水泥及石灰掺量对改良膨胀土抗剪强度的影响_韩晶

团聚体之间相互接触形成团粒骨架结构，提高了土体 的稳定性和强度。
（ 3） 在相同的垂直压力和石灰掺量下，28 d 龄期 的石灰改良膨胀土抗剪强度大于 7 d 龄期的石灰改良 膨胀土抗剪强度。原因是在养护过程中，石灰改良膨 胀土中含有的活性化合物在水化作用下逐步结硬而形 成难溶于水的结晶化合物，增大了石灰改良膨胀土的 抗剪强度。在一定湿度条件下，会吸收空气中的二氧 化碳 而 发 生 碳 酸 化 作 用，也 称 硬 化 作 用。 同 时 Ca（ OH） 2 自身发生自结晶作用，这个作用需要很长时 间完成。
2 结果与分析
2． 1 素土直剪试验 试验过程中对 4 个试样分别施加 100、200、300、
400 kPa 的垂直压力，记录手轮每转动一圈时测力计量 表的数据，直至得到土样破坏时测力计量表的最大数 值。根据试验结果，可获得预留缺口试样的黏聚力c = 94． 06 kPa，内摩擦角 φ = 9． 67°。 2． 2 水泥改良膨胀土直剪试验
液塑限联合测定试验，确定所取土样的基本物理指标。
试验结果见表 1。
表 1 膨胀土的基本物理性质
控制 湿密 干密 密度/ 含水 度/（ g·度/（ g· （ g· 率/ % cm －3） cm －3） cm －3）
液限 ωL17 ωL10
塑限
塑性指数 I17P I10P
自由
膨胀 率/%
17． 2 1． 92 1． 65 2． 56 48． 54 39． 62 29． 43 19． 11 10． 19 51
石灰掺量 /%
2 4 6
黏聚力 c / kPa
养护 7 d 养护 28 d
94． 58
106． 92
164． 88
175． 99
181． 55
192． 54
摩擦角 φ /（ °）
养护 7 d 养护 28 d
17． 76
19． 18
20． 33
22． 84
30． 40
35． 90
从图 2 及表 3 可以看出： （ 1） 垂直压力对改良膨胀土的抗剪强度有较大影 响，在相同的养护龄期和石灰掺量下，石灰改良膨胀土 的抗剪强度随着垂直压力的增大而迅速增大，如 掺 2% 石灰的改良膨胀土在 7 d 养护龄期下，随着垂直压 力从 100 kPa 增大到 400 kPa，抗剪强度从 130． 61 kPa 增大到 226． 70 kPa，其原因与水泥改良膨胀土一致。 （ 2） 在相同的养护龄期和垂直压力下，随着石灰 掺量的增加，石灰改良膨胀土的抗剪强度显著增大，当 石灰改良膨胀土在 100 kPa 垂直压力和 7 d 养护条件 下，石灰掺量从 2% 增加到 6% ，抗 剪 强 度 从 130． 61 kPa 增大到 240． 22 kPa。究其原因，生石灰粉在同膨 胀土掺和后，石灰经消解产生的离子在水的作用下会 和土的胶体颗粒表面离子发生置换，当土粒被 Ca2 + 包 裹住时，土粒间距会缩小，同时絮凝和团聚作用使土中 的小团粒变成大团块。这样土体中的单粒、微团粒和
水泥掺量 /%
2 4 6
黏聚力 c / kPa
养护 7 d 养护 28 d
105． 47
132． 62
144． 56
153． 06
212． 93
224． 93
摩擦角 φ /（ °）
养护 7 d 养护 28 d
20． 76
34． 08
23． 33
35． 29
30． 02
38． 93
从图 1 及表 3 可以看出： （ 1） 垂直压力对改良膨胀土的抗剪强度有较大影 响，在相同的养护龄期和水泥掺量下，水泥改良膨胀土 的抗剪强度随着垂直压力的增大而迅速增大，掺 2% 水泥的改良膨胀土在 7 d 养护龄期下，随着垂直压力 从 100 kPa 增大到 400 kPa，抗剪强度从 175． 11 kPa 增 大到 286． 84 kPa。究其原因，对于同一试样，当其处于 较大的垂直压力下时，垂直应力增大，同时会使试样得 到一定的压缩，导致试样颗粒间的孔隙减小，孔隙间的 应力增大，改良膨胀土颗粒间的相互作用力加强，最终 促使抗剪强度增大。 （ 2） 在相同的养护龄期和垂直压力下，随着水泥 掺量的增加，水泥改良膨胀土的抗剪强度显著增大，如 水泥改良膨胀土在 100 kPa 垂直压力和 7 d 养护条件 下，当 水 泥 掺 量 从 2% 增 加 到 6% 时，抗 剪 强 度 从 175． 11 kPa 增大到 270． 27 kPa。究其原因，当把水泥 拌入膨胀土中后，水泥颗粒表面的水泥矿物很快与土 颗粒发生水化反应、离子交换作用及硬凝反应等一系 列化学反应，生成强度较高的胶凝物质，并为土样形成 水泥石骨架，增加了土颗粒之间的联系，提高土体的抗 剪强度，而随着水泥掺量的继续增加，这些作用会得到 加强，促使抗剪强度继续增大。 （ 3） 在相同的垂直压力和水泥掺量下，28 d 的水 泥改良膨胀土抗剪强度大于 7 d 的水泥改良膨胀土抗 剪强度。原因是水泥改良膨胀土是一种化学改良，它 们之间的化学作用需要一定的时间，随着水泥水化反 应的深入，新生成的化合物会在养护的过程中逐渐硬 化，同时其结构比较致密，水分不易侵入，从而使水泥
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人 民 黄 河 2015 年第 4 期
改良膨胀土具有足够的水稳定性。因此，养护的时间 越长，水泥改良膨胀土的抗剪强度越高。
（ 4） 水泥掺量越大，则水泥改良膨胀土黏聚力和 摩擦角越大； 养护的时间越长，相应的黏聚力和摩擦角 也越大。这一现象表明，水泥掺量和养护龄期对水泥 改良膨胀土的黏聚力和内摩擦角有较大影响。 2． 3 石灰改良膨胀土直剪试验
力和摩擦角进一步得到提高； 水泥相对于石灰对膨胀土抗剪强度影响更大。
关 键 词： 膨胀土； 水泥； 石灰； 抗剪强度； 南水北调中线工程
中图分类号： TV42
文献标志码： A
doi： 10． 3969 / j． issn． 1000-1379． 2015． 04． 035
膨胀土是由蒙脱石、伊利石、高岭石及一些原生的 碎屑矿物杂质组成的复合体，具有超固结性、裂隙性、 吸水显著膨胀软化、失水收缩开裂且反复变形的工程 特性［1］，因此 发 生 沉 降 变 形 的 时 间 可 能 会 更 久，沉 降 量也可能更大，会更加容易使路基产生不均匀沉降和 不稳定性，从而引起多种路基病害。针对膨胀土特殊 的力学特性，对于需要在膨胀土路基上进行高填方填 筑的工程，为确保工程安全，工程上一般采取改性法， 利用化学剂的固化作用对膨胀土的物理化学特性进行 改性处理，以期达到降低膨胀土的胀缩性能、增强其强 度和水稳定性的目的［2 － 5］。
摘 要： 以南水北调中线工程淅川段的膨胀土为研究对象，分别采用水泥和石灰对膨胀土进行改良，其掺量分别为 2% 、
4% 和 6% ，在分别养护 7 d 和 28 d 条件下，进行直剪试验，研究水泥和石灰掺量对改良膨胀土抗剪强度的影响。研究表
明： 水泥和石灰均能有效地抑制膨胀土的膨胀性，并且随着掺量的提高、养护时间的加长，改性膨胀土的抗剪强度、黏聚
泥改良膨胀土和石灰改良膨胀土的抗剪强度试验，重 点分析了水泥掺量、石灰掺量对改良膨胀土抗剪强度 的影响规律。
1 材料与方法
1． 1 试验材料
试验中膨胀土采用南水北调中线工程淅川段九重
乡境 内 的 路 基 填 筑 料。 根 据《土 工 试 验 规 程 》
（ SL237—1999） 对该填筑料素土开展颗粒级配分析及
（ GBJ112—87） 中膨胀土的膨胀潜势分类标准，判定该
膨胀土为弱膨胀土。
试验用水泥采用复合硅酸盐水泥 P． C32． 5，石灰
是由生石灰在空气中自然熟化而成的粉末，等级属于
Ⅱ级镁质石灰。针对水泥改良膨胀土、石灰改良膨胀
土进行了自由膨胀率的测定，试验结果见表 2。
收稿日期： 2014-11-03 作者简介： 韩晶（ 1990—） ，女，黑龙江双鸭山人，硕士研究生， 研究方向为边坡稳定性。 E-mail： 562586556@ qq． com
根据石灰改良膨胀土试验结果能获得不同石灰掺 量的抗剪强度 S 与垂直压力 P 的关系曲线，见图 2。
图 2 不同石灰掺量改良膨胀土抗剪强度与垂直压力的关系
通过直线拟合公式，计算得出不同养护龄期和掺 量下石灰改良膨胀土的黏聚力 c 值和摩擦角 φ 值，见
表 3。
表 3 不同养护龄期和掺量下石灰改良膨胀土的 c、φ 值
由于不同地区膨胀土的物质成份不同，膨胀特性 具有很大的差异，因此不同的材料改良膨胀土的效果 会有很大的差别，另外膨胀土的强度易随外界条件的 不同而改变，不同改性材料、不同掺入量、不同的初始 干密度都会对膨胀土的强度产生极大的影响。作为高 填方土体，研究其强度特征主要表现为对抗剪强度的 研究，目前针对不同材料改良土的对比性研究比较少。 李 治 平［6］ 得 出 水 泥 稳 定 膨 胀 土 能 明 显 改 善 膨 胀 土 的 物理力学性质，并且用水泥稳定膨胀土能大幅度提高 其抗压强 度 和 耐 久 性。 吴 新 明 等［7］ 获 得 了 水 泥 改 良 膨胀土的自由膨胀率、塑性指数和无侧限抗压强度等 指标，水泥改良后膨胀土土样自由膨胀率随着水泥掺 量的增加 而 大 大 减 小。 邱 祖 华 等［8］ 对 石 灰 最 佳 用 量 进行研究，认为在膨胀土中加入石灰后可以获得理想 的综合改良效果，显著降低膨胀土的胀缩特性。笔者 主要以南水北调中线工程淅川标段九重乡境内膨胀土 为研究对象，对现场填土料分别进行素土、不同掺量水
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由表 2 可以看出，对于水泥改良膨胀土和石灰改 良膨胀土，养护龄期为 7 d，水泥掺量为 4% 、石灰掺量 为 2% 的改良膨胀土自由膨胀率均小于 40% ； 养护龄 期为 28 d，水泥掺量为 2% 、石灰掺量为 2% 的改良膨 胀土自由膨胀率均小于 40% 。这一现象表明： 水泥和 石灰均能较好地抑制膨胀土的膨胀性，且掺量越大、养 护龄期越长，抑制膨胀性的效果越好。 1． 2 试验方法
第 37 卷第 4 期 2015 年 4 月
【工程建设管理】
人民黄河 YELLOW ＲIVEＲ
Vol ． 37 ，No ． 4 Apr． ，2015
水泥及石灰掺量对改良膨胀土抗剪强度的影响
韩 晶1 ，王乐华1 ，马 莉2 ，杨 超1
（ 1． 三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002； 2． 中国电建集团贵阳勘测设计研究院，贵州 贵阳 550081）
根据 已 有 工 程 经 验，拟 定 水 泥、石 灰 掺 量 分 别 为 2% 、4% 和 6% ，并采用外掺法进行备料，采用静压制 样，环刀体积 V = 60 cm3 。
直剪试验试样的制备： 将现场取回的土样风干碾 碎并过 2 mm 筛，然后称取试验所需的一定量土样放 入烘箱中，在（ 104 ～ 110 ℃ ） 恒温下烘干，然后置入干 燥容器中冷却至室温待用。同时，根据已有的地质资 料、渠段设计资料、渠段填筑施工资料，土样的最优含 水率和最大干密度分别为 17． 2% 和 1． 65 g / cm3 。计 算并称取制备重塑样所需干土和水的质量（ 预留 2% 的水） ，充分拌和均匀后，放入保湿缸中，在恒温、恒湿 条件下焖料一昼夜，使水分与干土混合均匀。待焖料 完成后加入相应质量的水泥、石灰及预留的 2% 的水 拌和均匀，采用静压方法制样。并将试样在标准条件 下分别养护 7 d 和 28 d 后进行直剪试验，每组配合比 下的水泥、石灰改良膨胀土进行两组平行试验，取其平 均值作为最终结果。
根据水泥改良膨胀土试验结果能获得不同水泥掺 量的抗剪强度 S 与垂直压力 P 的关系曲线，见图 1。 通过直线拟合公式，计算得出不同养护龄期和掺量下 水泥改良膨胀土的黏聚力 c 和摩擦角 φ，见表 3。 ·138·
图 1 不同水泥掺量改良膨胀土抗剪强度与垂直压力的关系 表 3 不同养护龄期和掺量下水泥改良膨胀土的 c、φ 值
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表 2 水泥、石灰改良膨胀土的自由膨胀率试验结果
水泥或石灰 掺量 /%
0 2 4 6
水泥改良膨胀土 自由膨胀率 /%
养护 7 d 养护 28 d
51
51
44
38
36
30
29
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石灰改良膨胀土 自由膨胀率 /%
养护 7 d 养护 28 d
51
51
38
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注： ωL17 为圆锥仪下沉 17 mm 的液限标准； ωL10 为圆锥仪下沉
10 mm 的液限标准； I17P 采用 ωL17 为液限标准时的塑性指数； I10P
为采用 ωL10 液限标准时的塑性指数。
由表 1 可知，该素土样为高含水量低液限黏土，自
由膨胀率为 51% ，依据《膨胀土地区建筑技术规范》