鋼渣、稻殼灰和生石灰改良膨脹土的性能研究

張新雨

(1.甘肅省交通科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省道路材料工程實驗室，甘肅 蘭州 730050)

膨脹土是一種富含蒙脫石和伊利石，具有吸水體積膨脹、失水體積收縮的特殊黏性土，其脹縮作用常常導致修筑在膨脹土地基(路基)上的建筑物(構筑物)、公路、鐵路等工程建筑遭到破壞[1]。給人民生命及財產(chǎn)安全帶來嚴重威脅。因此，如何改良膨脹土已成為該領域亟待解決的問題[2]。膨脹土改良主要是通過膨脹土與添加劑之間的物理化學反應來降低膨脹土的脹縮性，提高膨脹土的強度。常用的改良方法很多，有物理方法和化學方法。目前最常用的為化學方法，主要是在膨脹土中摻入一定比例的粉煤灰、石灰和水泥等進行改良，特別是利用工業(yè)廢料進行膨脹土改良，這已成為熱點話題。

對于工業(yè)廢料粉煤灰改良膨脹土的研究，國內(nèi)外已經(jīng)有很多且相當成熟：查甫生等研究了石灰和粉煤灰對膨脹土的改良性能[3]、惠會清等研究了石灰和粉煤灰改良膨脹土的性質機理[4]、Amu等研究了水泥和粉煤灰混合料對膨脹土穩(wěn)定潛力的影響[5]及Sivapullaiah等詳細分析了粉煤灰和石膏改良膨脹土后的各項性能等[6]。而對于稻殼灰這一工業(yè)廢料，國內(nèi)還沒有相關研究，對它的反應機理、摻合比例和改良性能等還未知。

針對國內(nèi)稻殼灰改良膨脹土方面的空白，以及改良膨脹土的方法單一等問題，本文探討利用鋼渣(SS)、稻殼灰(RHA)和生石灰(L)改良膨脹土(C)，通過室內(nèi)試驗研究了摻加鋼渣、稻殼灰和生石灰對膨脹土的脹縮性能的影響，以及養(yǎng)護時間對強度的影響，為膨脹土路基的處理提供依據(jù)。本文的研究成果進一步豐富了膨脹土的改良方法，并為稻殼灰引入我國膨脹土改良提供了參考和理論指導。

1 試驗材料和方案

1.1 試驗材料

膨脹土來自印度北方邦的班達，從圖1可以分析出，該黏土主要成分是蒙脫石[7]。根據(jù)統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)(USCS)、美國國家公路和運輸官員協(xié)會(AASHTO)分類系統(tǒng)的劃分標準，該黏土屬于高膨脹土；生石灰(CaO)來自印度北方邦的坎普爾地區(qū)。

RHA來自印度西孟加拉邦，其氧化物組成見表1，X射線衍射圖像見圖2；根據(jù)表1和圖2分析RHA化學成分可知，活性SiO2含量超過80%。從礦物成分來看，RHA是一種火山灰材料，且表面含有大量光滑的玻璃微珠，存在滾珠效應，使RHA具有其他火山灰材料沒有的優(yōu)異性能，從而可以明顯改善膨脹土的和易性。

表1 SS和RHA的氧化物組成表

SS來自印度泰米爾納德邦的Vinayaka Alloys，從表1可知，SS中含有大量的SiO2和Al2O3，經(jīng)過反應之后有一定成分的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣生成，它們是水泥熟料產(chǎn)物，水硬性和活性比較好，并且鋼渣經(jīng)過水化反應后有膠凝性的水化產(chǎn)物C-S-H、Ca(OH)2、水化鋁酸鈣等新礦物成分生成，這些物質會隨著該反應繼續(xù)發(fā)展，慢慢貫穿整個體系，因此可以讓混合體系具備更高的強度。

圖1 黏土X射線衍射(XRD)示意圖

注:1.伊利石(Al2Si3(OH)2)；2.高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)；3.蒙脫石(Al2O34SiO2·H2O)；4.石英(SiO2)；5.方解石(CaCO3)

圖2 RHA X射線衍射(XRD)示意圖

注:1.蒙脫石(Al2O34SiO2·H2O)；2.高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)；3.伊利石(Al2Si3(OH)2)；4.石英(SiO2)；5.方解石(CaCO3)

1.2 試驗方案

用膨脹土(C)與不同比例的RHA、L和SS混合，基于最大UCS值發(fā)現(xiàn)改良膨脹土的最優(yōu)組合；在此基礎上依照ASTM D4318(ASTM 2010)、ASTM D4943(ASTM 2002)、ASTM D421/422(ASTM 2007 a，b)和ASTM D698(ASTM 2012)分別對改良土的液限、塑限、縮限、粒度分布和標準監(jiān)督進行測試[8-12]，同時對改良土的物理性質進行分析；然后通過無側限抗壓強度試驗、三軸試驗和加州承載比試驗測試了最佳組合土的力學性質，最后對最佳組合土作為路基路面材料的性能進行分析。

2 試驗結果

首先用C與不同比例的RHA進行混合，當UCS值最大時，RHA的摻量為10%；其次用C與不同比例的L進行混合，當UCS值最大時L為5%；最后在此基礎上用C+10%RHA+5%L+不同比例SS進行混合，當UCS值最大時，改良土最佳組合土比例為65%C+20%SS+5%L+10%RHA。

2.1 標準壓實試驗結果

表2 膨脹土與改良土的性質表

根據(jù)試驗結果可知：改良土的塑性指數(shù)為11.13%，比膨脹土低66.27%左右，收縮極限為41.5%，比膨脹土高出73.5%左右(見表2)。這種組合減少了收縮在土壤中引起的縱向和橫向開裂。

養(yǎng)護6 d(144 h)后膨脹土和改良土的最大膨脹壓力分別為27.4 kN/m2和4.94 kN/m2。由試驗結果可知：附加SS、L和RHA可以減少膨脹土膨脹和膨脹壓力。

在添加5%L和10%RHA的標準壓實測試中，添加SS時改良土的最大干密度有所降低，最佳含水量(OMC)有所增加。與膨脹土相比改良土的最大干密度從16.1 kN/m3減少到15.68 kN/m3時，最佳含水率從22%增加到24%。產(chǎn)生這種變化的原因是改良土的絮凝作用，使土顆粒之間的阻力增加，減小了改良土的最大干密度。

2.2 無側限抗壓強度試驗結果

圖3 抗壓強度與養(yǎng)護時間關系曲線圖

在零養(yǎng)護期時，膨脹土和改良土的無側限抗壓強度(UCS))值分別為359 kN/m2和657 kN/m2。與零養(yǎng)護期膨脹土的強度相比改良土的強度增加約45.35%。當固化時間為7 d、14 d和30 d時，改良土UCS值從657 kN/m2增加到1 974 kN/m2、2 395 kN/m2和3 628 kN/m2(如圖3所示)。當固化時間為30 d時，本試驗所研究的改良土UCS值高于Poh對ECC+10%BOS+1.5%硅酸鈉的組合研究[13]、Hossain對土+5%CKD+15%的混合研究[14]、布魯克斯對土+25%粉煤灰+12%RHA的研究等[15]。當固化時間分別為0 d、7 d、14 d和30 d時破壞的應變值為2.3%、4.2%、4.6%和5.9%。分析原因，抗壓強度的增加可能是來自SS、L和RHA的摩擦阻力。

2.3 三軸試驗結果

在100 kPa、200 kPa和300 kPa的有效圍壓下進行固結不排水靜態(tài)三軸試驗，研究其最佳組合的剪切強度特性。發(fā)現(xiàn)當有效圍壓為100 kPa、200 kPa和300 kPa時所對應的最大破壞應力分別是1 196 kPa、1 275 kPa和2 155 kPa，對應的破壞應變分別為3%、3.9%和4.6%。

循環(huán)三軸試驗的結果表明：最初的超孔隙水壓力穩(wěn)步發(fā)展的膨脹土樣本和最佳混合土樣本都達到50%～60%應變振幅和頻率；偏應力隨荷載的循環(huán)次數(shù)的增加而減?。黄骄行β窂揭苿拥剿袘冋穹皖l率的左邊，表明平均有效應力隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而減少。

應變振幅從0.4%到1%變化時，阻尼比(D)隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低(如圖4所示)。當頻率為0.2 Hz、0.5 Hz和1Hz時阻尼比下降分別為28.33%～32.11%、9.81%～12.97%和18.78%～31.7%。相比膨脹土，組合土的阻尼比減少約25%～38%。

圖4 阻尼比(D)與循環(huán)次數(shù)關系曲線圖

圖5 剪切模量與循環(huán)次數(shù)關系曲線圖

剪切模量(G)和降解指數(shù)(δ)在25～70次循環(huán)時間內(nèi)迅速下降，然而其降低所帶來的影響是可以忽略不計的(如圖5和圖6所示)。當頻率為0.2 Hz、0.5 Hz和1 Hz時，剪切模量減少，分別為28.53%～82.63%、45.68%～55.38%和43.51%～77.5%；降解指數(shù)整體下降，分別為76%、20.3%和60.7%。相比膨脹土，改良土的剪切模量增加約58%～78%。

圖6 降解指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關系曲線圖

2.4 加州承載比試驗結果

圖7 未浸泡CBR值與SS比例關系曲線圖

零養(yǎng)護期膨脹土和改良土的CBR值分別是8.85%和18.37%(如圖7所示)。與零養(yǎng)護期的膨脹土相比，改良土在最佳組合情況下CBR值增加約51.82%。改良土先固化7 d、14 d和30 d，然后浸泡4 d，進行CBR測試，浸泡CBR試驗結果表明：固化時間從7～30 d變化時，CBR值從28.8%提高到35.56%。分析表明：CBR的增加是由于火山灰與SS、RHA和L的相互膠結作用引起的。

圖8顯示了柔性路面的典型路面結構。路面設計按照CBR方法的IRC設計過程，設計預期的交通量每天逾4 500輛。路面A和路面B分別指的是膨脹土路面和最佳組合土路面。對于路面A，路基的CBR值是2.96%，顆粒底基層材料的CBR值是50%；路面B中的路基CBR值是28.8%，顆粒底基層的CBR值是50%。用改良土做路基，基礎鋪筑厚度為65 mm；而用膨脹土做路基，基礎的鋪筑厚度為570 mm，相比之下，用改良土鋪筑路基可以明顯減小鋪筑厚度。改良土路面材料與傳統(tǒng)的路基路面材料CBR試驗比較結果表明：膨脹土與SS、L和RHA混合能有效地治理軟土路基，使其達到良好的效果。本研究還將改良土的材料成本與傳統(tǒng)的路基路面材料進行比較，結果表明：最佳組合土進行路基的鋪筑可以大大減少材料的用量，節(jié)省工程成本。

圖8 典型的路面結構示意圖

3 結語

(1)基于最大UCS值，C、SS、L和RHA最佳組合百分比為65%C+20%SS+5%L+10%RHA。

(2)與膨脹土相比，最佳組合土的可塑性降低了66.2%，強度增加了96%。

(3)與膨脹路基土相比，最佳組合土的CBR值增加了97.5%?；趶姸取BR值和塑性值，將試驗所得的最佳組合土作為路基材料，具有堅固耐用的優(yōu)點。

(4)動態(tài)屬性分析表明，改良土作為路基材料，其土壤剛度(剪切模量)增加為58%～78%。C-SS-L-RHA的組合與傳統(tǒng)的穩(wěn)定系統(tǒng)相比可以更好地節(jié)約成本。

[1]查甫生，劉松玉，杜延軍.石灰-粉煤灰改良膨脹土試驗[J].東南大學學報(自然科學版)，2007，37(2)：339-344.

[2]蘭常玉，薛 鵬，周俊英.粉煤灰改良膨脹土的動強度試驗研究[J].防災減災工程學報，2010(30)：79-81.

[3]查甫生，廖 斌，崔可銳.摻粉煤灰-石灰對膨脹土脹縮性的影響試驗研究[J].上海地質，2010(31)：73-76.

[4]惠會清，胡同康，王新東.石灰、粉煤灰改良膨脹土性質機理[J].長安大學學報(自然科學版)，2006，26(2)：34-37.

[5]Amu，A.B.Fajobi，S.O.Afekhuai.Stabilizing Potential of Cement and Fly Ash Mixture on Expansive Clay Soil[J].Journal of Applied Sciences，2005，5(9)：1669-1673.

[6]P.V.Sivapullaiah，Arvind Kumar Jha.Gypsum Induced Strength Behaviour of Fly Ash-Lime Stabilized Expansive Soil[J].Geotechnical and Geological Engineering，2014，32(5)：1261-1273.

[7]Argaw Asha Ashango，Nihar Ranjan Patra.Static and cyclic properties of clay subgrade stabilised with rice husk ash and Portland slag cement[J].International Journal of Pavement Engineering，2014，15(10)：906-916.

[8]ASTMD4943，Standard test method for shrinkage factor of soils[S].

[9]ASTM D421，Standard practice for dry preparation of soil samples for particle-size analysis and determin-ation of soil constants[S].

[10]ASTM D422，Standard practice for particle-size analysis of soil constants[S].

[11]ASTM D5102，Standard test methods for unconfined compressive strength of compacted soil-lime mixture[S].

[12]ASTM D4318，Standard test methods for liquid limit，plastic limit，and plasticity index of soils[S].

[13]Poh，H.Y.，Gurmel，S.G.，and Nizar，G.(2006).Soil stabilization using basic oxygen steel slag fines[J].Mater.Civ.Eng.2006，18(2)：229-240.

[14]Hossain，K.M.A.(2011).Stabilized soils incorporating combinations of rice-husk ash and cement kiln dust[J].Mater.Civ.Eng.2011，23(9)：1320-1327.

[15]Brooks，R.M.Soil stabilization with fly ash and rice husk ash[J].Res.Rev.Appl.Sci.2009，1(3)：209-217.