一、引言
膨胀土广泛分布于我国广西、云南、河南、湖北、安徽等省区,其矿物成分以蒙脱石、伊利石等强亲水性黏土矿物为主。膨胀土对环境湿度变化极为敏感,具有"吸水膨胀、失水收缩"的特性,若直接用作路基填料,极易引发路面纵向裂缝、路肩隆起、边坡滑塌等病害。化学改良是处理膨胀土最经济有效的方法之一,其中生石灰因其来源广、价格低、改良效果显著而被广泛应用。
二、试验材料与方法
2.1 试验材料
- 膨胀土: 取自云南某高速公路 K58+200 段,呈灰白色,自由膨胀率 68%,蒙脱石含量约 32%,天然含水率 26%,最大干密度 1.66 g/cm³,最优含水率 20.8%。
- 生石灰: 当地某石灰厂生产,有效 CaO + MgO 含量 84%,活性度 78℃,细度 0.08 mm 筛余 9%。
2.2 试验方案
生石灰掺量按干土质量百分比取 0%、3%、5%、7%、9%、11% 共 6 组,每组开展击实、液塑限、自由膨胀率、有荷膨胀率、收缩及无侧限抗压强度试验,养生龄期 7 d、28 d。
三、试验结果与分析
3.1 击实特性
| 生石灰掺量 (%) | 最大干密度 (g/cm³) | 最佳含水率 (%) |
|---|---|---|
| 0 | 1.66 | 20.8 |
| 3 | 1.62 | 22.4 |
| 5 | 1.59 | 23.7 |
| 7 | 1.57 | 24.6 |
| 9 | 1.55 | 25.2 |
| 11 | 1.53 | 25.9 |
随生石灰掺量增加,最大干密度逐渐减小,最佳含水率上升。这是因为生石灰消化需消耗水分,反应产物的密度低于原土,造成压实曲线整体下移。
3.2 液塑限变化
| 掺量 (%) | 液限 W_L (%) | 塑限 W_P (%) | 塑性指数 I_P |
|---|---|---|---|
| 0 | 58.3 | 22.1 | 36.2 |
| 3 | 53.6 | 23.4 | 30.2 |
| 5 | 49.1 | 25.0 | 24.1 |
| 7 | 45.5 | 26.8 | 18.7 |
| 9 | 43.0 | 28.3 | 14.7 |
| 11 | 41.6 | 29.4 | 12.2 |
随生石灰掺量增加,液限下降,塑限上升,塑性指数显著降低,表明土的可塑性减弱,工程性质得到改善。
3.3 胀缩性
| 掺量 (%) | 自由膨胀率 δ_ef (%) | 50 kPa 有荷膨胀率 (%) | 收缩系数 λ_s |
|---|---|---|---|
| 0 | 68 | 4.8 | 0.62 |
| 3 | 51 | 2.6 | 0.48 |
| 5 | 36 | 1.2 | 0.35 |
| 7 | 22 | 0.5 | 0.24 |
| 9 | 14 | 0.2 | 0.17 |
| 11 | 10 | 0.1 | 0.13 |
掺入生石灰后,膨胀土的胀缩性指标大幅下降。当掺量 ≥ 7% 时,自由膨胀率由 68% 降至 22%,已满足规范中"非膨胀土"(δ_ef < 40%)的要求。
3.4 强度
| 掺量 (%) | 7 d UCS (MPa) | 28 d UCS (MPa) |
|---|---|---|
| 0 | 0.18 | 0.22 |
| 3 | 0.45 | 0.62 |
| 5 | 0.78 | 1.12 |
| 7 | 1.05 | 1.58 |
| 9 | 1.12 | 1.71 |
| 11 | 1.04 | 1.55 |
强度随掺量增加呈先增后减趋势,在 9% 处达到峰值,继续增加则因"过灰"导致强度回落。综合胀缩性与强度指标,最佳掺量确定为 7%~9%。
四、改良机理
1.离子交换作用: Ca²⁺ 置换蒙脱石层间的 Na⁺、Mg²⁺,降低晶层间距,减弱亲水性。
2.絮凝团聚: 土粒扩散层减薄,细颗粒聚集成大颗粒,降低比表面积,削弱胀缩潜能。
3.火山灰反应: 生成 C-S-H、C-A-H 胶结物,包裹土粒形成稳定骨架,提高强度与水稳性。
4.碳酸化反应: 部分 Ca(OH)₂ 碳酸化生成 CaCO₃,增强胶结强度。
五、工程应用建议
- 改良土拌和应采用厂拌,确保石灰分散均匀;
- 闷料时间不少于 24 h,使消化反应与离子交换充分进行;
- 改良土应分层填筑,单层压实厚度 ≤ 25 cm,压实度 ≥ 93%;
- 路床顶面应设置防水土工布或封层,减弱干湿循环影响;
- 加强地表与边沟排水,降低膨胀土含水率变化幅度。
六、结论
生石灰能有效改良膨胀土的物理力学性质,显著降低其胀缩性并提高强度。在本试验条件下,最佳掺量为 7%~9%,此时自由膨胀率降至 22%,28 d 无侧限抗压强度达 1.58 MPa,可满足高速公路、一级公路路床填筑要求。研究成果对膨胀土地区公路建设具有重要的工程指导意义。
参考文献
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