堿渣改良膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)研究

孫樹林 ，鄭青海， ，唐 俊， ，張淦鈺， ，周立國(guó)， ，尚文濤

（1. 河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2. 河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098；3. 中國(guó)水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)沙 410014；4. 安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，合肥 230088；5. 江蘇省國(guó)土資源信息中心，南京 210029； 6. 安徽省電力設(shè)計(jì)院，合肥 230601；7. 河海大學(xué) 土木工程與交通學(xué)院，南京 210098）

1 引 言

膨脹土是一種具有超固結(jié)性、裂隙性、吸水顯著膨脹軟化和失水收縮開裂特性的高塑性黏土，常常使得公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、水利工程等工程建筑遭到巨大的破壞。因此，如何改良膨脹土成為該領(lǐng)域的突出問題。目前特殊土的改良方法[1－4]已有多種，特別是利用固體廢棄物改良特殊土[5－7]及其對(duì)環(huán)境影響的研究[8－9]成為熱門話題，但利用堿渣改良膨脹土的研究成果還鮮有報(bào)道。

堿渣是一種工業(yè)廢料，是氨堿法制堿生產(chǎn)過程中排放的廢棄物，據(jù)統(tǒng)計(jì)每生產(chǎn)1 t 純堿，排放大約10 m3廢液，其中含廢渣約300～600 kg。堿渣的排放堆積不僅占用了大量的土地，還造成了環(huán)境和水體的污染。但堿渣中含有大量的CaCO3、CaO 可作為改良膨脹土的有效礦物成分，且堿渣在路基填墊方面已做出成功的研究。因此，本文考慮利用堿渣對(duì)膨脹土的基本物理力學(xué)性質(zhì)、膨脹性等進(jìn)行改良研究，探討堿渣改良膨脹土的可行性，為今后的工程應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

土樣采集于南京市衛(wèi)崗地區(qū)，取土深度為1.6～2.0 m，棕黃色粉質(zhì)黏土，呈硬塑狀態(tài)，其基本物理特性見1，礦物成分全量化學(xué)分析結(jié)果見表2。

表1 膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo) Table 1 Indexes for physical characteristics of expansive soils

從表1 可以看出，素土的液限為48.1%，自由膨脹率為51%，按文獻(xiàn)[10]推薦的判別方法進(jìn)行分類，屬于弱膨脹土。

堿渣取自天津堿廠，主要礦物成分為CaCO3、CaO、SiO2等，將堿渣浸泡在溶液24 h 后進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，其主要離子成分是Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-、Cl-，pH 值為9.2。其化學(xué)成分見表2。

表2 膨脹土和堿渣的化學(xué)成分 Table 2 Chemical components of expansive soil and soda residue

從圖1 中堿渣的顆粒級(jí)配曲線可以看出，試驗(yàn)所用的堿渣就其顆粒大小和顆粒組成而言，堿渣中0.005～0.075 mm 占60%左右，類似于粉土。

試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[11]進(jìn)行。文中摻堿渣率wJ是指堿渣質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。進(jìn)行膨脹土改良試驗(yàn)時(shí)，先按比例稱一定的堿渣和膨脹土土樣，均勻混合后，用量筒稱取一定量的水摻入渣土混合物，均勻攪拌后悶料24 h 后再進(jìn)行制樣，然后按照規(guī)程進(jìn)行改良試驗(yàn)，力學(xué)試驗(yàn)均是采用經(jīng)過7 d 養(yǎng)護(hù)齡期的土樣。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 摻堿渣對(duì)膨脹土物理性質(zhì)指標(biāo)的影響

為了將堿渣改性土與素土進(jìn)行物理性質(zhì)指標(biāo)的對(duì)比，本文進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)、阿太堡界限試驗(yàn)以及相對(duì)密度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～3 所示。

圖1 改性土的顆粒級(jí)配曲線 Fig.1 Particle size distributions of improved soils

圖2 摻渣率與阿太堡界限的關(guān)系 Fig.2 Relations between Atterberg limits and soda residue content

圖3 摻渣率與相對(duì)密度的關(guān)系 Fig.3 Relation between relative density and soda residue content

從圖1 可以看出，隨著摻渣率的增加，堿渣改性土中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷降低，而粉粒和砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加。從顆粒級(jí)配曲線來(lái)看，改性土的不均勻系數(shù)Cu=11.67～18.00，曲率系數(shù)Cc=1.24～1.56，級(jí)配良好。粉粒和砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加驗(yàn)證了堿渣和膨脹土之間存在離子交換作用，生成絡(luò)合物使土粒凝聚，顆粒變粗，并且堿渣本身就是一種無(wú)黏性的類似于粉土的材料，堿渣含量的增加可有效降低黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，起著降低膨脹勢(shì)的作用。

圖2 為摻堿渣后阿太堡界限的變化曲線，隨著摻渣率的增加，改性土的液限降低，塑限增加，導(dǎo)致其塑性指數(shù)不斷減小。當(dāng)摻渣率為30%時(shí)，液限降低到40%以下，塑性指數(shù)遠(yuǎn)小于18。此時(shí)可認(rèn)為摻渣率為30%的改性土顆粒的膨脹性大大降低。因此，摻堿渣對(duì)膨脹勢(shì)的降低和膨脹的抑制作用是顯而易見的。

從圖3 可以看出，堿渣改性土的相對(duì)密度隨著摻渣率的增加而降低，這是因?yàn)閴A渣的相對(duì)密度比膨脹土的相對(duì)密度小。

3.2 摻堿渣對(duì)膨脹土膨脹性的影響

針對(duì)膨脹土的膨脹特性，本文對(duì)不同摻渣率的改性土進(jìn)行了自由膨脹率試驗(yàn)和有荷膨脹量試驗(yàn)，以探討改性前后膨脹性的變化。

從圖4 可以看出，隨著摻渣率的增加，改性土的自由膨脹率顯著降低。當(dāng)摻渣率為30%時(shí)，改性土的自由膨脹率為7%，遠(yuǎn)低于40%，因此，可認(rèn)為摻渣率為30%的改性土顆粒膨脹性大大降低。

膨脹土的膨脹總率反應(yīng)了膨脹土的黏土礦物成分和結(jié)構(gòu)特征，一般近似認(rèn)為，膨脹總率為50 kPa壓力下的膨脹量。由圖5 可知，同一摻渣率的改性土，隨著上覆壓力的增大，膨脹量逐漸減??；同一壓力下，隨著摻渣率的增加，膨脹量也顯著降低。當(dāng)摻渣率為30%時(shí)，膨脹總率為0.13%，遠(yuǎn)小于0.7%，此時(shí)可認(rèn)為摻渣率為30%的改性土滿足規(guī) 范[12]對(duì)路基填料的要求：“若采用弱膨脹土作為路床填料時(shí)應(yīng)經(jīng)改性處理后方可填筑，改性后的膨脹總率不得超過0.7%”。

3.3 摻堿渣對(duì)膨脹土力學(xué)性質(zhì)的影響

3.3.1 擊實(shí)特性

從圖6 可知，改良前素土的擊實(shí)曲線比較陡，峰值明顯，若使壓實(shí)度達(dá)到95%，含水率必須控制在18%～21%；而堿渣改性土的擊實(shí)曲線比較平緩，峰值不明顯，若使壓實(shí)度達(dá)到95%，含水率可控制在15%～23%。這說明了堿渣改性土的水穩(wěn)定性較素土明顯增強(qiáng)，可以在相當(dāng)大的一個(gè)含水率范圍內(nèi)碾壓至最大干密度，減小了施工難度。

圖4 摻渣率與自由膨脹率的關(guān)系 Fig.4 Relation between free swell index and soda residue content

圖5 摻渣率與有荷膨脹量的關(guān)系 Fig.5 Relations between swelling capacity and soda residue content

圖6 摻渣率與擊實(shí)曲線的關(guān)系 Fig.6 Relations between compaction curves and soda residue content

從圖6 還可以看出，最大干密度隨著摻渣率的增加逐漸降低；最優(yōu)含水率隨著摻渣率的增加先降低后升高。最大干密度的降低是由于堿渣的相對(duì)密度比膨脹土的相對(duì)密度小。最優(yōu)含水率變化是因?yàn)樵趽皆市∮?0%時(shí)，土顆粒與堿渣的離子交換作用，使得改性土在外界擊實(shí)功的作用下更容易密實(shí)，導(dǎo)致改性土的最優(yōu)含水率減?。划?dāng)堿渣量超過30%以后，因?yàn)閴A渣的本身的膠凝性不高，過多地?fù)饺雺A渣反而使得改性土難以擊實(shí)，導(dǎo)致最優(yōu)含水率升高。

3.3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

如圖7 所示，同一摻渣率下，隨著壓實(shí)度的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增加；同一壓實(shí)度下，隨著摻渣率的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加后降低，在摻渣率為30%時(shí)出現(xiàn)峰值。這表明膨脹土路基的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要滿足規(guī)范[13]要求的800 kPa，必須要有足夠的壓實(shí)度。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在峰值點(diǎn)是因?yàn)?，在達(dá)到最佳摻渣率之前，堿渣和膨脹土之間發(fā)生硬凝反應(yīng)，增加了膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；當(dāng)摻渣率超過30%后，過多的堿渣反而是相當(dāng)于增加了本身無(wú)黏聚力的粉土材料。

圖7 摻渣率與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系 Fig.7 Relations between the content of soda residue and unconfined compression strength

3.3.3 抗剪強(qiáng)度

通過直接剪切試驗(yàn)做出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如圖8所示。可以看出黏聚力隨著摻渣率的增加先增加后減小，在摻渣率為30%時(shí)出現(xiàn)峰值；而內(nèi)摩擦角變化不大。

黏聚力由素土?xí)r的87 kPa增加到摻渣率為30%改性土的123 kPa，增加了41%，得到了顯著提高，這是堿渣和膨脹土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新的絡(luò)合物增加了密實(shí)度的結(jié)果。而內(nèi)摩擦角隨摻渣率的變化一直在30°左右，變化不大，是因?yàn)樗赝令w粒的摩擦以及鑲嵌作用產(chǎn)生的摩阻力和改性土顆粒之間產(chǎn)生的摩阻力大致相等。

3.3.4 養(yǎng)護(hù)齡期

從圖9 中可以看出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅增加了3%～5%，這表明了隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，堿渣對(duì)改性土的后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，僅僅是堿渣顆粒內(nèi)的文石向方解石的轉(zhuǎn)變逐漸趨于穩(wěn)定，強(qiáng)度稍有增加。

圖9 養(yǎng)護(hù)齡期與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系 Fig.9 Relations between curing age and unconfined compression strength

4 堿渣改性膨脹土原理的探討

堿渣是一種孔隙大、顆粒細(xì)的固體材料，由表1 可知，堿渣的主要成分是CaCO3、CaO 和SiO2，其中CaCO3成分占43.65%，可作為改性土的骨架。由圖7、8 可見，堿渣的摻入使得改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著提高，抗剪強(qiáng)度也增加了41%，且堿渣中細(xì)分散的 CaCO3與 Ca(OH)2生成絡(luò)合物CaCO3Ca(OH)2，該絡(luò)合物與膨脹土中含有的SiO2生成新的復(fù)合絡(luò)合物CaSiO3?CaCO3?Ca(OH)2?nH2O，該復(fù)合絡(luò)合物的存在影響了孔隙的分布，具有減少吸水率、增加密實(shí)度的作用。

堿渣中的氧化物CaO 和SiO2可生成水化硅酸鈣CaO?SiO2?nH2O，該絡(luò)合物在土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中是很好的膠凝材料，可以在空氣中硬化而獲得較高的強(qiáng)度，隨著反應(yīng)的進(jìn)行強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

從圖2 可以看出，堿渣溶液中存在大量的Ca2+通過離子交換作用置換出黏土顆粒中的Na+與K+，使得改性土的液限大幅度降低，塑限升高，有效降低土的塑性指數(shù)，進(jìn)而降低土的膨脹勢(shì)；并且堿渣的pH 值為9.2，土的pH 值的上升也相應(yīng)增加了離子的交換量。

5 結(jié) 論

（1）隨著摻渣率的增加，堿渣改性土中粉粒和砂粒的含量不斷增加，黏粒的含量不斷減少，進(jìn)而有效降低液限和塑性指數(shù)，從而降低膨脹土的膨脹勢(shì)。

（2）膨脹土中摻入堿渣，可有效抑制膨脹土的膨脹性，膨脹土的自由膨脹率和膨脹總率隨著摻渣率的增加而顯著降低。試驗(yàn)表明，在摻渣率為30%時(shí)，膨脹土顆粒的膨脹性大大降低。

（3）堿渣改性土的擊實(shí)曲線較素土平緩，可擊實(shí)含水率范圍較之素土寬，水穩(wěn)定性較素土顯著提高，大大降低了施工難度。堿渣改性土的最大干密度隨摻渣率的增加而降低；最優(yōu)含水率隨著摻渣率的增加先降低后升高，在摻渣率為30%時(shí)取得最小值。

（4）改良后的膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都顯著提高，在摻渣率為30%時(shí)取得峰值點(diǎn)；抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)，主要體現(xiàn)在黏聚力增長(zhǎng)了41%，而內(nèi)摩擦角變化不大。

（5）堿渣改性土的養(yǎng)護(hù)齡期效果不大，表明堿渣對(duì)改性土的后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大。

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