陽離子聚丙烯酰胺:粉煤灰改良膨脹土剪切試驗

王靖 張京斌 江金亮 劉豐寧

(1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京210098；2.河海大學大禹學院，江蘇 南京210098；

3.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京210098）

0 引言

膨脹土是主要由親水的粘土礦物組成,具有重大的高可塑性。膨脹土吸水膨脹和脫水收縮。在膨脹土上的建筑物會隨季節(jié)氣候的變化而多次產(chǎn)生不均勻的升降，造成大量裂縫，對公路路基和大型結構物具有嚴重的破壞性，而且還會帶來強度的應變軟化，造成邊坡坍滑[1]。近年來，隨著國家高速公路、鐵路事業(yè)的快速發(fā)展,許多公路、鐵路修筑在膨脹土地區(qū),膨脹土的病害問題每年都會給國家造成巨大的經(jīng)濟損失[2]，對膨脹土的改良成為了近幾年來的研究熱點[3-5]。

陽離子聚丙烯酰胺作為一類具有水溶性的有機高分子化合物，對膨脹土的土體結構具有化學固化和改變的效能[6]。陽離子聚丙烯酰胺這類高聚物一般采用水溶液的形態(tài)與土壤混合,陽離子聚丙烯酰胺改良膨脹土的強度是建立在聚合物本身的膠結能力上，有摻入量較少,運輸方便,改良膨脹土后，膨脹土的水理性質(zhì)效果變好等優(yōu)點。通過離子交換法使得粉煤灰和與土壤中的水分和泥土細顆粒組合，阻斷了土壤的毛細管結構，從而改善膨脹土的強度和穩(wěn)定性。

本文在分析陽離子聚丙烯酰胺、粉煤灰改良膨脹土優(yōu)點的基礎上，探討了利用陽離子聚丙烯酰胺-粉煤灰摻和料對膨脹土進行改良試驗。通過室內(nèi)試驗，研究陽離子聚丙烯酰胺-粉煤灰摻和物改良膨脹土的抗剪切強度。

1 改良機理

1.1 陽離子聚丙烯酰胺

陽離子聚丙烯酰胺是一種水溶性有機高分子化合物，化學結構式如圖1所示，該有機物聯(lián)接有多個N原子，具有更強的正電荷，利用其聚合物的效果，它可以和蒙脫石、伊利石發(fā)生離子交換反應。分子鏈上的大量氨基在礦物晶面上形成氫鍵，并形成對膨脹土顆粒表面的薄膜。這種吸附反應和較強的靜電作用會削弱晶層間的排斥力，阻礙外來水浸入晶層，使得膨脹土中蒙脫石和伊利石的親水性和膨脹特性發(fā)生了根本性的變化[7]。

1.2 粉煤灰

粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，是一種火山灰質(zhì)活性粘土材料。粉煤灰顆粒是多孔的，呈蜂窩狀，其比表面積大，吸附能力很高，顆粒的粒徑范圍在0.5～300μm，粉煤灰的孔隙率比較高，在50%～80%，因此粉煤灰具有很強的吸水性。粉煤灰的活性主要來自活性SiO2和活性Al2O3在一定堿性條件下發(fā)生的水化反應[8]。在膨脹土中摻入粉煤灰,產(chǎn)生的離子交換作用與硬凝作用,能夠減小膨脹土的膨脹趨勢同時提高膨脹土的強度。含水量一定的條件下，粉煤灰與膨脹土混合后,會減少膨脹土的及脹縮性，提高膨脹土的強度、水理性質(zhì)等。

2 試驗方法

剪切試驗按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)[9]進行。陽離子聚丙烯酰胺含量為陽離子聚丙烯酰胺質(zhì)量與膨脹土試樣與陽離子聚丙烯酰胺質(zhì)量的和之比，試驗中粉煤灰比率是指粉煤灰質(zhì)量和烘干膨脹土質(zhì)量之比。

本次試驗采用的是快剪試驗，進行土的直接剪切試驗時，在烘干的膨脹土中摻入不同含量的粉煤灰，即按不同比例稱取一定質(zhì)量的粉煤灰與烘干后的膨脹土土樣混合，將一定質(zhì)量的陽離子聚丙烯酰胺的水溶液均勻摻入膨脹土的混合物中,24h后擊實制樣，再進行直接剪切試驗。試驗試樣制備過程中膨脹土含水量均采用膨脹土的最優(yōu)含水量22.81%。

3 試驗材料

膨脹土為含有機質(zhì)含量極低的南京下蜀土與蒙脫石含量較高的粘土礦物按一定比例混合而成，其物理性質(zhì)指標見表1。陽離子聚丙烯酰胺試樣為固體顆粒，粉煤灰來自南京市下關電廠，物理性質(zhì)見表2。

表1 膨脹土物理性質(zhì)指標

表2 粉煤灰物理性質(zhì)指標

4 試驗成果分析

圖1 200kPa垂直壓力下抗剪切強度

在固定陽離子聚丙烯酰胺的濃度分別為0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%下，改變粉煤灰的摻入量分別為4%、6%、8%、10%、12%，進行直接剪切試驗。在200kPa垂直壓力下改良土的抗剪切強度見圖1，改良后膨脹土的粘聚力、內(nèi)摩擦角粘聚力與陽離子聚丙烯酰胺-粉煤灰含量關系分別見圖2、圖3。

在陽離子聚丙烯酰胺的濃度一定的情況下，摻入粉煤灰量增加的情況下，膨脹土的抗剪切強度也隨之增強，摻入粉煤灰含量在6%-8%時，改良效果較為明顯，摻入粉煤灰含量再增加時，改良土的抗剪切強度幾乎不變，反而略有下降，因為但是隨著摻粉煤灰量的增加，達到反應所需量時，使得大量多余的粉煤灰存在于土顆粒之間。在摻入粉煤灰量一定的情況下，陽離子聚丙烯酰胺含量增加的同時，膨脹土的抗剪切強度也隨之增加，當陽離子聚丙烯酰胺的含量超過0.5%時，膨脹土的抗剪切強度幾乎不再提高，這是因為土壤顆粒間形成的網(wǎng)狀膜結構已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

試驗的結果表明，在粉煤灰含量既定的情況下，添加陽離子聚丙烯酰胺可以提高膨脹土的抗剪強度，這與文獻[7-9]的論述相一致，摻入陽離子聚丙烯酰胺可以增強膨脹土土顆粒之間的粘聚力，陽離子聚丙烯酰胺對膨脹土不發(fā)揮提高內(nèi)摩擦角的作用。陽離子聚丙烯酰胺-粉煤灰混合改性膨脹土，可以有效而改良膨脹土的粘聚力、內(nèi)摩擦角，土體抗剪強度將大幅增加。膨脹土中陽離子聚丙烯酰胺含量既定情況下，隨著粉煤灰摻入量的增加，膨脹土的抗剪切強度存在一個最大值，這個最大值在摻粉煤灰6%～8%之間存在。這是由于粉煤灰粒徑較小，吸水后容易軟化，在摻入粉煤灰大于8%剪切時會降低內(nèi)摩擦角反而起到潤滑作用。

圖2 粘聚力與陽離子聚丙烯酰胺-粉煤灰含量關系

圖3 內(nèi)摩擦角與陽離子聚丙烯酰胺-粉煤灰含量關系

5 結論

5.1 膨脹土的粘聚力隨著陽離子聚丙烯酰胺含量增加而增大，當膨脹土中陽離子聚丙烯酰胺含量為0.3%時，膨脹土粘聚力的增加幅度最大；

5.2 膨脹土中陽離子聚丙烯酰胺含量既定情況下，隨著粉煤灰摻入量的增加膨脹土的抗剪強度存在一個峰值點，這個峰值點在摻入6%～8%的粉煤灰之間時存在。

5.3 利用陽離子聚丙烯酰胺和粉煤灰混合物改性膨脹土剪切強度試驗，確定出改良膨脹土時，添加0.3%-0.5%的陽離子聚丙烯酰胺以及6%-8%的粉煤灰為宜（百分比為質(zhì)量干重比）。

［1］李樹軍.吉林水利[J].2004（10）：24-25.

［2］劉特洪.工程建設中的膨脹土問題[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

［3］譚羅榮，孔令偉.膨脹土的強度特性研究[J].巖土力學，2005（07):3-7.

［4］王保田，張福海，張文慧.改良膨脹土施工技術與改良土的性質(zhì)研究[J].巖石力學與工程學報,2006(S1):573-577.

［5］馬少坤，趙乃峰，周東,等.南寧膨脹土長期壓縮特性研究[J].巖土力學，2013,(08):157-163.

［6］王艷萍,胡瑞林,李志清,等.膨脹土路堤的化學改性試驗研究[J].工程地質(zhì)學報，2008(01)：126-131.

［7］蘇群,徐淵博,張復實.國際以及國內(nèi)土壤固化劑的研究現(xiàn)狀和前景展望[J].黑龍江工程學院學報，2005(03):5-8.

［8］王亮.粉煤灰綜合利用研究[D].天津：天津大學，2007.

［9］中華人民共和國交通部.公路土工試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2007.