秸稈灰渣改良膨脹土三維膨脹特性試驗研究

張德恒，孫樹林，徐奮強

(1.南京工程學(xué)院 建筑學(xué)院，南京 211167;2.河海大學(xué) a.交通與土木工程學(xué)院;b.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室;c.地球科學(xué)與工程系，南京 210098)

膨脹土因富有強親水性黏土礦物(如蒙脫石和伊利石)多裂隙性、強脹縮性和強度衰減性的高塑性黏性土，具有吸水膨脹、失水收縮的特點，經(jīng)常引起一些工程事故［1－6］。利用固廢物改良膨脹土越來越引起人們的重視［7－10］，并在抑制膨脹土的膨脹性、提高膨脹土強度等方面取得了很多成果［11－15］。但有關(guān)膨脹土體積改變與添加劑的線性關(guān)系方面的系統(tǒng)研究還缺乏報道。

本文旨在以一定比例的秸稈灰渣添加到膨脹土中進(jìn)行擊實、三維自由脹縮特性、膨脹壓力和無側(cè)限抗壓強度4個試驗，研究改良后膨脹土的三維脹縮特性及強度變化特征。

1 試驗材料

以江蘇南京地區(qū)的膨脹土為例，取土深度為1.5～2.5m，顏色為灰黃色，其物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。由表1可知，膨脹土的自由膨脹率為70%，由規(guī)程［16］可知屬于中性膨脹土。膨脹土液限54.4%，塑限24.2%，土的天然含水量30.3%，擊實特性最優(yōu)含水量14.0%，最大干密度1.85 g/cm3。

秸稈灰渣取自江蘇地區(qū)生物質(zhì)發(fā)電廠，主要以農(nóng)作物為燃料，秸稈灰分為2種:細(xì)灰和灰渣。細(xì)灰直接裝袋送往化肥廠作為生產(chǎn)化肥的有機(jī)原料，而秸稈灰渣顆粒較大難以破碎，以堆放填埋或者直接作為道路填料使用。秸稈灰渣特征為:顆粒質(zhì)量較輕，以硬結(jié)核為主，難以破碎，顏色為灰黑色。顆粒分布如表1所示，礦物成分如表2所示。

圖1是試樣顆粒級配分布曲線，從圖中可以看到，秸稈灰渣粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過了全重的85%，類似于細(xì)砂。素土通過添加改良劑之后其級配曲線有平緩的趨勢，試樣顆粒分布不均勻，級配良好。

2 試驗方案

2.1 試樣制備

根據(jù)規(guī)程［16］取足夠的素土及灰渣，先將其進(jìn)行烘干碾碎，然后試樣過2mm的篩。試樣制備步驟為:

表1 膨脹土和秸稈灰渣的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of expansive soil and straw ash

表2 膨脹土和秸稈灰渣的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of expansive soil and straw ash

圖1 試樣的顆粒級配曲線Fig.1 Particle size distributions of soil samples

(1)將試驗所需土樣數(shù)量分成4份，然后摻入不同含量的秸稈灰渣。秸稈灰渣質(zhì)量∶素土質(zhì)量=0∶100，10∶100，15∶100，20∶100。

(2)把步驟(1)得到的試樣摻和均勻，然后分層灑水?dāng)嚢?，使其含水量控制?8%左右，最后密封濕悶24 h，以上試樣制備均在塑料袋內(nèi)完成，然后按照規(guī)程［16］對每種配比試樣進(jìn)行重型擊實試驗。

(3)由擊實試驗得到最大干密度及最優(yōu)含水量，試樣通過脫模器慢慢推到等直徑硅膠模套筒內(nèi)，硅膠模有較好的彈性，試樣直徑為152mm，高為110mm，放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)7 d，養(yǎng)護(hù)條件為25℃，濕度保持在95%，然后進(jìn)行三維膨脹試驗。

(4)根據(jù)無側(cè)限抗壓強度模具的體積及擊實試驗得到的最大干密度及最優(yōu)含水率稱取試樣，將稱取的試樣分3層放入擊實模具內(nèi)擊實，每個配比分為養(yǎng)護(hù)與非養(yǎng)護(hù)試樣。將擊實好的試樣放入養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)條件為25℃，濕度保持在95%，養(yǎng)護(hù)7 d，試驗方法按照規(guī)程［16］的T0148—93進(jìn)行試驗。以上試樣直徑40mm，高度為100mm，測量設(shè)備為百分表，量程為10mm，分度值為0.01mm，抗壓設(shè)備為應(yīng)變控制式無側(cè)限抗壓強度儀。

(5)根據(jù)規(guī)程［16］進(jìn)行膨脹壓力試驗、膨脹土收縮試驗，試樣尺寸:環(huán)刀直徑61.8mm，高20mm，收縮試驗含水率為液限含水率。

2.2 試驗過程

本試驗分為以下3個階段:

(1)對不同配比的改良膨脹土進(jìn)行液塑限試驗和擊實試驗，分析每種配比的液塑限變化特征及最大干密度與最優(yōu)含水率的變化情況，試驗參照規(guī)范［16］。

(2)將養(yǎng)護(hù)好的試樣放入三維自由體膨脹儀里，進(jìn)行三維自由體膨脹試驗，土樣直徑為152mm，高為110mm，試樣上下2面加蓋透水石且與試樣直徑大小相等，要保證試樣底部水面不高于透水石，上部透水石保證有一層水膜，底部水位與試樣底部平齊，上面水流速度應(yīng)該等于儀器底部的水流速度。數(shù)據(jù)記錄主要集中在試驗的前3 d，開始讀數(shù)30min/次，3 h后讀數(shù)頻率為120min/次。根據(jù)規(guī)程［16］進(jìn)行膨脹壓力試驗和膨脹土收縮試驗，由各種配比得到的液限含水率制作收縮試樣，然后迅速轉(zhuǎn)移到環(huán)刀中，讓其在自然狀態(tài)下收縮24 h后放入烘箱(溫度為105℃)內(nèi)進(jìn)行烘干，烘至試樣體積與質(zhì)量不再發(fā)生改變，測量其豎向與側(cè)向變形量。通過三維自由膨脹試驗、三維自由收縮試驗和膨脹壓力試驗研究膨脹土的脹縮特性，并且根據(jù)其特征確定秸稈灰渣含量的最佳配比。

(3)對最佳配比進(jìn)行液塑限試驗、擊實試驗及自由體應(yīng)變和膨脹壓力試驗，并對每種配比及最佳配比進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，研究摻渣量對無側(cè)限抗壓強度的影響。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 摻秸稈灰渣對膨脹土物理力學(xué)特性的影響

圖2 秸稈灰渣與擊實特征的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between straw ash content and compaction characteristics

把濕悶后的試樣進(jìn)行擊實試驗，擊實方法選用規(guī)程［16］中的重型擊實儀，擊實試樣為4組，秸稈灰渣含量分別為0%，10%，15%，20%，共計20個擊實試樣，分別求得4組試樣的最大干密度及最佳含水率。從圖2中可以看出，素土的最大干密度隨著秸稈灰渣的增加而減小，當(dāng)灰渣從0%～20%添加到膨脹土中時試樣最大干密度從1.85 g/cm3降到1.73 g/cm3，這是由于灰渣的相對密度低于膨脹土，并且秸稈灰渣粗顆粒代替了黏土顆粒，同時秸稈灰渣黏聚性不高，過多的摻入灰渣反而使得改良土難以擊實。最佳含水率隨著灰渣的添加逐漸增大，這是因為灰渣顆粒較大且多含有孔隙，在秸稈灰渣與膨脹土濕悶時吸水所引起的，同時秸稈灰渣中的CaO遇水發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2也需要一定量的水。

液塑限試驗如表3所示，從表中可以看出，隨著秸稈灰渣含量從10%增加到20%，膨脹土的液限降低，塑限增加，導(dǎo)致其塑性指數(shù)不斷減小。J.K.Mitchell［17］的研究表明，塑性指數(shù)越小，膨脹土的膨脹性則越差，說明秸稈灰渣能夠抑制膨脹土的膨脹。

3.2 摻秸稈灰渣對膨脹土脹縮特性的影響

圖3為素土的三維自由膨脹結(jié)果，從圖中可以看到素土的豎向膨脹應(yīng)變、側(cè)向膨脹應(yīng)變及體膨脹應(yīng)變特征，體膨脹應(yīng)變在500min前主要是豎向膨脹應(yīng)變引起的，之后主要是側(cè)向應(yīng)變引起的，這主要是因為當(dāng)豎向應(yīng)變達(dá)到一定程度時，隨著試樣土體含水率的增大，土體的自重應(yīng)力影響了豎向變形。

不同灰渣含量的試樣體應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線如圖4所示，圖5為灰渣含量與膨脹土應(yīng)變的關(guān)系曲線。從圖4、圖5中可以看出，膨脹土與改良土相比，改良土的三維自由膨脹潛勢隨著秸稈灰渣的增加逐漸降低。試驗數(shù)據(jù)如表3所示，體膨脹應(yīng)變從12.72%降低到4.76%;豎向膨脹應(yīng)變從7.32%降到2.07%，降低了71.72%;側(cè)向膨脹應(yīng)變從2.49%降到1.31%，降低了47.39%。由此可見膨脹土與改良土的體膨脹應(yīng)變主要是由豎向膨脹應(yīng)變引起的，其主要原因是:秸稈灰渣含有大量的活性氧化鈣、氧化硅、氧化鐵及氧化鋁，這些氧化物遇水形成可用于離子交換的高價 Ca2+、Al3+和Fe3+等，可促使黏性土顆粒的絮凝產(chǎn)生硬凝反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)后可以提高膨脹土的強度并抑制膨脹土的體積變形。

從表3中還可以看出:①膨脹土隨著秸稈灰渣的增加，豎向收縮應(yīng)變與側(cè)向收縮應(yīng)變逐漸減小，豎向收縮從13.70%降到4.15%，側(cè)向收縮從15.70%降到5.66%，體收縮應(yīng)變從38.66%降低到14.70%;②同種灰渣含量情況下側(cè)向收縮應(yīng)變要比豎向收縮應(yīng)變大，從而可知體收縮應(yīng)變主要由側(cè)向收縮應(yīng)變引起的;③膨脹土膨脹壓力較大，膨脹潛勢較高，但是隨著秸稈灰渣含量的增加，膨脹土的膨脹壓力逐漸降低。當(dāng)秸稈灰渣含量從0%增加到10%，15%，17%和20%時，改良土的膨脹力與素土相比分別降低了44.9%，76.7%，85.4% 和93.7%，直觀表明秸稈灰渣可以降低膨脹土的膨脹力。

圖3 素土的膨脹應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線Fig.3 Curves of swell strain of soil vs.time

圖4 體膨脹應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of volumetric swell strain vs.time

圖5 灰渣含量與膨脹應(yīng)變的關(guān)系曲線Fig.5 Curves of straw ash content vs.swell strain

3.3 秸稈灰渣摻量的線性確定方法

通過改良土體的三維自由膨脹應(yīng)變、三維自由收縮應(yīng)變和膨脹壓力試驗可以假設(shè)秸稈灰渣最佳含量的線性關(guān)系，公式如下:

式中:C為秸稈灰渣含量(%);Cfp為控制三維自由體膨脹的灰渣含量臨界值;Cfs為控制三維自由體收縮的秸稈灰渣臨界值;Cpy為控制膨脹土膨脹力的灰渣含量臨界值;a1，a2，a3為秸稈灰渣含量的影響因子，根據(jù)3個平行試驗，3個影響因子都應(yīng)該取0.33，但是三維自由體膨脹、三維自由體收縮是引起工程破壞的主導(dǎo)因素，所以三維自由體脹縮的影響因子相對于膨脹壓力的影響因子占有較大的比例。

表3 試驗結(jié)果Table 3 Test results

根據(jù)試驗分析結(jié)果，三維自由體膨脹應(yīng)變、三維自由體收縮應(yīng)變和膨脹壓力對膨脹土的影響因子分別取0.4，0.4，0.2，所以秸稈灰渣的最佳含量為

當(dāng)三維自由體膨脹應(yīng)變臨界值取5%，三維自由體收縮應(yīng)變臨界值取17%，膨脹壓力取50kPa時，公式中的Cfp，Cfs，Cpy由圖6的擬合曲線分別求得 Cfp=17.97%，Cfs=16.51%，Cpy=16.41%，所以最佳含量C=0.4×17.97%+0.4×16.51%+0.2×16.41%≈17%。當(dāng)摻灰渣量為17%時，三維自由體膨脹試驗、體收縮試驗和膨脹力試驗以及液塑限指標(biāo)試驗重新進(jìn)行，試驗結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，相對于15%的灰渣，17%灰渣的膨脹土液限降低，塑限增大，塑性指數(shù)降低;三維自由體膨脹、收縮應(yīng)變小于臨界值;膨脹壓力降低。

圖6 灰渣含量與體應(yīng)變和膨脹壓力的關(guān)系曲線Fig.6 Curves of straw ash content vs.volumetric strain and swelling pressure

3.4 摻秸稈灰渣對膨脹土無側(cè)限抗壓強度的影響

無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如圖7、圖8所示。從圖7中可以看到，沒有經(jīng)過養(yǎng)護(hù)與經(jīng)過7 d養(yǎng)護(hù)后的強度形成鮮明對比。沒有經(jīng)過養(yǎng)護(hù)的試樣隨?著灰渣含量的增加，無側(cè)限抗壓強度逐漸增加，但是增加幅度不大;養(yǎng)護(hù)7 d后的試樣隨著摻渣量的增加，無側(cè)限抗壓強度逐漸增加，而且增大的幅度隨著摻渣率的增加而明顯增長，在灰渣含量為15%～17%時出現(xiàn)峰值，隨后開始降低。

沒有經(jīng)過養(yǎng)護(hù)的試樣無側(cè)限抗壓強度的提高主要是因為秸稈灰渣里含有少量的氧化鈣與膨脹土快速發(fā)生硬凝反應(yīng)，生成黏性較強的膠結(jié)物質(zhì)，而使土樣的無側(cè)限抗壓強度迅速提高，但是幅度不大;經(jīng)過7 d養(yǎng)護(hù)后，不同配比的試樣無側(cè)限抗壓強度都有明顯的增加，此階段主要是因為試樣經(jīng)歷了一些列的化學(xué)、物理變化:氧化硅、氧化鋁及氧化鈣與土顆粒的絮凝作用減小土顆粒之間的間距;試樣在空氣中的碳化作用;灰渣里含有的氧化物在擊實后使之與土作用時產(chǎn)生硬凝反應(yīng)并且膠結(jié)在一起形成粗顆粒，硬凝反應(yīng)及膠結(jié)作用對無側(cè)限抗壓強度的提高起到?jīng)Q定性作用［18］。

圖8為經(jīng)7 d養(yǎng)護(hù)齡期后，秸稈灰渣含量0%，10%，15%，17%，20%的膨脹土無側(cè)限抗壓強度與豎向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線，從圖中可以看到，無側(cè)限抗壓強度隨著應(yīng)變的增大逐漸增大，沒有出現(xiàn)峰值，素土與20%秸稈灰渣含量的改良土在應(yīng)變?yōu)?.5%時強度基本不再增加，其余試樣在應(yīng)變?yōu)?%時強度不再增加。可以認(rèn)為改良土的無側(cè)限抗壓強度最大值位于應(yīng)變?yōu)?%時。從圖7的試驗結(jié)果可以看出，秸稈灰渣含量15%與17%的無側(cè)限抗壓強度非常接近，分別為393.12kPa和387.52kPa，并無明顯變化。通過無側(cè)限抗壓強度試驗可知:秸稈灰渣改良膨脹土的最佳摻渣率為15%～17%。

圖7 灰渣與養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響Fig.7 Influence of straw ash content and curing age on unconfined compressive strength

圖8 無側(cè)限抗壓強度與豎向應(yīng)變之間的曲線Fig.8 Curves of unconfined compressive strength vs.vertical strain

4 結(jié)論

通過對秸稈灰渣、膨脹土混合物的三維自由體膨脹應(yīng)變、體收縮應(yīng)變和無側(cè)限抗壓強度試驗研究，得出如下結(jié)論:

(1)膨脹土的最大干密度隨著秸稈灰渣含量的增加而降低，最優(yōu)含水率卻逐漸增大;隨著秸稈灰渣含量的增加，膨脹土的液限降低，塑限增大，導(dǎo)致其塑性指數(shù)降低。

(2)通過膨脹土的三維自由體膨脹應(yīng)變、體收縮應(yīng)變和膨脹壓力試驗最終確定秸稈灰渣最佳含量的線性方程為C=0.4Cfp+0.4Cfs+0.2Cpy，最佳含量為17%;體應(yīng)變隨著秸稈灰渣的增加逐漸降低，當(dāng)膨脹土中添加17%灰渣時，三維自由體膨脹應(yīng)變?yōu)?.94%＜5%，體收縮量為13.84%＜15%，膨脹力降為30kPa。

(3)沒有經(jīng)過養(yǎng)護(hù)的試樣，對無側(cè)限抗壓強度影響不明顯;經(jīng)過7 d養(yǎng)護(hù)之后，膨脹土隨著秸稈灰渣含量的增大而提高，并且在15%含量時最大值為393.12kPa，試驗證明無側(cè)限抗壓強度最大時體膨脹應(yīng)變?yōu)?.01%，超出限值5%。從體積變化與強度2個方面考慮，秸稈灰渣的最佳配比為17%時試樣無側(cè)限抗壓強度為387.52kPa，與灰渣含量15%時強度無明顯變化，然而體膨脹應(yīng)變?yōu)?.94%，小于限值5%，所以通過三維膨脹特性確定添加劑含量非常重要。

(4)利用秸稈灰渣改良膨脹土不僅提高了膨脹土的工程特性，又使得固廢物得到妥善處理并達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。

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