掺灰膨胀土路基标准试验方法探讨

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摘要：本文针对掺灰膨胀土路基施工质量控制中，标准击实干密度与施工现场实测干密度存在很大差异的问题进行了分析对比，对掺灰膨胀土的击实试验方法和石灰剂量标准曲线等试验方法进行了优化，提出了与掺灰膨胀土施工工艺相一致的标准试验方法，为工程质量控制提供了可靠的依据。

关键词：膨胀土掺灰改性标准试验

中图分类号： U213.1文献标识码： A

1 引言

某新建一级公路，全长35.6公里，根据沿线地质勘探资料，沿线地表以下以高液限粘土为主，天然含水量为25.6%~37.4%，液限为44.2%~62.8%，塑性指数一般为21.0~33.9，自由膨胀率为30%~60%，胀缩总率为0.616%~1.984%，素土CBR承载比为1.5%~2.8%，综合判别为中弱膨胀土。经室内试验得出，膨胀土经掺石灰改良处理时在石灰剂量高于3%时，膨胀土的性质得到有效改善，胀缩性降低到非膨胀土范围，CBR强度大大高于规范对路床填土的要求。考虑到现场石灰放置时间可能较长、拌和均匀不可能达到室内试样的均匀程度、土块直径较大等因素，路基设计膨胀土掺灰处理的灰剂量为路床顶面以下0~40cm填土掺加8%石灰处治，40cm以下填土掺加6%石灰处治。

2 膨胀土的改性机理

膨胀土的液限、塑限和塑性指数都较大，在含水量变化时具有明显的膨胀和收缩性能，含水量大时，体积变大强度低，含水量小时，体积变小土体致密坚硬，土层表面常出现纵横交错的裂隙和龟裂现象，使之在作为土源进行路基施工时会带来土颗粒粉碎困难，胀缩性破坏和强度降低等严重的质量问题。膨胀土作为一种粘土，含有较多亲水性很强的蒙脱石和伊利石等粘土矿物，因此它的膨胀除了具有一般粘土因粘粒周围结合水化膜增厚而引起的土体积膨胀外，还存在着粘土矿物的活动结晶构架膨胀产生的体积膨胀，因此其膨胀量较大。利用一定剂量的石灰进行膨胀土的改性，主要是通过石灰在溶液中电离出来的钙离子（Ca2+）与土中的低价阳离子（Na+、H+、K+）产生离子交换作用，减小粘粒的电位，减小对粘粒弱结合水的结合能力；同时通过离子交换作用增强伊利石和蒙脱石粘土矿物晶层的连接力，不能使水分子进入其间，这样总体上降低膨胀土颗粒的表面能和亲水能力，降低膨胀土的胀缩性能，使之满足设计规范要求；同时掺石灰使膨胀土得到“砂化”处理，土颗粒粉碎较容易，且改良膨胀土的最佳含水量变大，相应地可缩短翻耕晾晒降低含水量的时间，有利于加快路基施工。

3 掺灰膨胀土的施工工艺

1)采用二次掺灰施工工艺。第一次在取土坑掺生石灰，掺灰量为总灰量的40%左右，可用挖掘机对其翻挖后打堆闷料，以达到膨胀土“砂化”和降低含水量的目的，闷料时间三天左右。第二次在路基段面上掺灰，经过取土坑闷灰的土运到路基上按松铺厚度摊平翻耕拌和，当土层含水量降到最佳含水量+5%左右时，先用轻型压路机把土层表面压平，再用平地机粗平一遍，按计算每平方米的石灰剂量在地面上打格，摊铺补足剩余剂量消石灰。

2)要求采用中型拖拉机及铧犁结合稳定土拌和机进行旋耕粉碎，严格控制土颗粒细度，达到掺灰均匀。要求大于5cm的颗粒含量低于5%，大于2cm的颗粒含量低于20%。

3) 碾压时含水量不得低于最佳含水量，宜控制在大于最佳含水量1~3个百分点， 从第一次掺灰开始到碾压成型时间宜控制在7天以内，要求及时一次性碾压到位。

4)采用灌砂法现场测试路基压实度，其标准采用标准击实试验的结果。

4标击干密度与施工现场检测干密度的对比分析

在路基施工进入93区以后，施工单位在自检压实度时发现很多检测点压实度很难达到设计要求，为了解决此问题，总监办组织对掺灰膨胀土施工工艺进行复查以及对标准击实试验重新进行复核试验，复查结果表明，施工工艺基本符合施工指导意见的要求，标准击实试验的取土代表性、试验操作以及试验数据处理等方面均符合规范要求。

为了了解施工现场掺灰膨胀土在标准击实功下的干密度情况，安排试验室在路基上已掺灰粉碎拌和达到要求即将碾压的段面上(从取土坑掺灰开始施工期在7天)，取土样立即测定灰剂量和含水量，确认灰剂量符合设计要求，含水量接近最佳含水量，然后立即进行击实试验，试验数据表明，经过掺灰7天左右碾压成型的改性土干密度在1.68g/cm3左右，达不到原来标准击实试验的最大干密度1.75g/cm3，这表明掺灰膨胀土随着土的工程性质的改变，其最大干密度在下降。

从以上情况分析得出：现行的标准击实试验在室内进行，时间很短，尽管塑性指数、自由膨胀率等指标已满足了规范要求，但土的工程性质的改变过程尚未完成；而现场进行灌砂检测压实度和石灰剂量时，膨胀土经过掺灰处理改性的时间已很长，其内部结构和工程性质的改变程度也大得多，因此1天标准击实试验得出的干密度与7天碾压成型后现场测试的干密度必然相关较大。

5 优化后的湿法击实试验方法

为了确保工程质量和进度，科学合理地指导工程施工，更好地贴近膨胀土掺灰改性的施工工艺流程，采用二次掺灰湿法击实进行最大干密度最佳含水量的试验：对于灰剂量为6%的灰土，先从取土坑取素土粉碎成粒径1cm左右的颗粒并检测含水量，然后掺3%的消石灰焖料3天后，在第4天向试样中再加3%的消石灰再闷料2天，在第6天将土样过粉碎过5mm筛，然后风干制备成7个不同含水量的试样（保证最佳含水量上下至少各有2点以上），每个试样间含水量相差2%左右，风干必须在一天内完成，将风干好的试样密封在塑料袋中闷料12小时以上，使含水量均匀，在第7天用重型击实试验的击实方法获得最大干密度和最佳含水量。

经过试验，全线取土坑6%掺灰膨胀土湿法击实试验最大干密度在1.65~1.69g/cm3，最佳含水量在17.2%~18.6%。而干法击实试验最大干密度在1.73~1.77g/cm3，最佳含水量在15.3%~16.5%，采用湿法和采用干法相比，相当于压实度标准降低3%~5%左右，根据现场检测数据分析，此标准符合实际情况，在路基施工时压路机碾压到规定遍数后基本无轮迹，按此湿法击实试验标准检测压实度也无超密现象，说明压实度采用此标准是合适的。

6 优化后的石灰剂量标准曲线试验方法

由于膨胀土的性质决定了石灰和土拌和后，石灰剂量衰减很快，施工中有时看到白花花的一片，但在石灰剂量检测时EDTA二钠标准溶液消耗量较低，原因就是石灰与膨胀土中的亲水性很强的蒙脱石和伊利石等粘土矿物发生了复杂的化学反应，性质已经改变很多，游离的钙离子(Ca2+)变少了，导致EDTA消耗量变少，因此规范规定的试验方法与实际施工中的情况相差很大，现将改进后的试验方法阐述如下：

测取土坑土样的含水量（一般在24%~30%），然后将土样粉碎成1cm左右的颗粒，掺3%消石灰，闷料3天，在第四天掺入剩下的消石灰（如6%灰土则再掺0%、1%、3%、5%、7%消石灰），然后再闷料2天，在第6天将试样风干并粉碎，含水量控制在最佳含水量±3%的范围内，过2.0或2.5mm筛，再闷料12小时左右，用EDTA滴定法测定每个试样的EDTA二钠标准溶液消耗量，然后绘出一根顺滑的曲线，作为施工过程中检测石灰剂量的标准曲线。

7 优化后的石灰剂量衰减曲线试验方法

施工中发现掺灰处理膨胀土路基经压实后，在路基压实度检测过程中，在不同的时间检测，同一个段落石灰剂量也不同，且相差较大，原因就是路基经压路机压实后，石灰与土充分接触，虽然在碾压之前石灰也发生了反应，但膨胀土中的亲水性很强的蒙脱石和伊利石等粘土矿物很多，与石灰发生反应的只是一部分，在路基压实后，其与石灰充分接触，还将继续进行化学反应，其直接结果就是导致石灰剂量检测时EDTA消耗量的降低，因此在检测压实度时有必要建立一条从路基碾压成型起算时间的石灰剂量衰减曲线，下面将该试验方法阐述如下：

先按二次掺灰的湿法击实试验方法准备不同掺灰剂量的试样(如4%、6%、8%各一组，第1天先掺50%消石灰，在第3天掺剩余50%的消石灰)，在第6天将试样风干到最佳含水量±3%范围内，粉碎过2.5mm筛，闷料12小时以上，在第7天按规定的压实度用无侧限抗压试模成型试样（采用直径为10cm的试模），试验可采用压力机成型，然后脱模用塑料袋密封，模拟施工现场埋入地下约20cm，每组从成型后的第0天、2天、4天、7天、10天、14天、21天、28天分别取出2个试样进行EDTA滴定试验，（第0天的用未成型的试样直接进行试验），每组试样绘出一条随时间变化而变化的EDTA二钠标准溶液消耗量的衰减曲线，在进行压实度检测时，石灰剂量试验完成后，按碾压成型的天数，内插求得实测的EDTA二钠标准溶液消耗量的提高系数，按提高后的EDTA二钠标准溶液消耗量查石灰剂量标准曲线，得出石灰剂量，然后再查石灰剂量与最大干密度的对应关系曲线，求得取用的最大干密度，计算路基测点的实测压实度。

8 结语

膨胀土经掺灰改良处理后土质得到了“砂化”处理，工程性质变化很大，二次掺灰湿法标准试验与膨胀土掺灰施工工艺相一致，试验结果符合掺灰膨胀土路基施工的实际情况，在工程中得到了很好的应用，二次掺灰湿法标准试验方法较好地解决了掺灰膨胀土路基施工质量的控制标准问题。

参考文献：

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