電石灰改良膨脹土力學性能試驗研究

雒國鋒, 侯毓山

（新疆北新路橋集團股份有限公司, 新疆烏魯木齊 830002）

1 概述

膨脹土是一種顆粒高度分散的高塑性粘土, 主要由粘土礦物組成, 對環境的濕熱變化極為敏感。膨脹土是在吸水條件下膨脹軟化, 失水條件下收縮開裂的一種特殊土。在實際工程領域又稱災害性土, 是不良地質作用之一。

膨脹土具有膨脹收縮、裂隙和超固結三種性質。也正是由于膨脹土的“三性”特性, 使得膨脹土的工程性能很差, 在工程建設中經常引發各種工程事故[1-4]。

由于國家不斷加大大氣污染的治理力度, 使得各地政府紛紛關停高污染企業, 生石灰的生產受到了很大的限制, 難以滿足工程建設的需要。電石灰是電石在發生化學反應時的產物, 其主要成分為氫氧化鈣, pH值為13～14, 呈強堿性且具有較強的腐蝕性。由于電石灰的主要成分與消石灰相同, 都是氫氧化鈣, 因此, 可以將電石灰用于替代生石灰用于工程之中處治膨脹土[5-6]。

2 原材料性質

2.1 膨脹土的基本性質

本文選取的是河南某地區的土樣, 取樣深度為1.0～1.5m, 土樣呈現暗黃色且中間夾雜白色；同時所取土樣網狀裂隙極為發育, 有蠟面, 易風化呈現細粒狀且裂隙中填著灰白、灰綠色粘土。烘干后的土樣如圖1所示。

圖1 烘干后土樣

通過自由膨脹率試驗得出所取土樣的自由膨脹率為48.3%, 根據《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011）[7]可以判斷該膨脹土為弱膨脹土。其物理力學指 標如表1所示。

表1 膨脹土的基本物理性質

2.2 電石灰的基本性質

電石灰中主要化學成分是CaO（質量占比達70%以上）, 其主要化合物為Ca（OH）2, 與消石灰類似, 能夠與土發生一系列的物理、化學作用, 從而使電石灰穩定土具有一定的強度。本試驗所用電石灰（如圖2所示）來自某市電石灰調配中心, 由于出廠電石灰含水量較大, 使用前需要將電石灰烘干后再用。

圖2 電石灰

3 電石灰改良膨脹土擊實試驗研究

3.1 混合料配合比的選取

本文使用電石灰對膨脹土進行改良, 參照既有研究成果并結合實際工程應用情況[8-9], 最終確定了電石灰和膨脹土之間的摻量, 其中, 電石灰劑量（電石灰占混合料的質量百分比）分別為8%、12%、16%和20%, 剩余部分為膨脹土的質量含量。具體各比例混合料的配比見表2。

表2 電石灰改性劑改良膨脹土配合比（質量含量）

3.2 擊實試驗結果及分析

通過擊實試驗來測定素膨脹土和其他四個配合比在各自不同含水率下的干密度, 并由此繪制含水率—干密度曲線圖。在干密度隨含水率變化曲線圖上峰值點所對應的含水率和干密度即為該配比電石灰改良膨脹土的最佳含水率與最大干密度[10-11]。由素膨脹土及電石灰改良膨脹土的擊實可以看出, 試驗結果得到的最佳含水率和最大干密度結果見表3, 可以看出, 隨著電石灰摻量的增加, 其最佳含水率逐漸減少（除了電石灰含水率為16%的混合料）, 而其最大干密度數值變化不大, 也沒有一定的規律。

表3 最佳含水率與最大干密度結果

4 電石灰改良膨脹土無側限抗壓強度試驗結果及分析

利用靜壓法制備電石灰改良膨脹土無側限抗壓強度小試件（試件直徑和高分別為5cm, 每組配比制作6個小試件）, 置于恒溫恒濕養護箱養護6d（養護溫度為20℃±2℃, 養護濕度為不小于95%）, 浸水1d, 然后利用路強儀測得的7d無側限抗壓強度如圖3所示[11]。

由圖3可以看出, 當電石灰含量為0時（即素膨脹土）, 在最后一天的泡水養護中, 試件會崩解松散, 因而素膨脹土的無側限抗壓強度為0, 說明, 膨脹土的水穩定性極差, 在水浸泡之后無任何強度；隨著電石灰摻量的增加, 電石灰改良膨脹土混合料的7d無側限抗壓強度值先增大后減小, 在電石灰摻量為16%和膨脹土含量為84%時, 混合料7d無側限抗壓強度值最大, 為6.4kPa, 說明摻加了電石灰的膨脹土混合料7d無側限抗壓強度得到了明顯提高, 因此電石灰可以用于膨脹土的改良；電石灰含量為20%的電石灰改良膨脹土混合料的7d無側限抗壓強度比電石灰含量為16%的混合料的強度低, 說明過量的電石灰不能一直提高混合料的強度, 因此, 在使用過程中需要根據試驗結果合理確定電石灰的摻量。

圖3 電石灰膨改良脹土無側限抗壓強度

5 電石灰改良膨脹土劈裂強度試驗結果及分析

按照上述無側限抗壓強度試件制備的方法制備試件并進行劈裂強度試驗, 結果如圖4所示。由圖4可以看出, 當電石灰含量為0時, 素膨脹土試件在最后一天的浸水中全部崩解, 其劈裂強度為0, 隨著電石灰含量的增加, 膨脹土的劈裂強度也隨之增加, 當電石灰含量為16%時, 電石灰改良膨脹土的劈裂強度最大為3.7kPa, 當電石灰含量為20%時, 電石灰改良膨脹土的劈裂強度降低到3.4kPa。

圖4 電石灰膨改良脹土劈裂強度

結果表明, 向原狀膨脹土中摻加適量的電石灰可以在一定程度上提高膨脹土的劈裂強度。

6 結論

利用電石灰對膨脹土進行改良, 確定合理的配合比并進行混合料的無側限抗壓強度試驗, 結果表明：

（1）膨脹土的水穩定性極差, 在水浸泡之后無任何強度；隨著電石灰摻量的增加, 電石灰改良膨脹土混合料的7d無側限抗壓強度和劈裂強度都得到明顯提高, 并且無側向抗壓強度和劈裂強度均是先增大后減小, 在電石灰含量為16%時強度最高。因此, 電石灰可以用于改良膨脹土并提高其力學性能；

（2）過量的電石灰不能一直提高電石灰改良膨脹土混合料的力學性能, 過量的電石灰會降低混合料的無側限抗壓強度和劈裂強度, 因此, 在使用過程中需要根據試驗結果合理確定電石灰的摻量。