改性膨脹土的工程性質(zhì)研究

司冬冬， 　崔素麗， 　王學(xué)攀，　杜延峰

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710069)

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改性膨脹土的工程性質(zhì)研究

司冬冬， 崔素麗， 王學(xué)攀，杜延峰

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710069)

[摘要]膨脹土具有較強(qiáng)的濕脹干縮性質(zhì)，對建造在其上的建筑物有較強(qiáng)的破壞作用，因此在膨脹土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時，通常需要向膨脹土中添加改性材料來改善其工程性質(zhì)。分析了石灰、水泥、風(fēng)化砂、粉煤灰、高爐水渣、水泥窯灰和堿渣等對膨脹土的水理性質(zhì)、擊實(shí)性質(zhì)、脹縮性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)的改性效果。從微觀結(jié)構(gòu)的角度對膨脹土的改性機(jī)理進(jìn)行了探討，優(yōu)選出了各改性材料的適宜摻量，為實(shí)際工程中膨脹土改性材料的選擇提供了理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]膨脹土；改性材料； 改性效果；改性機(jī)理

由于膨脹土具有裂隙性、超固結(jié)性和脹縮特牲，工程性質(zhì)極差，使膨脹土地區(qū)的房屋建筑、鐵路、水利工程等經(jīng)常遭受巨大的破壞，因此膨脹土研究是當(dāng)前巖土工程的重要研究方向之一。從改善土體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)入手，向膨脹土中添加改性材料對土質(zhì)進(jìn)行改性處理，能夠從根本上解決膨脹土存在的問題。目前國內(nèi)外常用的膨脹土改性材料有石灰、水泥、砂等建筑材料和高爐水渣、粉煤灰、水泥窯灰(Cement Kiln Dust)、堿渣等工業(yè)廢棄物。本文通過分析各改性材料對膨脹土的基本物理性質(zhì)、脹縮特性和強(qiáng)度特性的改性效果和改良機(jī)理，在實(shí)際工程中根據(jù)需要并結(jié)合當(dāng)?shù)氐那闆r，優(yōu)選出改性效果較好的改性材料，并確定其適宜材料。

1改性材料對膨脹土基本性質(zhì)的影響

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1-7]得到各膨脹土的基本性質(zhì)及其所用的改性土如表1所示，表中所列的膨脹土及其對應(yīng)的基本指標(biāo)和改性土均來自對應(yīng)的參考文獻(xiàn)。

表1　各膨脹土的基本性質(zhì)

整理分析文獻(xiàn)[1-7]中的相關(guān)數(shù)據(jù)，用Origin7.5繪制出各種改性土的塑限、液限、塑性指數(shù)、最大干密度、最優(yōu)含水率、自由膨脹率、無荷載膨脹率隨改性材料摻量的變化關(guān)系圖，如圖1—圖7所示。

1.1改性土的水理性質(zhì)

1.1.1對膨脹土塑限的影響

圖1　塑限-改性材料摻量

改性材料對膨脹土塑限影響很大，由圖1可以看出，隨著改性材料摻量的增加，塑限值均增大，但增大的幅度不同。其中水泥對膨脹土的塑限值影響最大，而風(fēng)化砂對膨脹土的塑限值影響最小。石灰和高爐水渣對膨脹土的塑限值改性效果表現(xiàn)為當(dāng)摻量較低時，隨著摻量的增加，塑限值增長得較快，當(dāng)摻量達(dá)到一定值后，隨著摻量的增加，塑限值增長較緩且有降低趨勢并趨于穩(wěn)定，但仍大于純膨脹土的塑限值。

1.1.2對膨脹土液限的影響

圖2是改性材料摻量對液限的影響，隨著摻量的增加，液限值都降低。其中水泥對膨脹土液限值的影響最大，而高爐水渣對膨脹土的液限值影響不明顯。粉煤灰、堿渣和風(fēng)化砂改性土的液限值隨摻量的增加而降低，但降幅不大，且隨著摻量的增加，液限值基本趨于穩(wěn)定。

1.1.3對膨脹土塑性指數(shù)的影響

塑性指數(shù)隨各改性材料摻量的變化關(guān)系如圖3所示，隨著摻量的增加，水泥改性土的塑性指數(shù)降低幅度最大，粉煤灰改性土的塑性指數(shù)呈線性降低。石灰改性土在摻量小于8%時，其塑性指數(shù)隨摻量的增加而持續(xù)大幅度降低，超過8%后，塑性指數(shù)反而有所升高。其他改性土的塑性指數(shù)隨摻量的增加均有明顯的降低趨勢，且隨著摻量的增加降幅逐漸減小。

圖2　液限-改性材料摻量　　　　　　　　　　圖3　塑性指數(shù)-改性材料摻量

1.2改性土的擊實(shí)性質(zhì)

1.2.1對膨脹土最大干密度的影響

由圖4可知，隨著摻量的增加，水泥改性土的最大干密度持續(xù)提高；風(fēng)化砂改性土的最大干密度先升高后降低直至接近純膨脹土的最大干密度，而水泥窯灰改性土的變化則與風(fēng)化砂恰恰相反；高爐水渣改性土的最大干密度先增大后緩慢下降；堿渣和粉煤灰改性土的最大干密度先降低，后趨于穩(wěn)定。

1.2.2對膨脹土最優(yōu)含水率的影響

由圖5可知，水泥窯灰改性土的最優(yōu)含水率隨摻量的增加而增大，但增大速率有變緩的趨勢。粉煤灰和風(fēng)化砂改性土的最優(yōu)含水率隨摻量的增加略有降低。當(dāng)摻量在0～20%時，堿渣改性土的最優(yōu)含水率隨摻量的增加而略有降低，隨著摻量的繼續(xù)增大，其最優(yōu)含水率值整體呈增大趨勢，但變化不大。水泥改性土的最優(yōu)含水率在摻量較低時(0～5%)呈增大趨勢，摻量繼續(xù)增加(5%～10%)，最優(yōu)含水率降低，并接近純膨脹土的最優(yōu)含水率。石灰和高爐水渣對膨脹土的最優(yōu)含水率影響不大。

圖4　最大干密度-改性材料摻量　　　　　　　　　圖5　最優(yōu)含水率-改性材料摻量

2改性材料對膨脹土脹縮特性的影響

2.1對膨脹土自由膨脹率的影響

圖6顯示，自由膨脹率隨摻量的增加均大幅度降低，其中水泥和石灰對膨脹土的自由膨脹率影響最大。水泥和粉煤灰改性土的自由膨脹率隨摻量的增加呈線性降低，其他改性土的自由膨脹率下降的速率都逐漸降低，且自由膨脹率值趨于穩(wěn)定，其中堿渣改性土自由膨脹率值向0趨近。

2.2對膨脹土無荷載膨脹率的影響

圖7是無荷載膨脹率隨改性材料摻量的變化關(guān)系圖。由圖可知，隨著摻量的增加，膨脹率均降低，其中堿渣對膨脹率的影響最大，而風(fēng)化砂的影響則最小。高爐水渣改性土的膨脹率隨摻量先降低，當(dāng)摻量大于15%后，膨脹率的值有所升高。石灰對膨脹土的膨脹率的影響僅在摻量為4%～6%時最為明顯。隨著摻量的增加，水泥改性土的自由膨脹率呈線性大幅減低。

圖6　自由膨脹率-改性材料摻量　　　　　　　圖7　無荷載膨脹率-改性材料摻量

3改性材料對膨脹土強(qiáng)度特性的影響

表2　各膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)[1,3-5,7-10]得到各膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。表中各膨脹土及其強(qiáng)度指標(biāo)和改性土所對應(yīng)的參考文獻(xiàn)與表1的參考文獻(xiàn)對應(yīng)方法相同，并通過整理分析以上文獻(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，用Origin7.5繪制出各改性膨脹土的粘聚力、內(nèi)摩擦角和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨改性材料摻量的變化關(guān)系圖，如圖8—圖10所示。

3.1對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響

3.1.1對粘聚力的影響

從圖8可以看出，隨著摻量的增加，高爐水渣和石灰改性土的粘聚力大幅度增加，堿渣改性土的粘聚力先增大，當(dāng)摻量大于其適宜摻量(30%)后，粘聚力隨摻量的增加而減小。當(dāng)摻砂量較小時(0～10%)，風(fēng)化砂改性土的粘聚力隨著摻砂量的增加而增大，當(dāng)摻砂量大于10%后，風(fēng)化砂改性土的粘聚力隨摻砂率的增大而逐漸減小，粘聚力減小的幅度先減小后增大。

當(dāng)堿渣摻量較小時，堿渣和膨脹土之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的新絡(luò)合物增加了改性土的密實(shí)度[7]，當(dāng)摻量大于30%后，由于堿渣本身是無粘聚力的粉土材料，過多的摻入堿渣反而會使改性土的粘聚力下降。風(fēng)化砂沒有粘性，當(dāng)摻砂比例增大時，整個土體的粘性逐漸降低，當(dāng)摻砂比例大于40%時，風(fēng)化砂顆粒幾乎將膨脹土顆粒完全包裹住，導(dǎo)致土體的粘性迅速衰減[11]。

3.1.2對內(nèi)摩擦角的影響

從圖9可以看出，隨著摻量的增加，各改性土的內(nèi)摩擦角均較對應(yīng)的純膨脹土有所提高。當(dāng)摻渣量較低時(0～20%)，堿渣改性土的內(nèi)摩擦角隨摻量的增加略有增大，當(dāng)摻量繼續(xù)增加，其內(nèi)摩擦角值整體呈下降趨勢，并接近純膨脹土的內(nèi)摩擦角值。

3.2對膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

從圖10可以看出，水泥窯灰對膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度改良效果最好。風(fēng)化砂改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加先增大后下降，當(dāng)摻砂量增至50%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低到226 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初始強(qiáng)度值。高爐水渣改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加而降低。水泥和石灰改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加而增大，并且水泥改性土的增大速率有提高的趨勢。粉煤灰對膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響很小，可忽略不計。堿渣改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加先增大后減小。

綜上，向膨脹土中添加改性材料能夠降低其可塑性，從而降低其脹縮性。一方面是改性材料中的高價陽離子與膨脹土中低價陽離子發(fā)生離子交換作用，使得土粒雙電層中的擴(kuò)散層變薄，導(dǎo)致結(jié)合水減少，從而使粘土顆粒間的結(jié)合力增強(qiáng)。另一方面離子交換對粘土顆粒還能產(chǎn)生絮凝或團(tuán)聚作用，使土的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，減小了粘粒含量，從而導(dǎo)致顆粒的比表面積減小，表面能降低，親水性減弱。而風(fēng)化砂和堿渣等降低膨脹土的可塑性主要是通過自身的摻入置換出了一部分膨脹土從而降低了其可塑性。

膨脹土中加入改性材料后，發(fā)生離子交換、聚凝和團(tuán)聚等作用，使粘土顆粒相互靠攏，顆粒間結(jié)合力增大，并形成大的土團(tuán)粒，增強(qiáng)了膨脹土的前期強(qiáng)度；同時，改性材料與膨脹土還發(fā)生碳酸化、凝膠等作用，形成新的化合物，而新生成的物質(zhì)或自身硬凝，或發(fā)生膠結(jié)作用，改變膨脹土的結(jié)構(gòu)，也會使土體強(qiáng)度增強(qiáng)。此外，文獻(xiàn)[12-14]也表明，經(jīng)過一定時間的養(yǎng)護(hù)，以化學(xué)改良為主的改性材料可以更加有效地降低膨脹土的可塑性和膨脹性，并提高膨脹土的后期強(qiáng)度。

4結(jié)論

(1)水泥和水泥窯灰對降低膨脹土可塑性效果最好，而堿渣對降低其膨脹性質(zhì)效果最好；石灰和高爐水渣能顯著提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，水泥和水泥窯灰則對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的改良效果最好。

(2)各改性材料的摻量并不是越多越好，而是存在一個適宜摻量值，石灰的適宜摻量為8%、高爐水渣的適宜摻量為15%，堿渣的適宜摻量為30%，粉煤灰的適宜摻量為14%～16%、風(fēng)化砂的適宜摻量為15%～20%，而水泥窯灰的適宜摻量為15%～25%。

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[責(zé)任編輯：魏 強(qiáng)]

Research on engineering properties of modified expansive soil

SI Dong-dong,CUI Su-li,WANG Xue-pan,DU Yan-feng

(State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geological,Northwest University, Xi’an 710069, China)

Abstract:Expansive soil has great destructive influence on the buildings on it because of its property of shrinkage and swelling. And modification materials are usually added to expansive soil to improve its engineering properties. The paper mainly analyzes the modification effect of modification materials on expansive soil engineering properties for water-physical, compaction property, swelling and shrinkage properties and strength property, which mixed with lime, cement, weathered sand, fly ash, granulated blast furnace slag, cement kiln dust and soda residue respectively. The mechanisms of modification for various modification materials on expansive soil are discussed. And the optimal ratios of each modification materials are proposed, which provides a theoretical basis for improving the engineering properties of expansive soil in actual projects.

Key words:expansive soil;modification materials;modification effect;modification mechanism

[中圖分類號]TU443

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

作者簡介：司冬冬(1990—)，男，陜西省華陰市人，西北大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害防治；[通信作者]崔素麗(1980—)，女，河北省行唐縣人，西北大學(xué)講師，碩士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)榈刭|(zhì)工程。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41402260)；西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)自主研究課題(2013-13)

收稿日期：2015-10-14修回日期：2015-11-24

[文章編號]1673-2944(2016)02-0014-05