膨胀土改良

膨胀土改良摘要：本文综合分析化学试剂对膨胀土的改良效果，得出改良处理后的膨胀土的颗粒组成、物理力学性质、胀缩特性均有明显的改善,力学强度得到提高。

可以用作工程建设材料。

关键词：膨胀土，胀缩性，物理性质，强度膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特种粘性土，其主要工程性质表现为多裂隙性、超固结性、强亲水性和反复胀缩性，矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为主。

膨胀土的膨胀潜势明显依赖于土中的粘土矿物成分及其含量。

【1】；膨胀土在世界范围内分布极广，迄今发现存在膨胀土的国家达40多个，遍及六大洲。

我国是膨胀土分布最广的国家之一，先后有20多个省区发现有膨胀土川。

由于膨胀土的胀缩特牲、裂隙性、超固结性的基本特性显著，在其基本特性的复杂共同作用下,使得膨胀土的工程性质极差,，使膨胀土地区的房屋建筑、铁路、公路、机场、水利工程等经常遭受巨大的破坏【2】；随着膨胀土工程问题的增多，对膨胀土的研究已成为当前岩土工程的重要研究方向之一，并成为世界性的共同课题。

目前国内常用的膨胀土加固改良方法有很多，如化学方法和物理方法。

其中化学方法是较常用的改良方法。

常用的化学改良剂有石灰、水泥和粉煤灰等，【3-4】还有的学者用ESR生态改性剂［5］和高炉水渣【6】等对膨胀土进行改良。

本文从石灰、水泥粉煤灰及ESＲ生态改性剂等改良膨胀土的物理性质，胀缩性、强度综合分析其改良效果。

1膨胀土胀缩机理膨胀土的矿物学理论研究者从矿物晶格构造出发，认为膨胀土的膨胀取决于膨胀土的矿物成分及其结构(廖世文，1984;GrimeRe，1986)及颗粒表面交换阳离子成分(Ingles、0.G，1968)等;膨胀土物理化学理论中，应用较为普遍的是晶格扩张理论和双电层理论。

晶格扩张理论认为，膨胀土晶格构造中存在膨胀晶格结构，水易渗入晶层间形成水膜夹层，从而引起晶格扩张，使土体体积增大。

但晶格扩张理论仅仅局限于晶层间吸附结合水膜的楔入作用，而没有考虑粘土颗粒间及聚集体间吸附结合水的作用。

事实上，粘土膨胀不仅发生在晶格构造内部晶层之间，同时也发生在颗粒和颗粒之间以及聚集体和聚集体之间。

双电层理论认为，双电层内的离子对水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在电场力作用下按一定取向排列，在粘土矿物颗粒周围形成表面结合水膜。

由于结合水膜增厚“楔开”土颗粒，从而使固体颗粒之间的距离增大，导致土体膨胀。

双电层理论弥补了晶格扩张理论在解释粘土胀缩原因方面的不足，发展了结合水膜在膨胀理论中的应用，使得膨胀机理的理论更加全面和充实。

【7】2改良效果膨胀土的物理指标主要有天然含水率/%、液限/%、塑限/%、塑性指数/%、自由膨胀率/%、最优含水率/%、最大干密度/(g·cm-3)；胀缩指标有无荷膨胀率/%、50Kpa膨胀率/%、收缩系数/%等；强度指标有无测限抗压强度/Kpa、抗剪强度/Kpa。

为了使改良效果更加直接明了，对于某些物理指标，需要用物理指标变化率的表示，即某一指标变化率=（原始指标值—最终指标值）/原始指标值。

2.1塑性指数的变化取塑性指数为31%、自由膨胀率为77%、最优含水率和最大干密度分别为20%和1.74g·cm-3、中膨胀土，其最佳掺石灰量为6%。

【11】素土和改良土的物理细颗粒(主要是粘粒)含量逐渐减少。

由于粘粒含量的减少导致颗粒的比表面积减小,表面能降低,亲水性减弱,从而使塑性指数减小,胀缩性减弱。

未加入石灰的膨胀土塑性指数为31，自由膨胀率为77，加入6%的石灰后，其塑性指数和自由膨胀率分别降低到了12和15。

使膨胀性土变为非膨胀性土。

最大干密度和最佳含水率则有所降低。

最大干密度降低的原因:其一是不断进行的化学反应形成的絮凝结构对击实功的抗力增大;其次是膨胀土加石灰改性在养护期间不断的碳化作用使土粒变得象砂粒一样,很难击实。

另外,压实后的干密度随着养护时间的增加还要增大。

最佳含水率减小的原因是硬凝反应使一部分水变成结晶水所致。

3.2水泥膨胀土取自由膨胀率为69%，最优含水率和最大干密度分别为22.7%和1.604g·cm-3的中膨胀土，其最佳掺水泥量是6%。

【12-13】素土和改良土的物理指标及变化如下表。

和22.膨胀土的胀缩性大幅度得到改善。

改性土的最大干密度较素土有所提高，而最优含水率则有所下降。

3.3石灰和粉煤灰改良膨胀土取最优含水率和最大干密度分别为23%和1.63g·cm-3的膨胀土，【16】石灰和粉煤灰改良膨胀土的最佳掺比是干重比以石灰6%、粉煤灰9%为宜。

（根据改良后膨胀土的膨胀率减小及强度增加的规律,从经济角度出发并参考相关资料[17-18],确定混合料的的干重比）素土和改良土的物理指标及变化如下表。

33%。

改良土的最大干密度略有降低，而最优含水率却略有升高。

文献【3】的折线图有自由膨胀率。

是否用【3】数据，难点：数据采集的不准确3.4高炉水渣改性膨胀土取自由膨胀率为51%，最优含水率和最大干密度分别为20.35%和1.69g·cm-3的弱膨胀土，其最佳掺高炉水渣比15%。

【14】素土和改良土的物理指标及变化如下表。

胀率由改良前的51%降低到30%。

改良土的最大干密度较素土有很大的提高，最优含水率则较素土略有降低。

3.5 ESR 改性剂改良膨胀土取自由膨胀率为61%，最优含水率和最大干密度分别为16.1%和1.848g·cm-3的中膨胀土，ESR 改性剂改良膨胀土的改性深度在 0.5～0.8 m 左右，化学改良最佳喷洒次数为 3～4 次。

【14】素土和改良土的物理指标及变化如下表。

土亲水性大大减弱。

自由膨胀率降低率高达59%。

ESR 改性土最大干密度较素土有所降低，而最优含水率却明显提高。

下图为各种改良土的塑性指数和自由膨胀率较其素土的变化图1单从自由膨胀率来看，石灰改良土的自由膨胀率降低幅度最大，降低率高达81%其次是水泥，为68%。

（其中，由于数据的缺失，二灰改良土的自由膨胀率的降低了没有给出）。

综合塑性指数和自由膨胀率的变化，石灰改良土的亲水性和胀缩性均有大幅度的改善。

4胀缩性的改良效果膨胀土的胀缩性指标一般用无荷膨胀率、50Kpa膨胀率和收缩系数来表示。

4.1 石灰改良土取无荷膨胀率、50Kpa膨胀率和收缩系数分别为3.2、1.88和0.64的中膨胀无荷膨胀率/% 膨胀率/% 膨胀率/Kpa 收缩系数/%素土 3.2 1.88 243 0.64掺比6% 0.57 -0.26 18 0.11降低率/% 82 114 93 83了负值：-0.26。

50Kpa膨胀率降低率高达114%。

收缩系数达到了83%。

4.2 水泥改良土取无荷膨胀率和50Kpa膨胀率及膨胀力分别为78%、5.0%和432Kpa的强膨胀土其水泥改良土的最佳掺比为8%。

【15】水泥改良膨胀土的胀缩性及较素土的无荷膨胀率/% 50Kpa膨胀率膨胀力/Kpa/%素土78 5.0 432掺比8% 11.35 1.85 400降低，降低率分别为85%和63%。

膨胀力略有降低。

4.3二灰改良土二灰改良膨胀土的胀缩性及较素土的变化率如下表所示。

参考文献【3】4.4高炉水渣改良土高炉水取无荷膨胀量和50Kpa膨胀量分别为14.8%和1.6%的膨胀土。

【15】低，其中50Kpa膨胀量的降低率高达96%。

4.5 ESR 改性剂改良膨胀土【14】暂时没有数据5强度的改良效果膨胀土的强度指标一般用无侧向抗压强度和抗剪强度（粘聚力和内摩擦角）来表示。

5.1石灰改良土取无侧向抗压强度、粘聚力和内摩擦角分别为475.4Kpa、83.18Kpa和32.80石灰改良膨胀土的粘聚力较改良前大幅度增强，增高率达到了103%，而无侧向抗压强度和内摩擦角均降低。

但是石灰改性膨胀土养护后的黏聚力、内摩擦角及无侧限抗压强度均较未掺加时明显增加。

以上结果表明,水泥能有效改良膨胀土的工程特性,且经过一定时间养护后,效果更佳。

5.2 水泥改良土取无侧向抗压强度、粘聚力和内摩擦角分别为475.4Kpa、83.18Kpa和32.8013%，内摩擦角几乎没有变化。

水泥改性膨胀土养护后的黏聚力、内摩擦角及无侧限抗压强度均较未掺加时明显增加。

以上结果表明,水泥能有效改良膨胀土的工程特性,且经过一定时间养护后,效果更佳。

5.3二灰改良土在静三轴实验中，取压实系数λe=0.95,固结比Kc=1.2的膨胀土（粘聚力和，而内摩擦角却降低了30%。

5.4 高炉水渣改良土取无侧向抗压强度、粘聚力和软化系数分别为628.3Kpa、86.5Kpa和0.01的中膨胀土，其最佳掺渣比为15%。

【15】高炉水渣改良土的强度变化如下表所示。

无侧向抗压强度/Kpa 粘聚力/Kpa 内摩擦角(º)软化系数素土628.3 86.5 28.3 0.01 掺比8% 404.2 200.6 42.2 0．66增高率/% -36 132 49 - 高炉水渣改性膨胀土的黏聚力和内摩擦角均较改良前都有明显的提高，粘聚力增高率高达132%，改性土的无侧限抗压强度比素土的略小。

改良土的软化系数大幅度增加，且超过0.5。

5.5 ESR 改性剂改良膨胀土取无侧向抗压强度、粘聚力和内摩擦角分别为1120Kpa、105.8Kpa和24.10的膨胀土。

【14】 ESR 改性剂改良膨胀土的强度变化如下表所示。

无侧向抗压强度/Kpa粘聚力/Kpa 内摩擦角(º)素土1120 105.8 24.1掺比8% 1730 162.1 25.8变化率/% 54 53 7ESR 改性剂改良膨胀土各项强度指标大幅度提高，内摩擦角值明显提高，凝聚力c值和无侧限抗压强度为原状土的 1.5倍左右，这说明改性后土的工程性质得到了很大程度的改善。

图2为各种改良土的强度变化图图2由图2可以看出，从改良土的无侧向抗压强度的角度分析，石灰和高炉水渣改良土较素土不但没有显著地变化，反而有所下降。

从粘聚力角度分析，除水泥改良土外，其他改良土的粘聚力较素土均有大幅度提高，而且石灰、二灰和高炉水渣改良土的增高率均超过100%。

由于本文的各种改良土的各项指标数据均是在养护期为0的前提下得到的，所以某些改良土无侧向抗压强度和粘聚力会较素土有所降低。

养护龄期会提高改良土的强度[19]。

如石灰改良土的无侧向抗压强度为365Kpa,较素土的无侧向抗压强度475.4Kpa降低了23%。

而7天的养护龄期则会使石灰改良土的无侧向抗压强由原来的365Kpa增强到755Kpa【15】。

2.各种化学改良剂对膨胀土的改良机理2.1 石灰改良机理（1）阳离子交换作用:石灰同膨胀土掺和以后，土中将产生过量的Ca2+，它能置换土中其它低价离子。

（2）絮凝或团聚作用:主要表现是使土中的小团粒变成大的团块。