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摘要：本文以工程案例为依托，重点研究采用石灰改良膨胀土解决路基填筑问题，详述了石灰改良膨胀土的原理及施工处理方法及要点，证明膨胀土经过石灰改良后作为于高速公路路基填筑材料同样经济可行。
关键词：石灰 膨胀土 改良 机理 实践
1. 概述
膨胀土是一种对环境湿度变化敏感，由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石等组成，具有多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性等特性的一种高塑性泥土。在一般情况下，膨胀土强度较高，压缩性较低，但当土中含水量变化时，膨胀土有发生胀缩变形的特性，是一种在高速公路建设中不可忽视的不良地基土。造成高速公路病害主要有沉陷变形、滑坡、溜塌、纵裂、坍肩等。对膨胀土膨胀能力估计不足而造成公路病害的损失是相当惊人当的。
某高速公路A-CD49合同段全长5km，设计时速80km/h，挖方为228.5万m3，填方88.1万m3。其中K108+600-K109+900段为高液限、高塑性、高含水量的膨胀土。该段挖方量为79.1万m3，填方量为68.4万m3。应用该膨胀土作为路基填料是最经济的材料，然而如果不任何处理直接利用膨胀土作为路基填料，会对高速公路造成严重的破坏。以下为该合同段取土场中膨胀土指标。
表1-1 K109+000取土场膨胀土指标
根据膨胀土判别指标，从自由膨胀率、粘粒含量等指标来看土样属于中等膨胀土；但从CBR线膨胀率来看为强膨胀土；从塑性指标看土样为高液限粘土，具有较差的水稳性。从现场土样结构看，土样为红色，粘土中有较多粉砂，易风化为碎砾石。通过以上的分析判断取土场土样为中强膨胀土。
2. 采用石灰改良膨胀土原因
该段路基基本填挖平衡，但膨胀土不能直接作为路基填料。根据经验，解决高速公路膨胀土路基填筑问题，以降低其对公路工程建筑的危害，主要有以下几种方法。
2.1换填法
借土填筑是该段路基膨胀土处理方法中最简单而且有效的方法。即挖除膨胀土，换填非膨胀土或砂砾土。本合同段路基填筑有大量挖方段土需要弃掉，但同时外借大量砾石土进行填筑，需要征大面积弃土场及取土场，工程成本大，不利于环保。
2.2湿度控制
湿度控制法包括预湿法和保持含水量稳定两种方法。为控制由于膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形，尽量减少路基含水量受外界大气的影响，需在施工中采取一定的措施。如利用土工布或粘土将膨胀土路基进行包封，避免膨胀土与外界大气直接接触，尽量减少膨胀土内部的湿度迁移。
2.3改良处理
改良处理就是利用石灰、水泥或其它固化材料与膨胀土之间的物理、化学作用改变膨胀土的性质，以达到降低膨胀土膨胀潜势、增加强度和提高水稳性的目的。具体来说:石灰的固化作用是由于盐基交换、次生碳酸钙的胶结性、粘土颗粒与石灰相互作用形成新的含水硅酸钙、铝酸钙等新矿物，从而达到改善膨胀土的性质的目的；即:降低塑性指数和改善其力学性能及稳定性。
石灰改良膨胀土技术作为路基土质改良方法之一，近年来应用十分广泛。石灰作为膨胀土的改性材料有很多优点:改性效果明显，消除胀缩性和提高强度两者兼得；尤其是石灰改良膨胀土作为一种稳定固化土，具有较高的承载力、抗剪强度和良好的水稳定性。由于石灰资源丰富，成本较低，且石灰改良土可显著提高土工结构的可碾压含水量，有效缩短施工周期。因此，石灰改良膨胀土做路基填料，在近几年来高速公路填筑工程中得到了广泛应用。三种方法对比如表2-1所示。
表2-1 处理方法对比
由表2-1可见，在上述三种方法中，化学改性处理见效最快、最有效，而且费用最低，因而本工程膨胀土处理方法采用石灰改良的方案。
3. 改良机理
石灰是一种无机的胶结材料，既能在空气中硬化，也能在水中硬化。石灰的性质取决于活性CaO和MgO的含量，其含量越高，活性越大，胶结能力越强。石灰改良膨胀土的机理如下：
3.1离子交换作用。在土中水作用下，生石灰迅速消解，产生Ca（OH）2进一步离解出Ca2+、Mg2+和OH-、Ca2+、Mg2+很容易置换膨胀土上颗粒所吸附的K+、Na+等离子。二价钙镁离子结合水膜较薄，能使膨胀土的分散性、坍塌性、亲水性和膨胀性降低，塑性指数下降并容易稳定成型，形成早期强度。
3.2碳酸化作用。Ca（OH）2和Mg（OH）2在土中会不断和空气中CO2反应生成CaCO3和 MgCO3坚硬的固体颗粒，具有较高的强度和水稳性，由于CaCO3对土体的胶结作用使得土体形成石灰稳定土。经过长期化学作用，会体现出石灰土的后期强度。
3.3凝胶反应。离子交换反应后期，随龄期增长，膨胀土中的硅酸、铝酸将于石灰进一步反应形成含水硅酸钙、碳酸钙。这两种材料能在水环境下发生硬化，在膨胀土的粘粒外围形成稳定的保护膜，其具有很强的粘结力，形成网状结构，使石灰强度增长，并保持长期的稳定，同时保护膜还能起到隔离水分的作用，使膨胀土获得水稳定性。
3.4结晶作用。石灰参入膨胀土后，溶解度很小，除了离子交换和碳酸化作用外，绝大部分以氢氧化钙晶水的形式析出，进一步提高了膨胀土的强度和水稳定性。
4. 试验研究
表4-1 土样液塑限试验结果
图4-1 液限、塑性指数变化示意图
由于膨胀土的粘粒含量大、液限高且CBR强度低，不能直接用于路基填料，通过对石灰改良膨胀土基本物理强度力学性质及胀缩性等不同类型的室内试验结果分析，研究不同参量对膨胀土性质的影响和变化规律，并对改良土的CBR特性进行的试验，为施工现场提供技术参数。
4.1界限含水量。在膨胀土中分别掺入2%、4%、5%、6%、8%计量的石灰后得出液塑限数据表4-1：
由以上表4-1数据可以看出：两个土场的膨胀土在外掺石灰后其液限和塑性指数都发生了很大的改变，液限含水量有明显下降，塑性指数减小至6%左右，大大改善了膨胀土的水稳定性，降低了膨胀土中土粒对液相水的灵敏性。从灰剂量角度看，随着灰剂量的增加，液限和塑性指数都在降低，但在灰剂量5%之后再增大灰剂量，对膨胀土的界限含水量指标改善不再明显。较高灰剂量（8%）对于改善膨胀土的液塑限性质已是不太明显。
4.2粘粒含量。在膨胀土中分别掺入2%、4%、5%、6%、8%计量的石灰后得出粘粒含量数据下表4-2：
表4-2 粘粒含量试验结果
图4-2 粘粒含量变化示意图
从对以上表数据的分析我们可以看出，掺加石灰改良膨胀土后，在灰土联结物的用下，土中的粘粒多集聚成粉粒或更大的颗粒，因此膨胀土的粒度成分发生了显著变化，粘粒急剧减少。
4.3自由膨胀率。在膨胀土中分别掺入2%、4%、5%、6%、8%计量的石灰后得出自由膨胀率数据下表4-3：
表4-3 自由膨胀率试验结果
线膨胀率与浸水CBR之间存在很好的负相关性，随着CBR的增加，线膨胀率不断减小。掺消石灰之后，CBR值显著提高，甚至是原来的40倍以上，且与膨胀率呈负相关。这说明在膨胀土中掺石灰之后，经过膨胀土与石灰发生一系列的化学、物理学反应，从根本上改变了膨胀土的性质，从而达到降低膨胀性提高CBR的目的。
5. 现场实践施工
通过对以上的试验研究证明该土样采用5%的石灰含量最为适宜，现场施工过程如下:
5.1、材料：即膨胀土和石灰。一般要求取土坑中粘性大、呈团块状的膨胀土用机械粉碎，经反复多次翻拌，达到无大于5cm的土块为止。石灰则要求III级以上消石灰，钙质消石灰有效钙镁合量应不低于55%。进场的石灰要及时使用，防止雨淋，以防有效C钙镁合量的流失和衰减。将消石灰通过1cm筛，尽量缩短石灰存放时间，妥善覆盖保管，消解时间一般控制在7天以内，以免有效成分衰减损失过大。
5.2、掺灰拌和；要提高石灰与膨胀土之间的作用效果，最重要的是膨胀土的粉碎水平以及拌和均匀性。为了达到此目的，施工中采用二次掺灰工艺，第一次在取土坑掺入灰剂量2%左右的石灰，目的是让石灰与膨胀土发生初步作用并降低膨胀土的含水量，使团块状的膨胀土崩解，土粒团容易粉碎，形成较均匀的混合料。一般采用在单位面积上所铺消石灰厚度与取土深度的比例关系，控制石灰的掺入量。闷料24h，并且用挖掘机翻拌三次，将膨胀土和消石灰同时挖起堆积在取土坑边，当堆积到一定长度和高度时，再用挖掘机翻拌均匀，即可上路。第二天掺入设计要求的剩余灰剂量，一般在路基上进行，基本方法是将路基上的“团粒化土”用推土机粗平，旋耕犁翻拌、粉碎，平地机细平，松土厚度为20cm~25cm，再用压路机静压一遍，使表面粗平后，按松铺厚度计算每平方米第二次掺石灰的用量，并用石灰在路基上打成方格，按计算的方格数，人工均匀布灰。松铺厚度宜薄不宜厚，一般松厚为20cm~25cm，压实厚为15cm~20cm。采用薄层快填工艺能够提高一次合格率，不返工，进度快，是一项石灰土路基施工的成功经验。铺灰前工作面平整度以目测为主，要无坑洼，便于二次均匀布灰。路拌深度由现场开挖观察直到前一施工层无未经拌和的素土夹层为符合要求。要捡出大于5cm的土块，特别是要捡出在膨胀土形成过程中生成的结核疆石。
5.3、碾压成型：将拌和均匀的灰土静压一遍后，用平地机细平，作出路拱、纵横坡，达到表面平整，无坑洼现象。路基采用分层碾压，在下基层的碾压的密实度相对较高一点，当碾压上基层的时候，可以适当降低碾压的密实度提高含水量。灰剂量要达到标准要求，低于标准的为不合格，要及时掺灰重新拌和。碾压一般可用振动压路机慢速振压一遍，再用三轮压路机从两边向中间重叠半轮碾压2~3遍，达到纵横坡度要求，表面平整光洁、无松动和坑洼等现象。同时，两侧路肩应多压实2~3遍。
从施工经验来看，膨胀土路基填筑施工控制应综合考虑膨胀土的压实性状与胀缩特性以及强度(CBR)特征和水稳定性，尽可能确保压实度与减少干湿循环引起的强度衰减，填筑含水量宜按较最佳含水量稍大，干密度较最大干密度略低的标准控制。对于石灰改良膨胀土的路基填筑就不能像膨胀土一样，不能单独的从含水量和压实度控制，还应考虑路堤中的土体所处的应力水平，可以采用相对较高的压实标准。石灰土的灰剂量还直接影响到路基填筑的质量，压实度的标准应该随着灰剂量的变化而变化，另外，在实际的工程中也存在灰剂量不断衰减的问题。必须认真对待灰剂量的衰减，否则不仅检测的灰剂量不准确，由此得到的压实度也不可靠。
6. 结束语
截至现在，该段路基工程已建成通车、通过观察，路基质量稳定，完全达到设计及施工的安全要求，为石灰改良膨胀土进行路基填筑提供非常成功的施工经验。笔者就关于膨胀土改良试验及实际施工有以下几点建议：
1、在受工期影响，该段路基建成通车后只观察路基整体沉降、稳定性。没有对改良膨胀土后期强度没有进行试验和检测，石灰改良膨胀土后期强度需要进一步试验研究。
2、根据国内工程实际情况，对高速公路路基膨胀土进行土性改良时，仍采用国内外研究得相对成熟的石灰改良法，未尝试使用新的改良剂，如能较全面地收集资料，在这方面进一步做试验，并加以分析论证，则对实际工程更有研究价值和实践意义。
作者简介：姓名:武宏飞(1984-10-13）,男、工程师，学历,本科,从事高速公路管理工作，
主研方向: 公路与桥梁。
论文作者:武宏飞
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/14
标签：石灰论文; 路基论文; 含水量论文; 剂量论文; 强度论文; 塑性论文; 消石灰论文; 《建筑学研究前沿》2018年第31期论文;