肖武权 徐林荣(长沙铁道学院土建学院)
=提要>总结国内外膨胀土化学改良法的研究进展,评述各种添加剂改良膨胀土的效果,指出石灰或以石灰为主的添加剂是最有效和最经济的添加剂。=关键词>膨胀土 化学改良 石灰添加剂 膨胀土是一种具有胀缩性、裂隙性及超固结性等不良性质的特殊土,给膨胀土地区铁路工程建设带来危害甚至严重的破坏。为了确保膨胀土地区铁路工程建筑物的安全,需对膨胀土进行处理或采取工程设计措施。在诸多加固处理方法中,化学改良法越来越得到重视和应用。目前,国内外应用化学方法改良膨胀土的添加剂有石灰、水泥、粉煤灰及其他添加剂等,本文着重介绍应用最广泛、最有效的石灰添加剂的改良作用。
土孔隙,钙质硅酸盐凝胶逐渐结晶,形成一种联锁结构。
112 改良效果
(1)改良土膨胀率和膨胀压力大大减少。以约旦伊尔比德膨胀土的两个试样BH8和BH22为例。当石灰含量从0增至6%时,膨胀率变化:BH8从4168%降为0,BH22从12177%降为414%;膨胀压力变化:BH8从014MPa降为0,BH22则从215MPa降为212MPa。
(2)改良土强度能大幅度提高。如沙特A1-Ghatt膨胀粘土,未处理时平均抗压强度为118kPa,而用8%石灰处理过的试样的抗压强
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度为242kPa。
(3)改良土颗粒粒度增加。例如,成都粘土加入6%的石灰后,粘粒含量(<<01005mm)减少了18%,砂粒增加了12%,粉粒增加了
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6%。颗粒粒度的增加意味着膨胀土性质的改善。
113 石灰含量与改良土物理力学性质的关系
(1)对阿氏限度的影响。当石灰含量从0增加至某一百分含量时,改良土的液限和塑性指数也随之增大。当超过这一百分含量时,改良土的液限和塑性指数反而随着石灰含量的增加而减小。但其塑限则随着石灰含量的增加近似呈线性增加,见图1。
(2)对pH值的影响。石灰含量从0逐渐增加时,改良土的pH值也逐渐增加。但当石灰含量达到某一含量时,则pH值增加很小,参见图2。
(3)对膨胀率与膨胀压力的影响。石灰含
铁道建筑 2001年第5期
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1 用石灰添加剂改良膨胀土
111 改良原理
石灰改良膨胀土包括:¹改变粘土颗粒周围和内部的物理化学环境;º改变水流入和流出孔隙的自然状态;»影响整个土体的特性变化。当天然粘土与二价的具有较低化合(亲和)力的水离子发生交换时,就出现了膨胀粘土最有效的化学稳定。最有效和最有用的离子是钙离子。Thompson(1966)认为石灰稳定的一般过程为:阳离子的交换、凝聚与结块、碳化作用与凝聚反应作用,前两个作用使土的可塑性增大,因而改变了粘土矿物的电荷,后两个作用过程是粘结反应过程,使土的承载强度提高。因此,石灰稳定为两个阶段:第一阶段包括粘土表面阳离子交换与凝聚过程;第二阶段是从粘土矿物晶格分离二氧化硅和少量的氧化铝。初期的离子交换与化学反应引起钙质硅酸盐的凝胶,使颗粒发生胶结,进而包裹成粘土团块并堵塞)30)量在某一临界值时,改良土的膨胀率最小,大于或小于该临界值时,改良土的膨胀率都会变大,甚至超过未处理的土,见图3。改良土的膨胀压力也有类似的变化规律。
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土的物理力学指标的变化有两种关系:一种是指标随石灰含量的增加呈单调增加或减少,如抗压强度指标、塑限、pH值等;另一种是随石灰含量的增加,指标有一最低值或最高值,如膨胀率、膨胀压力、塑性指数、塑限等。从土的改良目的来看,一方面要求土具有低膨胀率和低膨胀压力、高强度,另一方面要求经济可行。根据国内外资料,从降低土的膨胀性来看,一般加入2%~4%的石灰能使改良土的膨胀率和膨胀压力达到最小;从提高土的强度来看,石灰含量越高,改良土的强度越高。从铁路路基对土的要求来看,一般加入6%左右的石灰,能使改良土具有较低的膨胀率、膨胀压力,并具有较高的能
图1 稠度界限与石灰含量的关系
满足要求的强度。
115 固化时间对改良土的膨胀率和强度的影响
试验表明,固化时间对改良土的膨胀率的影响主要与石灰含量有关。如石灰含量很小(1%、2%),固化时间对土的膨胀率的影响可忽略不计。但当石灰含量比较高时,固化时间的延长就大大降低了土的膨胀率。例如同用4%的石灰处理,固化7d的改良土的膨胀率大约比固化仅1d的小20%。固化时间越长,改良土的强度也越高,但一般超过大约15d时,其强度增加很小。
图2 pH值与石灰含量的关系
2 用其他添加剂改良膨胀土
211 水泥添加剂
当水泥含量增加时,改良土的膨胀率减小,减小的原因类似于石灰,但水泥将产生更大的凝聚作用,这种作用将把粘土转变为更加粒状化的土,从而使膨胀率降低。另外,水泥添加剂引起的凝聚反应使粘土层之间的胶结力增大,这种胶结力阻止了土的膨胀,从而使土处于更
图3 膨胀率与石灰含量的关系
加稳定的状态。但总的来说,在降低膨胀率方面石灰比水泥更有效。
212 水泥+石灰添加剂
这种混合添加剂具有石灰显著降低土的膨胀率和水泥增加土的强度的特性,是一种比较理想的添加剂。二者比例视改良土要求而定。
)
31)(4)对无侧限抗压强度的影响。改良土的抗压强度随石灰含量的增加近似呈线性增加。114 最佳石灰含量的确定
由以上讨论可知,石灰含量的变化与改良
铁道建筑 2001年第5期如以降低膨胀率为主,则采用石灰B水泥=4B2较合适;如以增加强度为主,则采用石灰:水泥=2B4较合适。当然最好由现场实验确定。213 砂子添加剂
试验证明,对易膨胀的土来说,随着砂子含量百分率的增加,膨胀潜能随之减小。如采取某砂样,当砂的含量从15%增加到47%时,土的膨胀率从2153%降为0。对于给定了初始含水量和干密度的土来说,当土中砂的含量超过一定的界限时,土就不易膨胀。砂子掺入土中对膨胀性的影响,被认为是由于土孔隙中大量的毛细管通道和相应的土的虹吸作用减小而造成的。214 聚合物添加剂
有一种叫做地膜网的聚合物(Terravest801),由液态聚丁二烯与湿化剂、喷洒催化剂结合制成。这种液体在水中乳化后可喷洒到土的表层,并按其吸收情况渗入到表层以下,与大气中的氧气发生作用,形成一种固态的水溶性网,并把已湿化的所有颗粒粘结在一起。试验表明,随着聚丁二烯含量的增加,土的可塑性明显下降,胀缩性和强度增加,但与石灰和水泥相比,在减少土的膨胀性、增加土的强度方面的作用要小得多。215 NaCl添加剂
把膨胀土重塑土放入含不同浓度NaCl的水中浸泡,结果表明:随着土中孔隙水NaCl浓度的增加,土的膨胀百分比和膨胀压力随之减小,但这种减小程度较缓。减小的原因可能是由于在低浓度电解液存在的情况下,粘土颗粒表面积发生改变造成的:NaCl添加剂产生了大量的电解液,随着迅速的絮凝作用析出胶体,颗
粒体积的增大,导致了粘土颗粒总表面积减小,从而吸收的水量减小,膨胀也就减小。216 石灰与河砂混合物添加剂
石灰与河砂按一定比例混合,也能起到类似石灰添加剂的作用,且能提高土颗粒的粒度。谢纫秋(1997)采用的配比为石灰B河砂B膨胀土B水=10B50B50B24。这种混合材料可达到类似石灰改良膨胀土的效果。
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3 结论
(1)在所有的添加剂中,石灰是改善膨胀土工程性质的最有效和最经济的材料。根据膨胀土的性质与当地实际情况可添加少量水泥和掺入砂子或其他材料。
(2)石灰添加剂的加入量以4%~6%为宜,但最好根据膨胀土的特性与改良土的要求由实验确定,以达到最佳的改良效果。
参
考
文
献
1 A.A.basam&M.AI-sharif,1994,孙增生译.控制膨胀土膨胀处理方法.路基工程,1998(5):77~812 A.I.AI-Mhaidib&M.A.AI-Shamrani,1996,孙增生译.石灰处理膨胀土的膨胀特性.路基工程,1998(2):77~85
3 卢永贵.成都粘土及其石灰土的颗粒对比分析.路基工程,1998(4):27~28
4 谢纫秋.用改性方法整治膨胀土基床病害.路基工程,1997(1):53~60
改回日期:2001-02-02
(责任审编 李从熹)
土地利用规划中的地下空间
1988年芬兰环境部指定一个委员会考察现有地下工程的规划系统。1990年春,委员会得出的结论是,现行的立法和规划程序是不能令人满意的。1994年6月开始了/规划和土地利用中的地下空间0的研究,1996年夏这一研究完成。研究结果作为芬兰岩石工程2000年计划的一部分。研究评述了地下规划的现状,考察
了地下设施的用途,提出了岩石地区可能修建的建筑物的分类方法,鉴别了在现行立法基础上修建地下建筑物对环境影响的评价方法。开发了城市公共区地下空间造价的评估方法,特别是与地面空间等效造价的比较,提出了在不同埋深容许进行地下空间开发的程序等建议。
(路 石供稿)
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