摘 要

膨胀土主要由亲水性矿物组成，比表面积很大，对含水率变化非常敏感，胀缩性显著，是典型的灾害性土。石灰能从本质上改良膨胀土的工程特性并兼具经济、施工方便等优点，其已被广泛用于膨胀土地基处理；水玻璃中的硅酸盐能在水中以真溶液和胶体溶液并存的体系存在，具有黏附力强、胶结性能好的特点，其与黏土矿物必定也会发生一定的化学作用或物理化学作用，这方面的研究较少，有必要进行探讨。

本文针对湖北省荆门市沙洋县中膨胀土的特性，采取室内试验、理论分析等方法，对膨胀土进行了液塑限试验、自由膨胀率试验，并选用不同掺量的石灰和水玻璃分别对膨胀土进行改良，实施自由膨胀率试验，采用扫描电镜（SEM）研究膨胀土的微观结构形貌，基于能谱技术（EDX）分析膨胀土与石灰改性膨胀土的胶结成分，取得以下成果：

1. 石灰对膨胀土的改良效果显著，石灰掺量增加，改良土的自由膨胀率减小，当石灰掺量为4～7%时，自由膨胀率变化不大，而后随掺量增加呈先增加后减小的趋势，且掺量约为5%时效果最佳。
2. 膨胀土的微结构显示扰动的层流结构、紊流结构、胶粘式结构、粒状堆积结构等多样性特征，石灰改性膨胀土主要呈现粒状堆积结构。膨胀土经石灰处理后，增加膨胀土颗粒胶结物中的Ca² 离子含量，从而降低其胀缩性。
3. 水玻璃对膨胀土的改良具有一定的效果，但较为有限，随着水玻璃掺量的增加，改良土的自由膨胀率快速降低，但当掺量超过2.5%时，改良效果几乎达到极限，其最佳掺量约为2.5%。
4. 石灰掺量超过2%后，改良土的自由膨胀率便降至40%以下；水玻璃掺量超过2.5%后，改良土的自由膨胀率便降至50%左右；石灰对膨胀土的改良效果比水玻璃的更好。

关键词：膨胀土、化学改良、石灰、水玻璃、自由膨胀率

Abstract

Expansive soil is mainly composed of hydrophilic minerals, with a large specific surface area, it is very sensitive to the change of water content, and it has obvious swelling and shrinking properties. It is a typical disaster soil. Lime can essentially improve the engineering characteristics of expansive soil and has the advantages of economy and convenient construction. It has been widely used in the treatment of expansive soil foundation; the silicate in water glass can coexist in water with true solution and colloidal solution. The system exists, which has the characteristics of strong adhesion and good cementation performance. It must also have certain chemical or physicochemical interactions with clay minerals. There are few studies in this area, and it is necessary to discuss.

In this paper, based on the characteristics of expansive soil in Shayang County, Jingmen City, Hubei Province, laboratory tests, theoretical analysis and other methods were adopted to perform liquid-plastic limit test and free expansion rate test on expansive soil, and different amounts of lime and water glass were selected respectively. The expansive soil was improved, the free expansion rate test was carried out, the microstructure and morphology of the expansive soil were studied by scanning electron microscopy (SEM), and the cemented components of the expansive soil and lime-modified expansive soil were analyzed based on energy dissipate X-ray (EDX) technique and the following results were obtained :

(1) The improvement effect of lime on expansive soil is significant, the amount of lime increases, and the free expansion rate of improved soil decreases. When the amount of lime is 4 to 7%, the free expansion rate does not change much, and then increases with the increase of the amount The trend of increasing first and then decreasing, and the effect is best when the dosage is about 5%.

(2) The microstructure of the expansive soil shows diverse characteristics such as disturbed laminar structure, turbulent structure, adhesive structure, and granular accumulation structure. The lime-modified expansive soil mainly exhibits granular accumulation structure. After the expansive soil is treated with lime, it increases the Ca² content in the expansive soil particle cement, thereby reducing its swelling and shrinking properties.

(3) Water glass has a certain effect on the improvement of expansive soil, but it is relatively limited. With the increase of the content of water glass, the free expansion rate of the improved soil decreases rapidly, but when the content exceeds 2.5%, the improvement effect is almost achieved In the limit, the optimal dosage is about 2.5%.

(4) After the lime content exceeds 2%, the free expansion rate of the improved soil drops below 40%; after the water glass content exceeds 2.5%, the free expansion rate of the improved soil decreases to about 50%. The improvement effect of soil is better than that of water glass.

Keywords: expansive soil, chemical improvement, lime, water glass, free expansion rate

目录

摘要 1

Abstract 2

第一章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 膨胀土判别 1

1.3 膨胀土的基本工程性质 2

1.4 国内外研究现状 2

1.5 研究目的和意义 5

1.6 研究内容和技术路线 5

1.6.1 研究内容 5

1.6.2 技术路线 5

第二章 材料与方法 7

2.1 试验材料 7

2.1.1 试验用土 7

2.1.2 改性材料 7

2.2 试验方法 8

2.2.1 试样制备 8

2.2.2 试验仪器 8

2.2.3 试验指标的选取 9

2.2.4 试验方案 10

第三章 结果及分析 12

3.1 膨胀土的界限含水量 12

3.2 石灰改性膨胀土 13

3.2.1 自由膨胀率 13

3.2.2 改性机理 13

3.2.3 微观结构特征 15

3.2.4 EDX分析 16

3.3 水玻璃改良膨胀土 17

3.3.1 自由膨胀率 17

3.3.2 改良机理 17

3.4 石灰、水玻璃改良膨胀土的对比 18

第四章 结论与展望 19

4.1 结论 19

4.2 展望 19

致谢 20

参考文献 21

第一章 绪 论

1.1 概述

膨胀土由多种亲水矿物质组成，具有裂隙性、胀缩性、超固结等特征。由于膨胀土遇到水会表现出膨胀和收缩特性，所以性质非常不稳定，这种不稳定的特征常常对建设项目产生很多不利的影响，并且造成巨大的损害。这些损害不仅包括经济上的损失，而且还包括对生命安全的损害。虽然这些损害仅在水分含量变化时才会出现，但是由于建筑工作通常在室外环境中进行，所以在恶劣天气的影响下，膨胀土的水分含量就会发生变化，建造在膨胀土上的建筑物就会存在严重的潜在危险。据统计数据表明，每年因膨胀土造成的工程灾难和人员伤亡数量巨大，据不完全统计，这些灾害造成的直接经济损失已达到了150亿元。

膨胀土分布广泛，遍布全球40多个国家，分布最广的是美国、中国和南非等国家。以中国为例，膨胀土在中国的大部分地区都可以发现，包括云南、广西以及华北和长江的中下游等地区。据统计，我国有22个省、自治区都存在膨胀土的分布，覆盖面超过10万平方公里，大范围的膨胀土对中国超过3亿人的居住地都产生了影响。

在国家建筑业发展的初期，还可以避开膨胀土来建造必要的建筑物，但是随着建筑业的不断发展，对土地的需求也在不断增加，避开膨胀土变得不切实际，因此许多建筑物必须在膨胀土上建造，而且膨胀土对建设项目以及建设项目的所有子项目（地基，地下室和隧道等）都会产生很大的影响，因此人们必须改变膨胀土的胀缩特性来保证上部结构的稳定性和安全性。为了使膨胀土满足建筑施工要求，必须进行膨胀土改良。并且据报道，膨胀土对建筑物尤其是轻型建筑物以及对人行道的破坏，远大于其他自然灾害比如地震和洪水等对建筑物所造成的破坏。世界上还有很多其他国家，包括美国、土耳其、埃及、印度、南非和澳大利亚等对膨胀土造成的破坏进行了报告，报告显示每年因膨胀土破坏而引发的修理费用高达数十亿美元。因此对膨胀土进行改良已成为工程建设中亟待解决的问题。当前有三种最常用的处理方法：换土法，改良法和桩基础法，但是，换土法和桩基础的方法需要相对较高的资金，并且难度系数也较高。在这样的背景下，许多专家和学者对于膨胀土改良进行了大量的研究。

1.2 膨胀土判别

《公路路基设计规范》（JTG D30-2004） 以自由膨胀率为标准初步对膨胀土进行判定，对膨胀土的进一步判定则以标准吸湿含水率为标准。膨胀潜势分级方面，一般应参考《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011），分级标准如表1.1所示。