石灰与水泥改性加固膨胀土对比试验研究

摘要：为探究石灰和水泥改性两种方法加固膨胀土的效果，以蒙-华铁路三荆段为例，采用现场采样和室内试验，对膨胀土样品的颗粒分布和力学特性进行了分析，研究了两种改性加固方法不同掺和比例的加固效果，分析内摩擦角、黏聚力、剪切强度等指标的变化规律，对两种加固方案的效果进行了比较，并通过电镜扫描分析了加固后的微观结构，揭示加固机理。结果表明：MHTJ-19和MHTJ-21两个区段的膨胀土在黏性矿物成分、颗粒级配和力学参数方面一致性良好，不存在系统差异。石灰和水泥改性显著提升了膨胀土的黏聚力、内摩擦角和抗剪强度，其中水泥改性效果更佳。电镜扫描图像分析显示，这两种改性方法通过颗粒凝聚作用提高了膨胀土的力学性能和降低了膨胀性。研究成果可为重载铁路工程路基设计和维护提供参考依据。

关键词：膨胀土； 力学特性； 石灰改性； 水泥改性

中图法分类号：U213.15

文献标志码：A                   DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.009

文章编号：1006-0081（2024）03-0054-07

0引言

膨胀土膨胀和收缩的过程会产生裂缝［1-2］，对土体的抗压、抗剪、承载力等产生重要影响，给实际工程带来危害［3-4］。为了降低膨胀土地层因上拱下沉、开裂现象等对工程结构的负面影响，国内外学者［5-9］对膨胀土的改性加固技术开展了研究。在改性加固方法中，掺和水泥改性和掺和石灰改性是最为常见的两种方式。在水泥掺和改性加固方面：高建伟等［10］通过分析试验的无侧限抗压强度指标，对膨胀土掺入水泥后的改性效果进行研究；唐云伟等［11］则进一步以无侧限抗压强度为因变量，分析了其随水泥掺量等影响因素的变化情况；李星等［12］对干湿循环下的水泥改性加固膨胀土试样的动力特性开展研究；商拥辉等［13］则基于不同掺量下的水泥改性膨胀土试样，研究了改性膨胀土试样的水稳性、临界动应力等指标，并借助现场监测研究了加固路基的动力响应特征；考虑到水泥改性的局限性，Yahia等［14］采用复合掺和剂对膨胀土进行改性加固的尝试，如橡胶颗粒与水泥结合［15］、水泥碱渣结合［16］、酸碱环境结合［17］等手段进行改性加固。在石灰掺和方面：边加敏等［18］、周葆春等［19］、汪明武等［20］均对石灰改性加固膨胀土的机理和技术进行了试验研究，涵盖了宏观、微观等方面；王众等［21］对石灰联合粉土对膨胀土进行改性加固的质量控制方法开展系统研究；占世斌等［22］对坝体土进行不同掺灰比情况下的改性土试验，并推荐采用石灰掺和的膨胀土改性方案。由此可见，当前对于膨胀土的改性加固技术研究已较为系统，且存在部分关于不同改性加固技术的对比研究。然而，这些不同技术对比的研究较少以同一工程项目、一致膨胀土样品为研究对象，难以反映不同加固技术的差异。另外，不同加固技术改性加固后，对膨胀土的改性加固机理的微观特征尚缺少比较研究，故无法有效指导膨胀土的改性加固施工。

蒙-华铁路是中国最大规模的运煤专线，全长1 837 km，其中三荆段膨胀土分布约211 km，由于三荆段平均降雨量703.6～1 173.4 mm，造成矿物分解减弱，蚀变过程时间和水量充分，利于膨胀性黏土矿物形成，极易影响蒙-华铁路的安全运行。现阶段多数大型水利水电工程需匹配火电厂提供原动力和负荷调节能力，通过水火共济保证电力供应的稳定。作为煤炭等关键能源物资的运输通道，蒙-华铁路的长期运营安全对保障沿途水利水电设施稳定运行和保持相应水利水电设施可靠的供电能力意义重大。为系统研究膨胀土改性加固技术的机理以及不同改性加固技术的差异，本文以蒙-华铁路三荆段为研究对象，开展掺石灰改性加固和掺水泥改性加固对比研究。首先对TJMH-19和TJMH-21两个区段的膨胀土样开展黏土矿物成分、颗粒级配、力学参数的对比研究，以验证其一致性。在此基础上，对水泥掺和改性和石灰掺和改性的机理进行分析，并对比了不同掺和改性后试样的黏聚力、内摩擦角和无侧限抗剪强度指标，对掺和量的影响进行分析。最后，采用电镜扫描，对不同掺和方法、不同掺和量下的相同膨胀土样进行改性加固，并对比扫描电镜图像的差异，从微观角度分析改性加固机理。本文基于一致膨胀土样的不同改性加固方法对比研究，可以为工程方案选择和工法优化提供参考。

黄启友石灰與水泥改性加固膨胀土对比试验研究

1工程背景

1.1工程概况

蒙-华铁路线路起于内蒙古自治区浩勒报吉站，止于江西省吉安站，跨越蒙、陕、晋、豫、鄂、湘、赣7个省区，投资概算1 700亿元，是继大秦线（山西大同至河北秦皇岛）之后中国又一条超长距离的运煤大通道，规划设计输送能力为2亿t/a。蒙-华铁路为新建国铁Ⅰ级，电力牵引，客货混跑，浩勒报吉至荆州段为双线，岳阳至吉安段为单线并预留双线条件，设计行车速度120 km/h，全线采用全封闭、全立交设计，正线为有砟轨道，长度6 km以上隧道内铺设弹性支承块式无砟轨道。路基总长1 038.757 km、桥梁总长297.121 km（共702座）、隧道总长457.504 km（228座）。全线新建及改建车站74座、牵引变电所37座，设煤炭集输运站5座和临时煤堆场5个。2015年开始修建，2020年建成开通。与国内已建重载铁路相比，蒙-华重载铁路具有南北跨越大、线路总里程长、路基比例高达56.546%，且机车牵引力大、货运量大、建设周期短等突出特点，在中国重载货运线路中占据重要位置。

三荆段膨胀土分布约211 km，改良土填方约1 581万m3，膨胀土分布最多、最厚。由于三荆段所经地区属南阳盆地（典型膨胀土区），属北亚热带季风型大陆性气候，年平均气温14.4～15.7 ℃（7月极端气温41.4 ℃），年平均降雨量703.6～1 173.4 mm，降雨多集中在6～9月，占全年降雨量63.1%，全年其他时间干旱少雨，矿物分解减弱，蚀变过程有足够时间和水量，并易于积聚碱土金属元素，有利于膨胀性黏土矿物形成。

1.2研究区域膨胀土特性

三荆段各标段膨胀土分布特点如下，根据数据绘制三荆段各标段不同等级膨胀土分布如图1所示。

（1） DK916+000～DK1044+300段（TJMH-19区段）地处南襄盆地垄岗区，地势平缓开阔，地面标高由北至南从255 m逐渐降低至80 m。膨胀土一般厚度大于20 m，最厚可达50 m，部分地段中间夹有较厚层软至流塑状粉质黏土，一般厚3～5 m，最厚超过10 m，下伏砂砾石层。此段以中等膨胀土为主，长度约73.11 km，占比59.83%；弱膨胀土长度约14.24 km，占比11.66%；强膨胀土约34.84 km，占比28.51%。

（2） DK1044+300～DK1076+050段（TJMH-21区段）地处磨旗山和杨家大山间丘间盆地，地势较平缓开阔，地面标高60～128 m。膨胀土厚度一般不超10 m，部分地段夹有软至流塑状粉质黏土，一般厚3～5 m，下伏砂砾石层。此段以中等膨胀土为主，长度约23.05 km，占比72.60%；弱膨胀土长度约8.70 km，占比27.40%。

（3） DK1072+050～1134+690段位于宜荆丘陵区，地势起伏，地面标高80～158 m。白垩系砂岩丘坡表层覆盖薄层Q4el＋dl粉质黏土，多具弱膨胀性，一般厚1～3 m，局部最厚可达5 m。此段以弱膨胀土为主，长度约43.80 km，占比76.31%；中等膨胀土长度约13.60 m，占比23.69%。

2膨胀土特性研究

2.1不同区段膨胀土级配和成分对比

根据工程实际需要，在三荆段的不同区段，分别采用不同的改性加固技术，其中DK916+000～DK1034+000段采用水泥掺和改性加固，DK1058+800～DK1076+050段采用石灰掺和改性加固。在研究中，DK916+000～DK1034+000段膨胀土试样取自MHTJ-19标段的大山寨、黄牛种、宋岗、小薛岗等14处取土场；而DK1058+800～DK1076+050段膨胀土样则取自MHTJ-21标段千弓村、谭湾、杨河村、武安取等6处取土场。

为排除因不同取土点土样化学成分对加固效果造成的影响，本节先对比两个工段的黏土矿物含量和黏性颗粒含量、颗粒级配的异同。2个区段取土场土样的整体黏土矿物分布和颗粒级配分布如图2所示。

从图2中可知：在影响膨胀土膨胀性的黏土矿物含量方面，2个区段所取土样的黏土矿物含量分布基本一致，这说明2个区段所取土样在化学成分方面具有较好的一致性；此外，在颗粒级配方面，2个区段所取的强、中、弱膨胀土的颗粒级配也基本一致（2个区段图中对应图例为MHTJ-19和MHTJ-21）。由此可知，两个区段所取膨胀土样的一致性较好，在后续研究中可以忽略其差异对加固效果的影响。

2.2不同区段膨胀土力学参数对比

研究涉及的2个区段膨胀土在黏性矿物含量和颗粒分布上基本一致，本节将对比研究2个工段膨胀土试样的三轴不固结不排水剪（UU）试验结果，为后续加固强度对比做参考，以消除误差。

从表1可知，MHTJ-19和MHTJ-21两区段的弱、中、强膨胀土的黏聚力（c）和内摩擦角（φ）总体分布接近，这也从正面表明两区段的土样不存在力学参数、化学成分的不一致，不会给后续加固效果对比带来误差。

3膨胀土改性加固对比

3.1水泥改性加固机理

水泥掺入到膨胀土中后，会引起水泥的水解和水化反应，产生水泥水化物。一部分水泥水化物与黏土颗粒产生相互作用，水泥水化物中的氢氧化钙（Ca（OH）2）又與二氧化碳（CO2）发生碳酸化作用。经过这些反应与相互作用后，改变了膨胀土的原有性质。水泥在发生水化反应后，将生成硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·2SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）、铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）、硫酸钙（CaSO4）等化合物，这些化合物中，有的化合物自身继续硬化，形成水泥石骨架；有的则与其周围具有一定活性的黏土颗粒相互间发生离子交换和团粒化作用、凝硬反应和碳酸化作用等，最终提高膨胀土抗剪强度。

3.2石灰改性加固机理

石灰是铁路膨胀土改良技术中普遍使用的材料，生石灰的主要成分是CaO，其次是MgO。将生石灰拌入土中后，CaO马上吸水消解生成Ca（OH）2，即熟石灰。在熟化过程中，可吸水，发热，膨胀，但是由于石灰掺量较少所以真正的膨胀力很小。生石灰完全消解后生成了Ca（OH）2，则可与膨胀土中的黏土颗粒发生离子交换、凝硬反应和碳酸化反应，从而使膨胀土得到改良。膨胀土中掺水泥、石灰等，均能提高强度，减少膨胀率。就改良效果而言，石灰在降低土的膨胀率方面比水泥更为有效，而水泥则能显著增加土的强度。

需要注意的是，膨胀土中掺石灰后尽管能显著减小其塑性指数和大大弱化其膨胀性能，但并非掺入石灰越多效果越好，当石灰掺量超过某一值后，过多的石灰在土中自由存在，反而会导致其力学性质变差。因此，其掺灰率应通过物理与力学性质、胀缩性、水稳性等试验来确定。

3.3改性加固效果对比

对各区段内常见的中膨胀土分别开展水泥掺和改性和石灰掺和改性加固试验。水泥掺和改性试验，选自其中具有代表性的来自同一个地方2个取样点的土样（MHTJ-19的1号和2号试样），测量了不同掺和量下的黏聚力、内摩擦角、饱和无侧限抗压强度，并与采用生、熟石灰掺和的MHTJ-21区段的两批不同掺和量的样品进行对比，如图3所示。

对于水泥加固样品，当膨胀土中掺入水泥改良剂后，抗剪强度得到了明显的提升，说明水泥的掺入对水泥改良土的抗剪强度影响显著。并且，随着水泥掺量的增加，抗剪强度逐渐增大，当水泥掺量为3%时，改良膨胀土的黏聚力由素土的40 kPa左右增大至139～182 kPa，增长幅度近3～5倍，内摩擦角增长了约15%～35%；当水泥掺量为4%时，黏聚力达到了201～204 kPa；当水泥掺量为5%时，黏聚力达到了244～291 kPa，总增长幅度达到了5～7倍，内摩擦角的增长幅度为1.3～1.9倍。饱和抗压强度得到了明显的增长，说明水泥的掺入对水泥改良土的饱和抗压强度影响显著，且随着水泥掺量的增加，饱和抗压强度逐渐增大。对于沙湾中膨胀土，当水泥掺量为3%时，改良膨胀土的饱和抗压强度为1 210 kPa，当水泥掺量为5%时，饱和抗压强度达到了1 840 kPa，增长幅度约为1.52倍。水泥改性的机制在于水泥拌入土体后发生系列水解与水化反应，由于膨胀土在微观结构及水分空间分布上具有一定的随机性与非均质性，导致水泥改性效果往往也表现出一定的非均质性，所以在相同的处置措施下可能表现出较大的力学性能差异，如图3（c）所示，但是即便如此，依然可以看出采用水泥改性的效果明显优于石灰的改性效果。

对于石灰掺和改性试样，石灰能大幅增强膨胀土的抗剪强度，主要表现在黏聚力的大幅增加以及内摩擦角的少量增大。具体而言，改良后弱膨胀土的黏聚力增加31.3～66.2 kPa，内摩擦角增加到4°～9°，中膨胀土的黏聚力增加30.7～74.0 kPa，内摩擦角增加7°～21°。此外，土体膨胀性越强，石灰改良的效果越好，黏聚力和内摩擦角在掺灰率为5%左右时存在明显拐点，到达拐点后，强度增加缓慢，甚至不变。在膨胀土中掺入石灰能有效提高其无侧限强度，具体表现为试样的饱和无侧限强度上升至原来的5～11倍。分析图3数据可见，虽然熟石灰和生石灰的改性对于石灰的掺和改性结果十分接近，但是在部分工况中（如采用2%的掺量），生石灰的改良效果优于熟石灰的改良效果。膨胀土的7 d无侧限抗压强度及饱和无侧限抗压强度随含灰率的增加而明显增大，但当土体含灰率在5%以后，掺入石灰对于其无侧限强度的提高将变缓。

综上可知，对于所研究的试样，掺入水泥对膨胀土的改性效果好于掺和石灰改性的试样。掺和水泥改性的试样在黏聚力、饱和无侧限抗剪强度优于掺和石灰的试样，而两种掺和方式在内摩擦角加固方面的效果无显著差别。为提升膨胀土的承载力等指标，最后采用掺和水泥改性的方法对其进行加固。

4扫描电镜结果比较

对获取的弱膨胀土样品，分别掺入3.5%的石灰和水泥，以及掺入5%的石灰和水泥，并对掺和前后的样品进行电镜扫描，所得结果如图4所示。由于膨胀土的膨胀性从微观上来看主要是由于面-面叠聚体的黏土片大量紧密聚集而导致，从图中可以发现，掺入水泥进行改良后，膨胀土中出现了众多细小颗粒，包括颗粒基质、团聚体及连结物，而片状和扁平状颗粒大幅减少甚至消失，颗粒边缘呈不规则形状，颗粒间紧密接触，微裂隙减少，这是由于掺入水泥后，通过离子交换等作用可以改善原片状黏土颗粒的亲水性，且水泥本身具有絮凝作用及团粒化效应，易在颗粒表面形成团聚体。对比掺入石灰后的改良效果，虽然石灰对膨胀黏土颗粒有类似的絮凝作用，但根据电镜扫描照片可见，掺入石灰后的膨胀土片状颗粒表面团聚结构明显较为粗糙，存在较大的间隙，密实度较差，可见其土性改善效果逊色于采用水泥改性样品。此外，对比掺入不同剂量改良剂的膨胀土样电镜扫描结果可以发现，改良剂掺入比例越高，无论采用水泥还是石灰作为掺料，团聚状结构均更加明显。其中，采用水泥改性的团聚结构粒径未有显著变化，并且依然保持较高的密实度，故掺料增加对改性效果提升影响显著。然而，采用石灰改性的团聚结构粒径有明显变化，并引入了更多的孔隙结构，故虽然其团聚结构有所增加，其改性效果却没有对应显著增长。上述观测结果表明，采用水泥改良膨胀土整体效果更加显著，而采用石灰改性在掺和量较高时未能继续提升改性效果，加固效果不及水泥掺入加固的膨胀土。

5结论

本文通过室内力学试验、试验加固、电镜扫描和数据分析，对采用掺入石灰改性加固和掺入水泥改性加固膨胀土的加固机理和加固效果进行了对比分析，主要结论如下。

（1） 三荆段MHTJ-19和MHTJ-21两区段的膨胀土在黏性矿物成分、颗粒直径、力学参数等指标上均不存在显著差异，两区段的土样一致性较好。

（2） 掺和水泥改性的试样在黏聚力、饱和无侧限抗剪强度优于掺和石灰的试样，而两种掺和方式在内摩擦角加固方面的效果無显著差别。掺和石灰试样在石灰含量超过5%时，无侧限抗剪强度提升缓慢。

（3） 扫描电镜观察结果表明：采用水泥改良膨胀土能有效改善膨胀土内部结构，具有较好的改性加固效果。相比之下，当石灰掺入量较高时，其改性加固效果受到限制，未能达到水泥掺入加固的水平。

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（编辑：高小雲，唐湘茜）

Comparative study on lime and modified cement expansive soil

HUANG Qiyou

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China）

Abstract： In order to study the effect of lime and cement soil modification on expansive soil，taking Sanjing section of Meng-Hua railway as an example，the particle distribution and mechanical properties of expansive soil samples were analyzed by field sampling and laboratory tests.The effects of two kinds of modified reinforcement methods with different blending ratios were studied，and the variation of internal friction angle，cohesion and shear strength were analyzed.Moreover，the micro-structure of the reinforced concrete was analyzed by SEM，and the mechanism of the reinforced concrete was revealed.The results showed that the consistency of clay mineral composition，particle size distribution and mechanical parameters of expansive soils in sections MHTJ-19 and MHTJ-21 were good，and there was no systematic difference.The cohesion，internal friction angle and shear strength of expansive soil were improved by lime and cement soil modification，but the effect of cement modification was better.The analysis of SEM images showed that the mechanical properties of expansive soil were improved and the swelling property was reduced by both methods through particle agglomeration.The research results can provide a reference for the design and maintenance of roadbed of heavy-haul railway engineering.

Key words： expansive soil； mechanical property； lime modification； cement modification