石灰_水泥及砂改性膨胀土工程特性的试验研究_李东森

第 9 卷 � 第 4 期 2011 年 8 月 南 水 北 调 与 水 利 科 技 S outh-to-North Water Diver sion and Water Science & Techn ology Vo l.9 No . 4 Aug . 2011 试 验 研 究 收稿日期: 2011-05- 01 � � 修回日期: 2011-06-18 � � 网络出版时间: 2011- 07-23 网络出版地址: ht tp: / / w ww . cnk i. net / kcms/ detail/ 13. 1334. T V. 20110723. 1702. 003. h tm l 基金项目:国家自然科学基金项目( 50979080) ;国家大学生创新性实验计划项目( 081048629) 作者简介:李东森( 1964-) ,男,河南嵩县人,高级工程师,主要从事膨胀土特性与灾害防治方面的研究。E-mail: 813lid ong sen@ 163. com 通讯作者:邹维列( 1969-) ,男,重庆丰都人,博士,教授,博士生导师,主要从事非饱和土特性、土工合成材料应用、道路中的岩土工程问题等 方面的研究。E-mail: zw ill iam@ 126. com doi : 10. 3724/ SP. J. 1201. 2011. 04025 石灰、水泥及砂改性膨胀土工程特性的试验研究 李东森1 ,夏熙临2 ,陈丛丛2 ,张俊峰2 ,邹维列2 ( 1.河南省水利第一工程局, 郑州 450000; 2.武汉大学 土木建筑工程学院, 武汉 430072) 摘要: 膨胀土灾害治理一直是岩土工程界的重要课题之一, 掺加改性材料是改善膨胀土工程特性的重要方法。制作 掺加不同比例的石灰、水泥以及砂的改性膨胀土试样, 通过物理性质试验、膨胀性试验和强度试验结果的比较,确定 三种改性材料的最佳掺比。在此基础上,进一步比较三种改性材料最佳掺比下对膨胀土的改性效果。试验结果表 明, 水泥和石灰比砂能更好地减小膨胀土的膨胀率, 提高膨胀土的强度。研究结果为工程实践中改性材料的合理选 择提供了重要参考。 关键词: 膨胀土;石灰; 砂;水泥; 膨胀性;强度 中图分类号: TU443 � � 文献标识码: A � � 文章编号: 1672-1683( 2011) 04-0025-03 Experimental Study on Engineering Characteristics of Expansive Soils Modified with Lime, Cement and Sand L I Dong- sen1 , X IA X-i lin2 , CH EN Cong-cong2 , ZH ANG Jun- feng 2, ZOU We-i lie2 (1. H enan Fir st Water Conser vancy Constr uction Bur eau , Zhengz hou 450000, China; 2. School of Civil E ngineer ing, Wuhan Univer sity , Wuhan 430072, China) Abstract: The hazard preventing of expansive so il has been one of impo rtant issues in geotechnical eng ineering area, and mix ing modifying mater ials w ith expansive soils is the import ant method improv ing eng ineering character istics of expansive so il. In t his study, an expansiv e soil, obtained from Jing zhou, Hubei Pro vince, China, w as mixed w ith lime, cement and sand respectively , and the laborat ory tests were conducted t o measure the physical pr operty , the sw elling- shr inkage proper ty and sheer st reng th of the modified expansive soil. On the basis o f the testing results, the optimum lime, cement and sand cont ents wer e determined. Even- tually , the effect s o f lime, sand and cements on the swelling po tential and st rength of the expansive so il wer e compared. The results showed that lime and cement were better than sand in reducing the sw elling potent ial and increasing the strength of the expansiv e so il. The testing results pr ov ide impo rtant refer ences for the r ational choose of modify ing mater ials in eng ineer ing pr actice. Key words:expansiv e so il; lime; sand; cement; sw elling pot entia l; str eng th � � 膨胀土主要由高亲水性矿物蒙脱石和伊利石组成,具有 胀缩性、裂隙性、超固结性等特性。由于组成成分及比例的 不同,其外观一般呈现出褐色、黄色、灰白色等, 一般土质细 腻、黏性大, 呈硬塑状态, 斜交裂缝和光滑面发育,部分裂隙 间被灰白色或绿色黏土所充填。膨胀土的这些性质对工程 建筑的危害极大,公路、挡土墙、边坡、地下洞室、隧道围岩和 建筑等常常因为膨胀土的胀缩、软化及裂隙而产生开裂、倾 斜甚至破坏,造成很大的经济损失。因此, 膨胀土常被称为 � 灾害性土�。 然而, 膨胀土的有效治理并非易事, 因此, 膨胀土也被 称为� 难对付的土�。目前对于膨胀土灾害的防治主要采取 土质改造与置换、表面防护、变形防护等措施[1]。在土质改 造方法中,工程中应用最广的是在膨胀土中掺加石灰、水泥 加以改性[ 2-6]。此外, 也有人尝试使用砂对膨胀土加以改 性[ 7-8]。 尽管目前对于采用水泥、石灰或砂来改性膨胀土的效 果,已有很多学者分别开展了研究。但是对于它们改性效果 的综合比较还很少。本文通过室内试验的方法, 对使用水 泥、石灰和砂改性膨胀土的效果加以比较, 为工程实践中改 性材料的合理选择提供参考。 �25� 试 验 研 究 1 � 试验材料 1. 1 � 膨胀土 本试验所用膨胀土取自湖北荆州。土样经过碎散呈粉 末状备用。该膨胀土的颗分曲线见图 1, 物理性质指标见表 1。由表 1 可以看出,该膨胀土为高液限黏土,自由膨胀率为 95% ,属强膨胀土, 膨胀性极高。 图 1 � 膨胀土的颗分曲线 Fig. 1 � Grain size of expansive s oil u sed 表 1 � 膨胀土的基本性质指标 T able 1 � Basic p ropert ies in dex of ex pan sive soil used 液限 w l ( % ) 塑限 w p ( % ) 塑性指数 I p 最优含水率 w op t ( % ) 最大干密度 �dmax / ( g � cm- 3) 自由膨胀率 �ef ( % ) 96. 4 28 68. 4 21 1. 688 95 1. 2 � 砂 试验用砂取自某扩建工程施工现场,其颗分曲线见图 2。 由图 1 可查得 d60= 0. 82 mm, d30 = 0. 37 mm, d10= 0� 183 mm,从而计算得到不均匀系数 Cu= 4. 48, 曲率系数 Cu。由 此可知,砂料均匀, 级配一般。 图 2 � 砂的颗分曲线 Fig. 2 � Grain s ize of sand used 1. 3 � 水泥和石灰 试验所用的水泥为湖北华新水泥厂生产的普通硅酸盐 水泥, 标号为 32. 5, 稠度 26% ,细度 3. 9% ,安定性(水煮 法)合格; 石灰的等级为二级,有效氧化钙与有效氧化镁的含 量高于 70%。 2 � 试验 � 选取水泥、石灰掺加的比例分别为试样总质量的 4%、6%、12% , 砂的掺加比例分别为总质量的 8% 、10%、 12% , 完成三种改性膨胀土的基本物理性质试验、胀缩性 试验与强度试验 ( 包括直剪试验和无侧限抗压强度试 验)。 � 根据实验结果确定掺加各种改性材料的最佳掺比, 最后比较最佳掺比下的改性效果。 � 对于水泥和石灰,要求进行养护 7 d 后的试验。 具体试验如下。 � 素土和三种改性土的液塑限试验、重型击实试验,确 定素土及各种改性土的最大干密度及最佳含水率。 � 按最优含水率和 94%压实度制作试样, 进行每种掺 比下的无荷、有荷膨胀率及膨胀力试验。 � 选取膨胀性最小的掺比作为最佳掺灰率, 进行最佳 掺比下的直剪及无侧限抗压强度试验。 3 � 试验结果与分析 3. 1 � 水泥、石灰改性膨胀土 掺加水泥和石灰改性膨胀土的试验结果见表 2 和 表 3。 � � 由表 2 和表 3 可以看出如下内容。 � 未经养护时,掺加水泥改性膨胀土的塑性指数较未 掺加水泥时仅略有升高 ;但经过 7 d养护后, 无论是水泥改 性还是石灰改性的膨胀土 , 塑性指数均得到较大幅度的 降低。 � 无论是未经养护还是养护以后 , 水泥和石灰改性 膨胀土的无荷膨胀率、有荷膨胀率、膨胀力较未掺加水 泥和石灰时均有较大幅度的降低 ; 经过 7 d 时间的养护 后, 降低幅度更大。 表 2� 水泥改性膨胀土试验结果 T able 2 � Test ing result s of ex pans ive soil modif ied wi th cement 养护时间 / d 掺加比例 ( % ) 液限 ( % ) 塑限 ( % ) 塑性 指数 无荷膨胀率 ( %) 50 kPa 有荷 膨胀率 ( % ) 膨胀力 / kPa 无侧限 抗压强度 / kPa 黏聚力 / k Pa 内摩擦角 (�) 0 0 96. 4 28 68. 4 78 5. 0 432 475. 4 83. 18 32. 8 4 136 30 106 13. 49 1. 39 252 540. 5 6 108. 5 32 76. 5 17. 46 2. 15 198 620. 1 8 98. 5 39. 5 59 11. 35 1. 85 400 796. 4 72. 3 32. 79 7 0 96. 4 28 68. 4 78 5. 0 432 475. 4 83. 18 32. 8 4 99 32 67 14. 71 1. 22 158 600. 3 6 70 37 33 10. 25 0. 67 145 643. 5 8 82 34. 5 47. 5 9. 14 0. 38 132 1058. 1 108. 8 51. 03 �26� 第 9 卷 总第 55 期� 南水北调与水利科技� 2011年第 4期 � 试 验 研 究 表 3� 石灰改性膨胀土试验结果 Table 3� Test ing resu lt s of expansive soil modified w ith lim e 养护时间 / d 掺加比例 ( % ) 液限 ( % ) 塑限 ( % ) 塑性指数 无荷膨胀率 ( %) 50 kPa 有荷 膨胀率( % ) 膨胀力 / kPa 无侧限抗压 强度/ kPa 黏聚力 / k Pa 内摩擦角 (�) 0 0 96. 4 28 68. 4 78 5 432 475. 4 83. 18 32. 8 4 73. 6 28. 2 45. 4 22 4. 64 403 442 6 72. 4 36. 4 36 15. 52 3. 63 388 365 168. 51 12. 42 8 70. 5 36 30. 5 13. 8 2. 87 378 412 7 0 78 5 432 475. 4 83. 18 32. 8 4 19. 64 1. 8 128 520 6 10. 54 0. 54 25 755 171. 16 48. 59 8 9. 96 0. 46 23 785 � � � 当水泥掺量为8%、石灰掺量为 6%时,改性膨胀土各 项膨胀性指标的降低幅度已趋于平缓, 继续增大掺量时 ,改 性效果已不明显,故确定 8% 为水泥改性该膨胀土的最佳掺 比, 6%为石灰改性该膨胀土的最佳掺比。在上述各自最佳 掺比下,水泥和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,水泥和石灰均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。 3. 2 � 砂改性膨胀土 掺加砂改性膨胀土的试验结果见表 4。 表 4 � 砂改性膨胀土试验结果 T able 4 � T est ing result s of expansive soil modif ied w ith san d 掺加 比例 ( %) 液限 ( % ) 塑限 ( % ) 塑性 指数 无荷 膨胀率 ( % ) 50 kPa 有荷 膨胀率 ( % ) 膨胀力 / kPa 无侧限 抗压强 度/ kPa 黏聚力 / kPa 内摩 擦角 (�) 0 96. 4 28 68. 4 78 5 432 475. 4 83. 18 32. 8 8 89. 2 25. 8 63. 4 74. 5 3. 54 189 230. 14 10 74. 8 24. 4 50. 4 64. 52 2. 01 136 375. 5 113. 05 36 12 77. 3 23. 9 53. 4 60. 14 1. 93 176 275. 4 � � 由表 4 可以看出如下内容。 � 掺砂后,该膨胀土的塑性指数较未掺加砂时略有降 低,但无荷膨胀率、有荷膨胀率、膨胀力较未掺砂时均有较大 幅度的降低。 � 当砂掺量为 10%时,膨胀力的降低程度最大, 而无荷 膨胀率与有荷膨胀率的降低程度与掺加 12%砂时较为接近, 故确定 10%为最佳掺量。此时该膨胀土的黏聚力、内摩擦角 较未加砂时有较大的增加,但无侧限抗压强度反而有较大幅 度下降。 以上结果说明,砂能在一定程度上改性该膨胀土的膨胀 性,但是可能会引起强度的下降, 须引起注意。 4 � 改性效果比较 根据以上试验结果,可得到相对于未掺加改性材料膨胀 土的各项指标的变化幅度,见表 5。 � � 由表 5 可知如下内容。 � 降低膨胀性方面。三种改性材料均能使该膨胀土的 膨胀性得到一定程度改性, 其中石灰的最佳掺加比例最小, 砂的最佳掺比最大。这就是说,掺加较少的石灰即可达到较 表 5 � 三种改性与未改性膨胀土指标变化幅度的比较 Table 5 � C om pari son of changes relative to the original expansive soil among th ree m odif ied expansive soil s ( % ) 改性 材料 最佳 掺比 塑性 指数 无荷 膨胀率 50 kPa 有荷 膨胀率 膨胀力 黏聚力 内摩擦角 无侧限 抗压 强度 水泥 8 - 30.50- 88.20 - 92.40 - 69.40+ 30.80 + 55.58 122.70 石灰 6 - 55.40- 87.23 - 90.80 - 94.20+ 105.77 + 48.14 58.80 砂 10 - 26.32- 17.30 - 59.80 - 68.50+ 35.91 + 9.75 - 21.01 注:表中� + �表示增加, � - �表示降低。 好的改性效果。对于无荷膨胀率、50 kPa有荷膨胀率, 掺加水 泥和石灰时降低最为明显, 降低幅度达到 90% 左右; 对膨胀 力, 加入石灰时降低最为明显,降低幅度达到 94. 2%。可见, 总体而言,石灰对该膨胀土的改性效果最好,水泥次之,砂最差。 � 提高膨胀土强度方面。三种材料对该膨胀土强度指 标的影响有较大差异。a. 黏聚力。掺加石灰后其增加最为 明显,增加幅度达到 100% 以上。b. 内摩擦角。掺加水泥和 石灰后增加很明显,均在 50%左右,但是掺加砂的增加却不 明显,不到 10%。因此可以认为石灰和水泥均能使该膨胀土 的抗剪强度大幅增加,而砂增加该膨胀土抗剪强度的作用不 明显。但需要注意的是,现有研究资料表明, 石灰稳定土的 水稳定性较差,遇水后抗剪强度会有较大幅度的降低。c.无 侧限抗压强度。掺加水泥后增加较为明显, 增幅达到 122. 7% ;石灰也能使之增加, 增幅达到 58. 8% , 而砂却反而使之 有所降低,降幅达到 21%。 5 � 结语 本文通过对取自湖北荆州的强膨胀土掺加水泥、石灰和 砂三种改性材料试验结果的对比分析,可以得到如下结论。 � 综合来看,水泥和石灰对降低该膨胀土的膨胀性和 提高强度两个方面的效果均较好, 而砂则较差。因此, 在实 际工程中,应优先选取石灰或水泥对膨胀土加以改性, 以达 到最好效果。但对水稳定性有要求的工程, 是否掺加石灰改 性,需要慎重。 � 本文对膨胀土掺加三种改性材料后的水稳定性未加 以研究 ,而对输水渠道、路基等工程而言, 土的水稳定性是非 常重要的工程性质, 对其加以深入研究是很有必要的, 拟在 后续工作中进行。 (下转第 46 页) �27� 李东森等� 石灰、水泥及砂改性膨胀土工程特性的试验研究 试 验 研 究 的影响。 参考文献( Refer ences) : [ 1 ] � 张大本,李吉川. 混流式水轮机尾水管涡带引起的水力振动 [ J] . 广西电力试验研究院, 1996, ( 4 ) : 18-22. 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