公路工程中膨胀土石灰改性试验研究

２００２年２月　山东工业大学学报　ｖｏｌ　３２　Ｎｏ　１　第３２卷第ｌ期　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳｌｌＡＮＤＯＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　０Ｆ　ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ　Ｆｅｂ　２００２　公路工程中膨胀土石灰改性试验研究　李华銮于孝清　（２５００６１　山东省济南市山东大学土建与水利学院）　路丽霞　（２５００３１　山东省济南市　山东省城乡建设勘察院）　摘要通过对鲁西南地区膨胀土的室内物理力学性质、石灰改性的系列试验分析，确定了膨胀土的　等级、改性后土的胀缩性、强度与石灰剂量的关系厦掺入石灰的最佳配比．　关键词膨胀土；膨胀性；收缩性；含水量；压缩强度　中图分类号ＴＵ４１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—５３２３（２００２）０１—０ｏ９２—０５　ＥＸＰＥＲＩＭ哐ＮＴＡＬ　ＳＴＵＤＹ　０Ｎ　ＩＭＰＲ０ＶＥＤ　ＥＸＰＥＮＳＩＶＥ　Ｓ０ＩＬ　ＷＩＴＨ　ＬＩＭＥ　ＩＮ　ＨＩＧＨＷＡＹ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＬＩＨｕａ—ｌｕａｎ　ｙＵＸｉａｏ—ｑｉｎｇ　（ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖ．，Ｊｉｎａｎ　Ｃｉｔｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　２５００６１，Ｃｈｉｎａ）　ＬＵＬｉ—　／ａ　（［ｎｓｔ．ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，Ｊｉｎａｎ　Ｃｉｔｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　２５００３１，Ｃｈｉｎａ）　ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｗｉｔｈ　ｌｉｍｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｓｕｔｈｗｅｓｔ　ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｇｒａｄｅｓ　ａｙｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｄｅ．Ｍｅａｎｔｉｍｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｉｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｍｐｒｅ￣ｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｌｉｍｅ　ｄｏｓｅ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｒａｔｉｏｍｉｘｉｎｇ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅｓｏｉｌｔ０ｌｉｍｅｉｓｆｏｕｎｄ　ｏｕｔ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ　Ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ；Ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ；Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ；Ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ；Ｃｏｍｐｒｅｅｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　０　概述　弱膨胀土用控制含水量和密度的方法，可以部分消　土的胀缩性，主要是粘土中亲水性矿物在水的　除其胀缩性；对于中性以上膨胀土＋用上述方法就不　作用下吸水膨胀，失水收缩的性质．亲水性矿物成分　能达到消除其胀缩性的目的，必须改性处理．公路工　中蒙脱石组的胀缩特性最为显著单个粘土片蒙脱　程中用石灰对膨胀土改性是既经济又实用的方法．　石只有几层，层间以氧原子与氧原子相联，仅靠分子　由于膨胀土成土原因的复杂性，当工程中遇到膨胀　间的相互连接，结合力很弱，水分子很容易进入晶胞　土时就应对膨胀土改性后的物理力学性质进行详细　之间，使晶胞距离增大．所以，蒙脱石的晶格是活动　研究本文按照高等级公路路基施工的技术要求，从　的，吸水后体积会发生膨胀，脱水后则可收缩，这种　试验的角度研究了膨胀土用石灰改性后的物理力学　胀缩性的反复作用对工程的危害非常大工程上对　性质．　收稿日期：２００１—０４４）１　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　李华銮等：公路工程中膨胀土石灰改性试验研究　ｌ　素土的物理力学指标　试验土样取自徐家营、中原沟、伊庄和后屯四个　土场，分别用Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ来表示四个土样．根据公路　工程的特点，对原状土样胀缩性指标试验的意义不　太，重点对物性指标和重塑（压实）土的胀缩性指标　进行室内试验．　表１素土物理力学指标　Ｔａｂｌｅ　１　Ｐｈ　ｃａｔ＆ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｉｎｄｉｃｅｓ　ｏｆ　ｎａｔｉｖｅ　ｓｏｌｌ　表１是素土的主要物理力学试验指标．表中膨　胀指标是根据最大干密度值按９５％压实度制备试　件的试验指标．从试验指标来看，其天然含水量ｍ＝　２６．５９６－－３１．５９６，液限　Ｉ　：５２．０９６～８５．１　９６，塑性　指数　＝２４．０％－－５１．５％，均达到了高液限牯土的　分类标准．粘粒（＜０．００２　ｎ１ｍ）含量＝２０．３％～　２７．７％　自由膨胀率均大于６０％，其中ｃ土样自由　膨胀率达到了８８９６．重塑土（压实度为９５％）的膨胀　力Ｐ　＝２３６～５４７　ｋＰａ，无荷载膨胀量ＶＨ＝１０　３１％　～１１　２４％．根据膨胀土的判定标准，四个土样均为　中性膨胀土．其中Ｂ、Ｃ、Ｄ三个土样的物理力学指标　比较接近，故选择该三个土样实施政性试验　膨胀土的改性处理方法中常用的有掺人高分子　化学材料、水泥、石灰、粉煤灰、矿渣等，这些方法中　普遍认可的方法还是石灰改良法．其优点在于：改性　效果明显；石灰资源丰富，成本较低；消除胀缩性和　提高强度兼得；采用生石灰粉能降低天然土的含水　量，从而达到缩短施工周期的目的．所以，我们在部　分委托项目试验的基础上，进行了较为全面的膨胀　土石灰改性试验研究．　２　试验方法　本文中所有项目试验均按照ＪＴＪ０５１—９３（公路　土工试验规程》和ＪＴＪ０５７—９４（公路工程无机结合　料稳定土试验规程》进行．土样经过风干碾碎过　５　ｍｍ圆孔筛（界限含水量试验时过０．５ｍｍ筛）．石　灰为Ⅱ级钙质生石灰粉．预定掺加（外掺）石灰剂量　为２％，４％，６％，８％，个别试验项目增加至１Ｏ％采　用重型（击实筒容积为９９７　Ｃｔａａ３）击实法试验其不同　石灰剂量时的最大干密度和最佳含水量，根据不同　石灰剂量的最佳含水量制备试样浸润２４小时，采用　静压法（压实度为９５％）制件，进行膨胀力、膨胀量、　无侧限抗压试验．对不同石灰剂量的ｃＢ尺值和界　限含水量也进行了试验．　３试验结果分析　３．１膨胀土石灰改性后的界限含水■　石灰掺人粘土中所形成的离子交换能力与土中　粘粒（＜０．００２Ⅱｕｎ）含量有关，由于粘土颗粒具有很　大的比表面积，含量越高颗粒表面电荷所形成的表　面能就越大，相应的离子交换作用进行的更为显著．　离子交换的结果使土粒双电层中的扩散层变薄．结　合水减少，从而使粘土粒问的结合力增强反映在界　限含水量中则使土的塑限降低，收缩界限既缩限提　高　图１是根据不同石灰剂量测试的界限含水量变　化曲线，可以看出，界限含水量随着石灰剂量增加具　有一定的规律性，石灰剂量由２％到６％液限含水量　逐渐降低，石灰剂量由６％增至８％，液限几乎投有　变化，石灰剂量达到１０％时液限升高．也就是说，石　灰剂量达到６％时液限值降到最低限度，此时由高　液限均已降为低液限．缩限具有同样的规律性，石灰　剂量超过６％肘缩限含水量提高甚微．因此，掺人　６％的生石灰粉可作为最佳配比参考值．　维普资讯 http://www.cqvip.com

９４　山东工业大学学报　２００２拒　．　．：！．　ｒ　－　Ｓ　／一——————　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　李华銮筹：公路工程中膨胀土石灰改性试验研究　６　４　２　０　８　６　４　２　０　＼　≮　’Ｒ　邕　赫　０　０　２０　３０　Ｏ　１Ｏ　２Ｏ　３０　／ｄ　ｔ／ｄ　圈４膨胀量、膨胀力与龄期关系图　Ｆｉｇ　４　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｔ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｖａｌｕｅ，ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｌｉｆｅ　ｔｉｍｅ　嘁邕避　０　６　Ｏ　５　０　４　０　３　０　２　０　，　０　表２改性土的强度指标　Ｔａｂｌｅ　２　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　图５是ＣＢＲ值与石灰剂量的关系曲线素土　的ＣＢＲ值一般在２％左右，改性后ＣＢＲ值随石灰　６是不同龄期抗压强度与石灰剂量的关系．石灰剂　量由２％增加到６％时，无侧限抗压强度由Ｏ．４２　剂量增加而迅速提高．石灰剂量只要大于１％，改性　后膨胀土的ＣＢＲ值就能够满足设计要求．　ＭＰａ提高至０　９０　ＭＰａ，此时已满足设计要求石灰　剂量超过６％之后，其强度提高不大，石灰剂量由　８％增加到１０％时，无侧限抗压强度几乎没有变化．　由此可以看出，石灰剂量在一定范围内，抗压强度并　１ｏ。　不随掺灰量的增加而增大，而是与石灰土的龄期有　关，龄期增加则强度提高．　∞　蓬６０　七　罟４０　２Ｏ　０　４　结语　通过鲁西南地区膨胀土的改性试验分析，中性　石灰剂量，％　图５石灰剂量与ＣＢＲ关系曲线　膨胀土用石灰改性处理效果显著，能够较好地改善　膨胀性粘土的胀缩性，强度也有大幅度提高，根据试　验结果的分析，可以得出以下几点认识　Ｆｉｇ．５　Ｒｄａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｏｅｎ　ｌｉｍｅ　ｄｏｓｅ　ａｎｄ　ＣＢＲ　改性土的无侧限抗压强度，是按照稳定细粒土　的标准制备试件，石灰剂量由２％至１０％共５组，在　标准养护条件下养护７天和２８天进行抗压试验．图　（１）膨胀土用石灰改性处理后其胀缩性受到很　好的抑制膨胀量由大于１Ｏ％降至０　５％以下，　５０　ｋＰａ荷载下膨胀量＜０，膨胀力最大不超过１５　ｋＰａ．　维普资讯 http://www.cqvip.com

９６　山东工业大学学报　２００２矩　芒　星　。．　嗵０　。．　嚣　畦。。　ｍ　０　５　【０　石灰剂量，％　石灰剂量，－／．　图６无侧限抗压强度与石灰剂量关系图　Ｆ　６　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｕｎｏｍｆｍｅｄ∞叫　ｓ　士ｈ　ａｎｄ　ｌｉｍｅ　ｄ。　（２）石灰处理后膨胀土的界限含水量有良好的　改善．液限和塑性指数降低，由改善前的高液限粘土　降至低液限粘土，收缩界限也有一定幅度的提高．　（３）膨胀土石灰改性后，粘土颗粒形成任意的定　向排列和团粒结构，团粒间孔隙的连通性得到改善，　有利于超静水压力的消散．　（４）膨胀土石灰改性处理后强度显著提高，并且　随龄期增长而增大．　（５）根据试验结果综合分析，石灰剂量的最佳配　辛华銮实验师　于孝清实验师　比为６％．　作者简介李华娄，男，实验师，１９５９年生１９８１年毕业　于工程兵专科学拉．长期从事岩土工程测试，近二十年来先后　参考文献　承担过８Ｏ０多项岩土工程的测试工作．于孝清，男，实验师，　［１］钱家欢．土工原理与计算［Ｍ］北京：中国水利水电出版　１９６３年生．毕业于察安水利专科学技．主要研究方向：岩土工　杜．２ＯＯ０　程测试路丽霞，女，助理工程师，１９５７年生．长期从事土工试　验及水质分析工作．　［２］林在贯．岩土工程手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版　杜．１９９５