摘要:对石灰改良膨胀土机理、物理力学性质的研究现状进行了综述，总结出石灰改良后膨胀土的物理力学特性明显改善,胀缩性降低或消除，收缩变形减少，强度增强，压缩性降低；影响石灰改良效果的主要因素为:灰剂量、龄期、含水率、养护条件等。并指出了需要进一步开展研究的问题。
关键词:石灰改良膨胀土；物理力学特性；改良效果；影响因素
1 前言
膨胀土在我国分布广泛，在一些地方，由于缺少可直接用于路基的筑路材料，被迫利用当地的膨胀土来填筑路基，而膨胀土具有吸水膨胀和失水收缩的不良特性，如果处理不当，路基将会出现膨胀变形，导致路面发生破坏，威胁到道路的安全运营。因此，膨胀土如用作路基填筑填料，必须经过改良处治。
利用石灰进行改良是应用较多的膨胀土改良方法之一，掺入石灰后膨胀土的物理力学特性明显改善，可以达到路基填筑的要求。目前许多学者对石灰改良膨胀土的物理力学性质进行了研究，并取得了一定的成果。
2石灰改良膨胀土物理力学研究
膨胀土具有吸水后膨胀、软化，强度降低；失水后收缩、开裂等工程特性。
《公路路基设计规范》(JTGD30-2015)提出了以自由膨胀率为膨胀土的初判指标，以标准吸湿含水率为详判分级指标，膨胀土用作路基填料时应以击实膨胀土的胀缩总率作为分类指标。同时规定，当采用弱、中等膨胀土作为填料时，应进行掺无机结合料处理，处置后的膨胀总率不得超过0.7%。可见，路用石灰改良膨胀土的改良效果应重点研究改良土的自由膨胀、标准吸湿含水率、胀缩总率以及强度等。当前国内针对石灰改良膨胀土物理力学性质的研究主要包括改良土的胀缩性、强度及其他物理性质研究。
2.1 石灰改良膨胀土胀缩性研究
膨胀土吸水后膨胀失水后收缩，产生的胀缩变形较大，可能对工程结构物
造成的较大的危害。体现膨胀土胀缩变形的指标主要有无荷膨胀率、有荷膨胀率、自由膨胀率，膨胀力，收缩率等。
膨胀土在掺入石灰后的无荷膨胀率、有荷膨胀率、自由膨胀率和膨胀总率降
低，膨胀力减小，且随着灰剂量的增加而减小，达到一定的灰剂量后降低速度缓慢最终趋于稳定[1、2、3、4]。
石灰改良后，自由膨胀率在最初的20h降低幅度最大，以后逐渐趋于稳定，在75h以后基本保持不变[2]。随着龄期的增加，改性膨胀土的无荷膨胀率减小，膨胀力降低[5]。
余湘娟[6]等人对江苏淮阴地区的膨胀土路基填料研究发现石灰改良土收缩界限、收缩率和收缩系数有了较大幅度的减小，可见掺石灰能降低收缩变形。
2.2石灰改良膨胀土的强度研究
改良膨胀土强度的研究主要包括压缩性、抗剪强度(C、Ф)、无侧限抗压强度、CBR强度等的研究。
在膨胀土中掺入石灰改良后改善了膨胀土的压缩性，土的压缩系数降低，压缩模量增加[7]。压缩模量在改良土处于最佳含水率情况下达到最大值，压缩系数在改良土处于情况下达到最小值[8]。另外，改性土的压缩系数随着养护时间的增加而减小[5]。
石灰改良膨胀土的强度随灰剂量的增加而增大，改良土的C值有明显的增长，Ф值变化不大[9]，当石灰的含量超过一定数量后，C值提高不大甚至降低，表明存在最优石灰掺和比[6]。石灰改良土早期的强度有较快的增长，随后增长缓慢，但增长并未终止，具有明显的龄期效应[7]，随着时间的增加，C值在3~15天内变化最快，后趋于缓慢；内摩擦角的变化甚小[10]。。另外，殷琦[11]研究了初始含水率对改良膨胀土的无侧限强度的影响，研究表明，初始含水率对改良膨胀土的强度增加影响明显，初始含水率较低时强度增加较缓慢。
石灰改良后膨胀土的CBR值显著提高，随着灰剂量的增加而增大，当掺灰量达到一定的比例时，则明显减缓[12]。石灰土的CBR值随着龄期而变化，前期增加幅度较大，随后逐渐减小[2]。此外，边加敏[2]对掺加不同灰剂量的石灰土进行不同施工含水率的试验发现：在一定掺灰率下，其CBR值与含水率关系曲线类似于击实曲线，存在最优施工含水率。
2.3 石灰改良膨胀土的物理性质研究
改良后的膨胀土液限、塑限降低或升高，塑性指数降低[1、2、3、7、9]。土的液限、塑限为土状态变化的界限含水量，与特定土体的性质有关。掺入石灰后发生了一系列的物理化学反应，土的含水率降低，同时减少土中粘粒比例，使得粘性降低，便于粉碎土体及石灰的拌和施工。塑性指数降低说明土可塑性减弱，这是由于掺入石灰后，发生离子交换、絮凝反应及碳酸化作用、结晶作用[13]，土中颗粒的级配发生了改变，土的结构发生了变化，粘粒含量减少，粘土矿物的亲水性降低。塑性指数的降低体现了掺石灰对膨胀性改善效果。
3 影响石灰改良膨胀土效果的主要因素
大量研究表明，石灰掺入膨胀土后发生了一系列的物理化学反应，掺入石灰后膨胀土的物理力学特性明显改善，胀缩性降低或消除，收缩变形减少，强度增强，压缩性降低。石灰改良效果受到灰剂量、龄期、含水率、养护条件以及施工控制等诸多因素的影响，其中，灰剂量、龄期、含水率为重要的影响因素。
在土中掺入石灰后，石灰与水反应生成Ca(0H)2及Mg(0H)2，Ca(0H)2、Mg(0H)2水解的Ca2+、Mg2+离子与膨胀土中的Na+、K+离子发生置换反应，降低了黏土颗粒表面的负电荷，从而降低黏土颗粒的吸附能力，减少了黏土颗粒的水膜层厚度，缩小了黏土矿物颗粒间的距离，当黏土颗粒的间距缩小到一定距离时，黏士颗粒会发生结团，使得膨胀土的膨胀性降低，强度提高，尤其是早期的效果最明显。
随着石灰掺量和龄期的增加，Ca2+、Mg2+离子与Na+、K+离子的置换反应逐渐放缓甚至完成，但是多余的Ca(OH)2、Mg(OH)2与空气中的CO2反应，生成CaCO3和MgCO3等具有较高强度的化学物质；此外多余的Ca(OH)2、Mg(OH)2与水反应形成结晶，这些结晶也具有较高的强度。以上两个过程相对较慢，因此石灰改良土在一定的时间内强度仍会增加。
从石灰加入到膨胀土后发生的一系列物理化学反应来看，水充当了很重要的角色，石灰需要水的参与才能生成Ca(OH)2、Mg(0H)2，这是之后的一系列物理化学反应的前提，另外结晶反应也需要大量的水参加。可见，石灰改良土需要达到一定的含水率，否则将没有足够的水分为上述化学反应提供支持，石灰改良土的胀缩性就不能得到改善，强度就不能得到增强。但是如若含水率过大，上述化学反应不能完全消耗完土体中的水分，多余的水反而降低了石灰改良土的强度。
可见，石灰改良土的灰剂量并非越大越好，在含水率一定的情况下，存在最佳掺灰量；同样，当灰剂量一定的情况下，土中水达到最佳含水量时改良效果最明显，由于各地膨胀土具有差异性，故应通过实验确定最佳的掺灰量和施工最佳含水量。此外，改良土的胀缩性、强度具有明显的龄期效应，胀缩性降低、强度增强在早期较为明显，尤其是在相当长的时间内强度任然在增强，因此膨胀土改良施工后应将强养护并达到一定的期限后方可进行后续施工。
4 展望
国内在石灰改良膨胀土的机理、影响石灰改良效果的因素、石灰改良土的物
理力学性质等方面进行了较深入的研究，但在以下几方面有待进一步的研究。
(1)《公路路基设计规范》(JTGD30-2015)（下文称“规范”）规定液限大于50%，塑性指数大于26的细粒土不得直接作为路基填料，而许多研究结果表明石灰改良后的膨胀土液限降低或升高，该问题需要开展进一步的研究。
(2)《规范》以标准吸湿含水率作为膨胀土的详判分级指标，目前对石灰改良土
的吸湿含水率研究还比较少。
(3)石灰掺入量、养护龄期与无侧限抗压强度是否成线性关系；石灰掺入量、养护龄期与内摩擦角、粘聚力是否成线性关系，需要进行进一步的研究。
(4)研究表明，石灰的掺入量对改良膨胀土效果影响很大，但如何在施工中准
确控制掺入量及拌和效果有待研究。
(5)不同的路基填筑高度与石灰改良土应达到的改良效果之间的关系还有待研究。
5 结语
本文对石灰改良膨胀土机理的研究情况、物理力学性质研究现状进行了综述，
总结出石灰改良后膨胀土的物理力学特性明显改善，膨胀土的胀缩性降低或消除，收缩变形减少，强度增强，压缩性降低；影响石灰改良效果的主要因素为:灰剂量、龄期、含水率、养护条件等。并指出了需要进一步开展研究的问题。
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作者简介:庞赞龙(1978-)，男，汉族，广西博白人，高级工程师，大学本科，主要从事道路交通设计工作。