以明显降低涨缩性，掺入少量可以大大降低膨胀土的涨缩性，随着掺入量的增加，土的膨胀性仍然降低，但是降低的幅度不大，且趋于稳定。

　　由于试验条件及试验时间的关系，对改性的试验研究的还不是很充分，从试样的制作到试验方法的掌握上还有不尽如人意的地方，而这都会直接或间接的影响试验结果。尽管如此，得到的数据还是有一定的代表性的，它还是从总体上揭示了膨胀土的各种性能指标的变化趋势。希望本研究能为当今膨胀土的改性研究提供合理的借鉴

　　参考文献：

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　　[4] 刘锡勤.石灰在膨胀土施工中的试验研究[J].安徽建筑，2004

　　[5] 《公路土工试验规程》(JTJ051-93) [S].北京：人民交通出版社

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文章名称： 石灰粉煤灰改性膨脹土试验

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