改性膨胀土的膨胀率研究

硅 酸 盐 通 报

BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

Vol. 38 No. 12Deymber,2019改性膨胀土的膨胀率研究黄春丽1>2,阮永芬2,李志伟3,马金龙4,张 涛1\"1.昆明理工大学建筑工程学院，昆明650500%2.云南经济管理学院工程学院，昆明650031 %3.云南省设计院集团勘察分院，昆明650228 %4.云南省建设投资控股集团有限公司，昆明650217)摘要:对取自不同场地的膨胀土，掺入4种常用改性剂生石灰、熟石灰、粉煤灰、水泥后，对膨胀土在不同掺入比情 况下，改性膨胀土的自由膨胀率、有荷及无荷条件下的膨胀率及变形量的变化规律进行试验研究。研究结果表明： 具有强膨胀潜势的膨胀土改性剂的最佳掺量为10%，掺入生石灰后自由膨胀率降幅最大，熟石灰的最小；中膨胀潜

势的膨胀土改性剂最佳掺量为8%，掺入生石灰后其自由膨胀率降幅最大，掺入水泥的最小。最佳掺量条件下生石 灰和水泥改性土的有荷及无荷膨胀率均较小，且无荷膨胀稳定时间较短，即水泥及生石灰的改性土变形较小，利于

其上建构筑物的稳定$生石灰改性效果优于熟石灰，相关研究应明确选用的是生石灰还是熟石灰$ 关键词:改性剂；膨胀土；自由膨胀率；有荷膨胀率；无荷膨胀率中图分类号:TU472；U416 文献标识码：A 文章编号：1001-1625(2019) 12-3759-8Sthdy on Expansion Rate of Modidee Expansive SoiiHUANG Chun-li1，2，RBAN Yong&en，LI Zhi-cea，MA Jin-long4，ZHANG Tao1(1. Faculty of Civil Engineegng and Mechanics，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，/hina ；2. Coiege o fEngineeeing， Yunnan CoiegeofBusinesManagemene， Kunming650031 ， China；3 .Beanch ofeheNneeseigaeion， Design NnseieueeofYunnan Peoeince， Kunming650228 ， China；4. Yunnan /onsOuction and Investment Holding Group /c. ，Ltd. ，Kunming 650217，/hina)Abstract: Four common modifiers， quicklime， hydrated lioe，fy ash and cement， were added to expansive soils from

dOferent sites to study the modified expansive soil under dOferent addition ratios vagaOon law of free expansion rate， expansion rate and deformation amount of under loading and unloading. The results show that the optNum dosage ofmodifier of expansive soil with strong swell potential is 10%， the free expansion rate decreases the most after adding

quicklioe and the least after adding hydrated lioe. The optimal dosage of modifier of expansive soil with medium swell

poeeneia:is8 % ， and iesfeeeetpansion eaeedeceeasesehemoseafeeeaddingquick imeand ehe easewhen addingcemene.

Undeeeheopeima:dosagecondieions， eheetpansion eaeesofquick imeand cemene-modified etpansieesoiundeeoading

and un oadingaeesma:， and eheseabiieyeimeofun oadingetpansion isshoee， ehaeiseosay， ehedefoemaeion ofehe modified etpansieesoiofcemeneand quick imeissma:， which isconducieeeoeheseabiieyofeheseeuceueesbuieon ie.

Themodificaeion efeceofquick imeisbeeeehan ehaeofhydeaeed ime.Theeeeeaneeeseaech shou:d ceaeychoose

quick imeoehydeaeed ime.Key words: modifiee； etpansieesoi ； feeeetpansion eaee； oadingetpansion eaee； un oadingetpansion eaee1引言膨胀土是一种高塑性粘土，是典型的非均匀三相介质，具有显著吸水膨胀、失水收缩、反复膨胀变形、浸 水承载力衰减和干缩裂隙发育等特性[1] $工程性质极为不稳定，在膨胀土场地上的工程建设一直是一大难

题。作为“隐藏的灾害”膨胀土的破坏常具有潜在性、反复性和长期性[2] $对其防治非常困难，每年防治花

费非常巨大，所带来的工程损失以亿计[3]$：(；()作者简介:黄春丽(1979-)，女，硕士研究生，实验师,工程师.主要从事岩土工程方面的试验及研究.E-mail：1056360@ qq. com. 通讯作者：阮永芬,教授.E-mail: my@ aliyun. com.基金项目云南省教育厅科学研究基金2016ZZX333)云南省重点研发计划2018BC0083760 专题论文硅酸盐通报第38卷我国是世界上膨胀土分布最广泛的国家之一,覆盖面积达到600000 km2⑷，且分布膨胀土的地区多是土

地资源匮乏区。很多公路及铁路都需通过或将通过膨胀土地区，膨胀土改性是施工中常用的工程措施。针

对不同地质、环境条件，国内外学者已提出很多改性方法，其中石灰改良是最早使用的膨胀土改性方法［5］$

在各类改性研究中，水泥改性土主要集中在干湿循环、强度特性等方面石灰改性土主要集中在掺灰量、

作用机理、工程性质、施工含水率等方面903（;粉煤灰改性土主要在掺量、水稳定性、胀缩性等方面1407（ $对 大量膨胀土改性文献的研究发现存在问题如下：（1）水泥、石灰、粉煤灰等改性方法各有优势,但都没有明确 宜优先选择哪种改性剂改性效果会更好；（2）提到石灰改性研究,只笼统说石灰，没有明确是选用生石灰还

是熟石灰；\"3）改性剂掺量一般取到8%，最多到10%就得出结论,对掺量10%以上的简单带过，无相关研

''究；（4）鲜有对改性土有荷及无荷膨胀率的相关研究。针对以上问题，进行大量试验,希望对存在问题能够 逐一通过试验研究进行解析，给实际工程应用及相关规程编制提供完整、可靠的试验研究依据。2试验与分析2.1试验土样1#及2#膨胀土取自云南省蒙自市不同场地$ 1#膨胀土呈灰白夹黄、坚硬状态、细腻，取土深1-5 m；2#膨

胀土是灰黄色，取土深2~3 m；3#土取自昆明地表下3.5 m，灰白、坚硬、土质细腻、夹少量砂质；4#膨胀土取

自云南省昭通市,深灰色，切面光滑。土样的物理力学指标如表1所示。表1 土的物理力学指标Table 1 Physical and mechanical indexes of soilSocisampie%/ (kN/m3)

18.519.3e0.927Ck/kPa&/( °)12.3d/%D/% @p37.147.5'/%6272Swelt potentiai'18(MedcumMedcum1#47.963.676.441.326.528.916.52#3#0.7820.7402.12759.831.039.013.612.016.819.624.83093NoSee9ng4#15.177.539.138.4注:％为天然重度;e为天然孔隙比5为粘聚力;;&为内摩擦角;D为液限;D为塑限;I为塑性指数;'为自由膨胀率$2.2自由膨胀率试验研究2.2.1试验方案按《标准》［19 （中有关操作步骤，测定土样及在不同掺入比下改性膨胀土的自由膨胀率'$'=——0 x 100%

P0式中，”为试样在水中膨胀稳定后的体积；P为试样原体积。（1）掺入的改性剂为:水泥、生石灰、熟石灰、粉煤灰,4种改性剂的掺入比如表2所示,均为掺入单一品种。 为确保试验结果的准确性，每一试验平行进行6次，共做4 '4 x6 x8 +4 x6 =792个样。表2各种改性剂的掺入比Table 2 Mixing ratio of admixturr

Modccee Cemene/%Mcicngeaeco22244446666888101010121212121515151520202030QuicklimeHydeaeed icmeFiyash810202.2.2结果与分析3#土及1#、2#、4#膨胀土经改性后自由膨胀率的试验数据如表3所示。掺入水泥、生石灰、熟石灰及粉煤灰改性后，自由膨胀率与不同掺入比间的关系图分别如图1 ~图4 所示$从图1可看出，随着水泥掺入量的提高，改性膨胀土的自由膨胀率'均降低。掺量为0% ~4%时，改性

第12期黄春丽等:改性膨胀土的膨胀率研究3761膨胀土的自由膨胀率降幅最明显。在4%〜8%时,1#、2#改性土的'基本不变。掺量为8%〜12%时的'

降幅变大，随后变缓。4# 土掺量在4%〜15%之间，'仅有0.5%的波动，掺量超过15%后缓慢下降。这是

因为水泥掺量达到某一程度后，水泥与膨胀土的结合硬化得到加强,土颗粒表面结合的阳离子下降了。表3改性膨胀土的自由膨胀率Table 3 Free expansion rate of modiied expansive soii

Soil sampleModiiee/%Mixing ratio0%626262622%604%6%8%5910%534012%15%5020%4730%---DeciineRemarksCement58475058445038424.81#QuicklioeHydrated lioe5154413228495033.94951505043505217.719.49.7Fly ashCemene2#-58675162515949505243---4872727272303030676070654954QuickiimeHydeaeed iime5160604954415053414632484931.925.05058Mixing ratiois 8%dcreasoFly ashQuickiime3#-5922592050112818.133.313.33029192122118--20Hydeaeed iime28-28278088.5942622262229292079Fly ashCemene4#2180.5198026.714.59393939387.580.5807587.57479.570.588.77069.547.571.370QuickiimeHydeaeed iime919979799068.5.6706557757124.24.624.7Mixing ratio is 10%dcreasoFly ash7776.571.5Fig. 1 Relation curves between ' and cement mixing ratio〜20%之间,1#土的'/持续下降，只是降幅没有掺量在0%〜4%之间时降幅大。掺量在6%〜10%之间,2#

土的'r不变,掺量在12%〜15%时，'/进一步下降后又进入平稳阶段，超过15%后再次下降。掺量为0%

〜4%之间，生石灰对于3#土仍有作用，在4%〜6%及10%〜12%之间'r下降稍明显，整体来说'/都有小幅

下降。对于4#土，随着掺量的增加，其改性土的'r呈持续下降。总体来说，随着生石灰掺入量的增加，土样

的'r得到良好改善，掺量为8%时，1#)2#、3#生石灰改性土的'r降幅均达到30%以上,4#土的降幅也达 24. 2%，采用生石灰改性，四种土的自由膨胀率降幅都很大，基本呈直线下降趋势。10%时,1#土 '比较平稳，变化很小。掺量为12%时，'/为最小值，超过12%后，'有所回升。掺量为6%

〜12%时,2#土的'较平稳,小幅下降后又变平稳，掺量为15%时'最小,超过15%后,'又有所回升。3#

土随着熟石灰掺入比的增加，改性土的'r有小幅下降，掺入比为10%时，'达最低点，之后'r明显大幅回

升。掺量为2%〜8%时,4#土 '随掺入量的增加而较低,掺量超8%后'小幅回升,掺量超15%后,'又有u.2uoSUEdxu一

SUEdxu图1 '/与水泥掺入比关系曲线Fig. 2 Relation cumes between ' and quicklioe mixing ratio从图2可看出，生石灰掺量在0%〜4%之间,1#、2#膨胀土的曲线比较陡，'/下降速度较快。掺量在6%

从图3可以看出,熟石灰掺量为0%〜4%之间，1#)2#改性土的'较之素土明显变小。掺量为4%〜

3762 专题论文硅酸盐通报第 38 卷较明显的下降。1202o 0o 8o 6o 4o 2O

%/善」u

.2SUEdxo

总亠

0 4

8 12 16 20 24 ydrated lime mixing ratio/%28 320 --------1-------1--------1-------1--------1--------1---------1------0 4 8 12 16 20 24 28 32Fly ash mixing ratio/%图3 '与熟石灰掺入比关系曲线Fig. 3 Relation cuoes between ' and hydrated lime mixing ratio图4 '与粉煤灰掺入比关系曲线Fig. 4 Relation cuoes between ' and fly ash mixing ratio从图4可以看出，在粉煤灰掺量为0%〜4%时,1#、2#土的'有明显改善。掺量为6%〜20%时,1#土的

'基本保持不变，掺量超过20%,'仅有小幅度的下降。掺量为4% -10%时,2#土的'较平稳，掺量在

10%〜15%之间有小幅下降，掺量超过15%后趋于稳定。掺量为0%〜6%时,3#土的'有所下降，之后趋于

平稳。掺量为2%时,4#土的'有所降低,掺量为10%〜30%之间，小幅回升后又渐趋稳定。以上分析可看出，相较于另外三种改性剂，粉煤灰改性土的自由膨胀率更具规律性，具有中膨胀潜势的 1#、2#膨胀土，掺入比例达到6%后,其自由膨胀率渐趋平稳或仅有小幅下降;而具有强膨胀潜势的4#膨胀

土,则掺入比例达10%后，其自由膨胀率渐趋平稳$综上所述,结合实验结果、以往的工程实践及经济考虑,可将改性剂的最佳掺量选为6% - 10% $1#、2#、4#膨胀土及3#土,经不同改性剂改性后自由膨胀率变化趋势的综合对比图，如图5〜图8所示。

从图5〜图8中可看出，在膨胀土中掺入不同比例的水泥、生石灰、熟石灰、粉煤灰改性剂后，自由膨胀率都 有不同程度的下降，下降幅度最大的是生石灰，说明生石灰改性效果最好，优于熟石灰。因为相等质量的生

石灰和熟石灰相比，生石灰中Ca2 +含量要大于熟石灰的，而石灰土强度主要依赖于Ca2+的作用。756555

—f— Cement

-■-Quicklime

从图5、图6可看出，在膨胀土中掺入不同比例的改性剂后，改性效果最好的是生石灰，随后依次是熟石 灰、粉煤灰及水泥。虽粉煤灰的改性效果稍劣于熟石灰，但粉煤灰具有实用性、经济性、自重轻及环保性等诸

多特点，故粉煤灰也是不错的选择。水泥最差是因其成本高于生、熟石灰及粉煤灰，且改性效果相较而言也

不是很好。四种改性的最佳掺入比介于6%〜10%之间，掺入比达到12%之后,除了生石灰改性土的自由膨胀率持 续下降外,其余三种改性土的自由膨胀率渐趋稳定。%/善u

.2 总亠

」-A—Hydrated lime -f—Fly ashuSUEdxu.2SUEdxo

总亠

4525L

O

4 8 12 16 20 24 28

Mixing ratio of different modifiers/%32图5 1#改性土的'变化趋势Fig. 5

' trend of 1# modified soil图6 2#改性土的'变化趋势

Fig. 6 'f trend of 2# modOied soil从图7可看出,3#土不是膨胀土，但掺入生石灰、熟石灰及粉煤灰后，自由膨胀率的变化规律与膨胀土的第12期黄春丽等:改性膨胀土的膨胀率研究3763基本相同，降幅最明显的也是掺入生石灰。-■-Quicklime -A-Hydrated lime -•-Fly ashu.2SUEdxu 誉亠

4 8 12 16 20 24 28 Mixing ratio of different modifiers/%32图7 3#改性土的'变化趋势Fig. 7

图8 4#改性土的'变化趋势Fig. 8 'r trend of 4# modOied soil'r trend of 3# modOied soil从图8可看出，生石灰改性效果仍是最好的,其次是粉煤灰、水泥及熟石灰;四种改性剂的最佳掺入比宜 为10% ,且在掺入比为10%时，生石灰和粉煤灰的'r都非常接近。掺入比为10%〜15%时，除生石灰'r随

着掺入比的增加呈直线下降外,其余三种外加剂下的'r的变化均较平稳。掺入比超过15%后，掺入粉煤灰 和水泥的'仍保持平稳态势，熟石灰的由平稳转为进一步下降趋势。2・3有荷膨胀率及无荷膨胀率试验研究膨胀率试验是侧向受限条件下,土样在特定荷载或无荷载时吸水膨胀稳定后的变形量。《标准》19(中 规定:有荷膨胀率试验适用于测定原状土或扰动粘土在特定荷载和有侧限条件下的膨胀率;无荷膨胀率试验

'适用于测定原状土或扰动粘土在无荷载和有侧限条件下的膨胀率。有关试验操作步骤按《标准》19(规定的 进行。2.3.1有荷及无荷膨胀率定义有荷膨胀率'p的定义19(如下：'''7 X + ( _ X 9 100 %

h(2)0式中,X为某荷载下膨胀稳定后位移计读数；X为加荷前位移计读数；入为某荷载下的仪器压缩变形量；h 为试样初始高度，单位均为mm$无荷膨胀率'的定义19(如下：'9 100 %

'h(3)0式中，X为时间U时的位移计读数；X为位移计初始读数;h为试样初始高度，单位均为mm。2.3.2试验结果及分析1 #)2#及4#膨胀土配制时,其含水量及天然重度与原状土相同，1 #)2#膨胀土的各改性剂掺量为干土质量

的8%。由于4#天然含水率)=70. 5%，接近)l =77. 5%，按天然含水量无法进行制备，故配制含水量参考 1#)2#膨胀土的配制参数，按含水量为)=40%来配制，其重度与原状土相同。4#膨胀土的各改性剂掺量为干

土质量的10%。(1)有荷膨胀率试验侧向受限情况下，先让试样在竖向有荷载压缩稳定，再向容器内注水待其膨胀稳定后测记数据,试样会

经历压缩和膨胀两个过程，当吸水膨胀后的试样高度高于未加荷前的初始高度，'p的计算结果是正值，否则

是负值。有荷膨胀率试验结果如表4所示。不同改性剂下膨胀土的有荷膨胀率试验结果如图9所示。从表4可看出，有荷膨胀率是负值。说明三种膨胀土在50 kPa的压力作用下,50 kPa的压力大于其膨

胀力，最终表现出的不是膨胀而是压缩。1#)2#膨胀土改性后的压缩量由大到小的依次为加入熟石灰、粉煤 灰、生石灰及水泥;4#改性膨胀土的压缩量由大到小依次为加入粉煤灰、熟石灰、生石灰及水泥。即在一定荷37 专题论文硅酸盐通报第 38 卷载作用下，生石灰和水泥改性土的变形小于粉煤灰和熟石灰改性土的变形。而从图9可看出，无论采用什么

改良剂，压缩量最大的是4#膨胀土，最小的是2#膨胀土，且加入粉煤灰的压缩量变化最大,差异最明显。表4 50 kPa压力下有荷膨胀率及压缩量Table 4 Loading expansion rate and compression under 50 kPaSoil sample1#Expansion rata/% ( Compression^mm)0riginal soilQuicklime-1.97 0.39)2#4#(-2.0 (0.40)-2.5 (0.50)-3.0 0.60)-3.3 (0.66)(-3.8 (0.76)()-0.66 (0.13)-2.8 (0.56)-2.2 0.44CemeneHydrated lime-4.7 (0.94)Fly ash-2.0 (0.40)-4.5 (0.90)(-2.0 (0.40)-7.4 (1.48)-4.3 0.86)Fig. 9 Loading compression of dCeont modOied soils(2)无荷膨胀率试验侧向受限情况下，先把试样安装好，再向容器内注水待其膨胀稳定后测记数据。UIUI、言

u&nb

u.2ssujdulou图9不同改性土的有荷压缩量(a)生石灰改性(b)水泥改(c)粉煤改性灰_(d)图10 1#膨胀土无荷膨胀试验后土样Fig. 10 Unloading expansion test sample of 1# expansive soil从1#膨胀土无荷膨胀试验结果照片图10中可看出&( a)生石灰和(b)水泥改性土的无荷膨胀裂纹小,

而(C粉煤灰和(d)熟石灰改性土的无荷膨胀裂纹明显要多一些。从2#膨胀土无荷膨胀试验结果照片图11中可看出&( a)粉煤灰和(b)熟石灰改性土的无荷膨胀量比较 大，土样高度已明显超过环刀高度。从4#膨胀土无荷膨胀试验结果照片图12中可看出&( a)素土的膨胀裂纹非常明显，而\"c)水泥改性土裂

纹次之,(b )加生石灰改性土裂纹基本看不见。掺入不同改性剂膨胀土的无荷膨胀率试验结果如表5及图13所示，其稳定时长如表6所示。从表5可看出，三种膨胀土加生石灰和水泥的改性土的无荷膨胀率和膨胀量均较小，1#)2#膨胀土加粉

煤灰无荷膨胀率和膨胀量较大，甚至高出素土的无荷膨胀率。从表6稳定时间来看，加生石灰和水泥改性土

的稳定时间较短,加熟石灰和粉煤灰改性土的稳定时间较长，且生石灰改性土的稳定时间短于水泥改性土。

第12期黄春丽等:改性膨胀土的膨胀率研究3765这也从另一个角度说明加生石灰的改性效果优于熟石灰改性。从图13可看出，膨胀量遵循以下规律：1#、2# 改性土的膨胀量由小到大依次是生石灰、水泥、熟石灰、粉煤灰;4#改性土则是水泥、生石灰、粉煤灰、熟石灰, 且改性土的膨胀量均小于素土的膨胀量。(a)粉煤灰改性 (b)熟石灰改性图11 2#膨胀土无荷膨胀试验后土样Fig. 11 Unloading expansion test sample of 2# expansive soil（a）素土 （b）生石灰改性 （c）水泥改性图12 4#膨胀土无荷膨胀试验后土样Fig. 12 Unloading expansion test sample of 4# expansive soilFig. 13 Unloading expansion of dNferent modified soilsTable 5 Unloading expansion rate and expansion volumeSoil sample1#UIUVUUInloAuoSUEdxK 一

图13不同改性土的无荷膨胀量表5无荷膨胀率及膨胀量Expansion rate/% ( Expansion volume/mm )Original soilQuock omeCementHydeaeed ome10.3 (2.06)Fly ash11.0 (2.20)10.7 (2.14)0.46 ( 0.092)1.7 (0.34)12.2 (2.44)1.3 (0.26)2#4#14.4 (2.88)19.0 (3.80)9.1 (1.82)13.1 (2.62)18.2 (3.)19.1 (3.82)15.2 (3.04)3.6 (0.72)3766 专题论文硅酸盐通报表6无荷膨胀稳定时长Table 6 Stable time of unloading expansion

第38卷/minHydrated lime2587Soil sample1#2#0ecgcnaisoci2499Quicklime240CementFiyash1902360420420

1416291225219142029345854#27083结论(1) 对于具有中等膨胀潜势的1#及2#土，四种改性剂的最佳掺量为8%，生石灰改性后，自由膨胀率降

低最大，效果最优，其次分别为熟石灰、粉煤灰及水泥。对于具有强膨胀潜势的4#土,其改性剂的最佳掺量

为10%，改性效果最优的仍然是生石灰,其次是粉煤灰、水泥及熟石灰。(2) 通过改性膨胀土的有荷膨胀率试验得出：水泥及生石灰的改性土变形较小,利于其上建构筑物的 稳定。(3) 改性膨胀土的无荷膨胀率均遵循:加生石灰和水泥改性土的无荷膨胀率和膨胀量较小，稳定时间较 短。加熟石灰和粉煤灰的改性土无荷膨胀率和膨胀量较大,稳定时间较长，试验结果依然显示生石灰改性效

果最好。(4) 加生石灰和加熟石灰，二者的改性效果不一样，不明确是生石灰还是熟石灰，会使改性试验再现性

变差。参考文献[1] 李生林，秦素娟,薄遵昭，等.中国膨胀土工程地质研究'M].南京:江苏科学技术出版社,1992:10.[2] 廖世文.膨胀土与铁路工程'M].北京冲国铁道出版社,1984 ：297-299.[3 ]孔令伟，郭爱国,赵颖文，等.荆门膨胀土的水稳定性及其力学效应[J].岩土工程学报，2004 ,26(6)：727-732.[4] Shi B，Jiang H T，Liu Z B，et al. Engmee/ng geological characteristics of expensive soils in China' J]. Engineering Geology，2002(67) : 63­

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