无机材料复合改良膨胀土的强度特性

无机材料复合改良膨胀土的强度特性

崔兴志

淄博市产品质量检验研究院                         邮编255063

摘要：在工程建设中，膨胀土因其高膨胀性、低强度、高渗透性等特性，成为工程建设中的一大难题。以往对于膨胀土的研究主要集中在水对膨胀土的影响，而对于膨胀土强度特性的研究较少。本文通过三轴试验系统对石灰、粉煤灰、石屑等多种无机材料复合改良膨胀土的强度特性进行了研究，分析了各材料对膨胀土强度的影响规律。结果表明：本文研究了石灰、粉煤灰、石屑等无机材料复合改良膨胀土的强度特性，发现这些材料能有效改善膨胀土力学性能，且两者远比石屑单一改良方法的效果好。

关键词：膨胀土；复合改良；无机材料

一、试验材料与试验方案

（一）试验材料

试验所用的膨胀土取土深度为1.5～2.5 m，为了使土的膨胀特性有一个较好的模拟，选取了新疆天山北坡典型的膨胀土作为试验材料。该土属天然弱膨胀性，不含有机质，具有明显的干缩裂缝。

本文的研究思路如下：(1)以石灰+石屑、粉煤灰+石屑、石屑等三种材料作为膨胀土的改良材料，并且确定其掺加量；(2)通过无侧限抗压强度试验，研究改良材料的掺加量对膨胀土的无侧限抗压强度值的变化规律。

（二）试验方案

改良材料掺量是指膨胀土中改良材料的掺加量。通过击实试验得到的最大干密度可以反映改良材料的掺量。本文采用的是以水泥、石灰、粉煤灰和石屑四种材料为主，掺加部分石屑的复合改良方案。

在试验中，石灰+石屑的复合改良方案中，石灰的掺量为0%~8%，石屑掺量为0%~12%；粉煤灰、石屑掺量等同于石灰+石屑的掺量。

将已碾碎的膨胀土经过10 mm的标准土过滤后，测量其自然水分含量。首先进行重型标准击实试验，然后对其进行细粒物料的压实操作，以此确保工程建设中使用材料的均匀性和强度。然后，根据试验结果进行设计和验证，击实成型试件干密度为1.50 g.cm-3，即压实度为90%。根据结果显示，在无侧限抗压强度测试中，最优含水量都取18%，对应的干密度均取为1.50 g.cm-3。在试验过程中，土样试件的含水率应保持不变。

试样采用静压法制备，将待测试样放置于一个坚固的金属板上，随后通过施加压力以形成所需的形状。其高度与直径比值为2.5，直径为40 mm，高度为100 mm，标准养护7 d。采用应变式无侧限抗压强度仪，该设备能够精确测量材料的抗压强度。分析结果显示，应变速率控制1%～3%/min，在8～20 min内完成试验。每个土样做3组平行试验，取3组试验的平均值。

二、试验结果与分析

（一）石灰石屑掺加量对膨胀土无侧限抗压强度的影响

在试验石灰+石屑改良膨胀土的无侧限抗压强度结果中显示见下表，石灰+石屑复合改良对膨胀土的无侧限抗压强度值有明显地提高，随着改良材料掺加量的增加，无侧限抗压强度值也随之增大，其最佳掺量可确定为15%。随着石灰、石屑掺加量的增加，膨胀土的无侧限抗压强度值也随之增大，但增幅不大，这是由于石灰、石屑与膨胀土之间存在着相互作用，复合改良后石灰、石屑的掺量增多，使膨胀土的初始强度得到提高。当石灰、石屑的掺量较少时，石灰、石屑与膨胀土之间发生化学反应生成新的物质，从而提高了膨胀土的初始强度。同时，石灰、石屑与膨胀土之间形成了一种胶结作用，使原来松散的土块变得紧密起来。因此石灰、石屑的最佳掺量分别为6%和9%。其中石屑作为辅助材料，它能显著提高膨胀土的初始强度。

（二）粉煤灰石屑掺加量对膨胀土无侧限抗压强度的影响

粉煤灰和石屑改良膨胀土的无侧限抗压强度试验结果见表4，从表4可知，粉煤灰和石屑复合改良后，膨胀土的无侧限抗压强度值都得到了不同程度的提高。粉煤灰和石屑复合改良材料的最佳掺量分别为6%和9%。由于粉煤灰和石屑具有一定的粘聚力，在掺加一定剂量的粉煤灰、石屑后，膨胀土的初始强度有所提高。因此

（三）石屑掺加量对膨胀土无侧限抗压强度的影响

石屑改良膨胀土无侧限抗压强度的试验结果见表5，石屑的最佳掺量可确定为15%。对比表3、表4、表5中的试验结果，石屑改良膨胀土的无侧限抗压强度值小于石灰石屑、粉煤灰石屑复合改良膨胀土的改良效果。说明采用石屑、石灰、粉煤灰等无机材料进行膨胀土改良，在保证膨胀土的强度不降低的情况下，能更有效地减小膨胀土的胀缩性。

试验中发现，随着石屑掺加量的增加，膨胀土试样的无侧限抗压强度逐渐增加，且达到最大值时的时间提前；与石灰石屑、粉煤灰石屑复合改良膨胀土相比，在最优掺量下，石屑掺量为15%时的无侧限抗压强度值最大。这是因为，随着石屑掺加量的增加，土体中起骨架作用的水泥发生水化反应，形成了大量的水化产物和钙矾石结晶，进而提高了膨胀土试样的密实度和抗拉强度。

（四）混合料施工最佳含水率

试验试件的制备是在击实试验确定的最佳含水率条件下，然后根据试验结果，以最优含水率作为击实标准进行压实度的控制。本试验中的击实试验方法为：首先，将待测土样进行筛分处理，使土样颗粒在筛分时，不小于8 mm的颗粒所占比例达到95%以上。然后，根据土样颗粒级配的特点，对粗、细粒物质进行合理的比例调配。最后，按一定的比例将石灰石、粉煤灰和石屑混合在一起。将混合料制成一定的试件，并在自然养生条件下养护。为了进一步提高膨胀土改性土的强度，可以采用二次击实法。二次击实法即在击实仪中设定击实次数和击实功，使得膨胀土改性土在完成一定次数的标准击实后，达到最大干密度。

1.自然养生条件下的试验结果

以15 %石灰+石屑改良膨胀土制作试件，击实试验确定的混合料测得最佳含水率为18 %，对2组平行击实成型试件（干密度为1.50 g.cm-3，即压实度测得为90%），在自然温度下保湿养护一个月，确定其无侧限抗压强度值。试验结果平均值见表6。

自然气温条件下保湿养生一月龄期后，石灰+石屑改良膨胀土的无侧限抗压强度峰值点对应的含水率为21 %，相较击实曲线最佳含水率18 %，增加了3%。

2.标准养生条件下的试验结果

将15%石灰+石屑改良膨胀土，在标准养生条件下养护6d，浸泡1d后测定其无侧限抗压强度值。试验中，击实试验确定的混合料最佳含水率为21%，对2组平行击实成型试件（干密度为1.50g.cm-3），在标准养生条件下养护7d，然后测定其无侧限抗压强度值。试验中发现，石灰+石屑复合改良膨胀土的无侧限抗压强度峰值点对应的含水率与击实曲线所得到的最佳含水率一致，相较击实曲线所得到的最佳含水率18%增加了3%。通过无侧限抗压强度试验，可以反映出石灰和石屑复合改良膨胀土的强度特性。

三、结论

(1)采用石屑对路基膨胀土进行改良，在实践中证明了其有效性和经济性。通过添加石屑的方式，不仅可以有效提高膨胀土的强度和稳定性，还能减少路基沉降问题，为道路建设提供了一种经济高效的解决方案。

(2)通过使用石灰与石屑以及粉煤灰与石屑的复合改良方法，有效提升了材料的耐久性和抗压强度。这种方法不仅降低了成本，而且提高了工程质量。