水泥窯灰改性黃土的濕陷性和強(qiáng)度特性研究

崔素麗，黃 森，韓 琳，張艷榮(.西北大學(xué)地質(zhì)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 70069；.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 70077)

濕陷性黃土作為建筑物的地基，由于其特殊的成分和結(jié)構(gòu)，極易產(chǎn)生塌陷失穩(wěn)。工程中經(jīng)常采用向黃土中添加改性材料的方法，降低其濕陷性，提高其強(qiáng)度，從而滿足工程需要。常用的改性材料是物理材料石灰、水泥以及二者的混合物[1～3]和化學(xué)材料[4～6]。還有一些學(xué)者研究了工業(yè)廢棄物粉煤灰以及其與水泥石灰的混合物對黃土的改性效果[7～8]。采用工業(yè)廢棄物對黃土進(jìn)行改性，既可以減少建材消耗量，又解決了廢棄物堆占地、污染環(huán)境等嚴(yán)重問題。水泥窯灰也是一種工業(yè)廢棄物，是水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的除CO2之外對環(huán)境影響最大副產(chǎn)品，排放量大約為熟料的10%～20%[9]。主要成分為游離的CaO、CaCO3和SiO2，有些還有堿硫酸鹽、氯化物等其他微量成分，具有火山灰性。我國是世界上水泥產(chǎn)量最高、增長速度最快的國家，因此水泥窯灰的處理也成為嚴(yán)重的環(huán)境問題。

國外針對水泥窯灰能夠充分發(fā)揮火山灰性，具有穩(wěn)定路基的功能[10]，將其大多數(shù)作為了不良道路路基的固化材料。比如Miller等[11]利用水泥窯灰對三種不同膨脹土工程性質(zhì)改性研究的結(jié)果顯示，通過添加水泥窯灰，三種土的可塑性均降低，強(qiáng)度均提高，水泥窯灰能夠明顯提高膨脹土的水穩(wěn)定性和強(qiáng)度。水泥窯灰甚至也能使沙丘得到非常好的固定，添加13%的水泥窯灰就能使得沙丘路面強(qiáng)度得到顯著地提高[12]。

國內(nèi)一般將其作為水泥生產(chǎn)原料回窯處理[13]，或者綜合利用包括制鉀肥[14]和生產(chǎn)生態(tài)水泥[15]等。當(dāng)時(shí)這兩種方法都工藝復(fù)雜，造價(jià)高昂，且利用率低。因此大多數(shù)窯灰被直接丟棄或者填埋，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。崔素麗等[16～17]嘗試用水泥窯灰對陜西安康膨脹土進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)能夠顯著降低膨脹土的脹縮性，改善其可施工性，改性效果明顯。國內(nèi)尚未有將水泥窯灰用于黃土的改性研究，本文對添加不同比例水泥窯灰的黃土進(jìn)行了濕陷、強(qiáng)度和微觀試驗(yàn)，探討水泥窯灰對黃土進(jìn)行改性的可行性，分析其改性機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所用黃土取自西安市東郊的Q3黃土，是棕黃色粉質(zhì)黏土，取土深度為4～5 m。顆粒分布如圖1所示，粒徑在0.005～0.075 mm的顆粒含量約占總含量的61.48%，粒徑<0.005 mm的顆粒約占總含量的26.52%；平均粒徑為0.023 mm，不均勻系數(shù)Cu=6.7>5，曲率系數(shù)Cc=0.97≈1，級配良好。

圖1 黃土和水泥窯灰的顆分曲線Fig.1 Particle size distributions of loess and the cement kiln ash

黃土的液限29.6，塑限17.9，比重2.72，最優(yōu)含水率18.1%，最大干密度1.72 g/cm3。水泥窯灰取自陜西省涇陽縣水泥廠，灰白色粉末，粒度較細(xì)，主要礦物成分是CaCO3、CaO和Al2O3等，含水率為0.86%。物理化學(xué)成分如表1所示。

表1 水泥窯灰的物理化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of the cement kiln ash

1.2 試驗(yàn)方法

將水泥窯灰均勻添加到黃土中，定義水泥窯灰干質(zhì)量與混合物中干質(zhì)量的比為摻灰率(Cc)，本試驗(yàn)分別選取了3%，6%,，9%，12%，15%，19%，23%和27%的摻灰率。試樣的最優(yōu)含水率和最大干密度根據(jù)不同摻灰率混合物擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果獲得(表2)。按預(yù)定含水率將蒸餾水均勻加入到混合物中，充分?jǐn)嚢韬?，裝入聚乙烯袋并密閉保存24 h，使試樣均勻濕化，然后采用靜力壓實(shí)方法制樣。固結(jié)試驗(yàn)和濕陷試驗(yàn)所用試樣尺寸為高20 mm，直徑61.8 mm，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣尺寸為高100 mm，直徑50 mm。其中濕陷試樣的壓實(shí)度為85%，其他試樣壓實(shí)度為100%。進(jìn)行固結(jié)、濕陷、強(qiáng)度和微觀試驗(yàn)，其中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度部分試樣需分別進(jìn)行1 d，7 d，21 d和28 d的養(yǎng)護(hù)，其他試驗(yàn)所需試樣養(yǎng)護(hù)1天。所有試驗(yàn)均按照國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 水泥窯灰改性黃土的壓縮性

不同摻灰率改性黃土的e-p曲線如圖2所示。隨著摻灰率的增大，無論是試樣的初始孔隙比還是在400 kPa垂直壓力下穩(wěn)定后的孔隙比都明顯降低。

表2 水泥窯灰改性黃土的擊實(shí)參數(shù)Table 2 Compaction indexes of the stabilized loess

圖2 不同摻灰率改性黃土的e-p曲線Fig.2 e-p curves for the stabilized loess

計(jì)算各試樣的壓縮系數(shù)a1-2(即垂直壓力由100 kPa增加到200 kPa時(shí)對應(yīng)的壓縮系數(shù))如圖3所示?？梢钥闯鲈嚇拥膲嚎s系數(shù)由0.135 MPa降低到了0.098 5 MPa，即從中壓縮性土成為了低壓縮性土，向黃土中添加水泥窯灰能夠顯著降低其壓縮性。

圖3 壓縮系數(shù)隨摻灰率的變化關(guān)系Fig.3 Compression coefficient vs ash content

由圖1可知，水泥窯灰的粒度尺寸遠(yuǎn)小于黃土，混合物在制樣過程中，一部分水泥窯灰會填充到黃土顆粒形成的結(jié)構(gòu)孔隙中，使改性土的變得密實(shí)，在外荷載作用下變形較小，宏觀上表現(xiàn)為降低黃土的壓縮性。

圖4 濕陷系數(shù)隨摻灰率的變化關(guān)系Fig.4 Collapsed coefficient vs ash content

2.2 水泥窯灰改性黃土的濕陷性

圖4是改性黃土濕陷系數(shù)隨摻灰率的變化關(guān)系，可以看出其濕陷系數(shù)大幅度降低，從純黃土的0.049降低到0.029(Cc=12%)及0.014 6(Cc=27%)。

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2004)對濕陷性黃土的分類規(guī)定可知向黃土中添加的水泥窯灰含量超過12%以后，黃土就由中等濕陷性變?yōu)檩p微濕陷性，當(dāng)水泥窯灰含量大于27%時(shí)，濕陷系數(shù)降低為0.014 6，黃土被改性成非濕陷性土。

2.3 水泥窯灰改性黃土的強(qiáng)度特性

圖5是黃土和改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨水泥窯灰摻量的變化關(guān)系。水泥窯灰摻量從0增大到15%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的值從732 kPa增大到1 400 kPa，增加了99.45%。之后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度緩慢增加，當(dāng)摻灰率為27%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值為1 560 kPa，增加了113.1%，說明向黃土中添加水泥窯灰能夠顯著提高其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著摻灰率的增大，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值增大，最后趨于穩(wěn)定，符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻灰量的變化關(guān)系Fig.5 Unconfined compressive strength vs ash content

圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化關(guān)系Fig.6 Unconfined compressive strength vs curing period

水泥或石灰改性黃土一般都具有后期強(qiáng)度，為研究水泥窯灰改性黃土是否也具有后期強(qiáng)度以及強(qiáng)度如何發(fā)展，對摻灰率為3%，9%，15%和19%的混合物壓實(shí)樣分別進(jìn)行了7 d，14 d，21 d和28 d的養(yǎng)護(hù)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化如圖6所示。由圖可知隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，不同摻灰率試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均增大，且增大幅度隨摻灰率的增大略有增大，根據(jù)趨勢，養(yǎng)護(hù)28 d土體的后期強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定。

2.4 微觀試驗(yàn)結(jié)果

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可知，改性黃土的壓縮性和濕陷性都顯著降低，而強(qiáng)度明顯提高。為了進(jìn)一步從微觀上分析水泥窯灰對黃土的改性機(jī)理，對純黃土、摻灰率3%和15%的改性黃土試樣分別進(jìn)行了壓汞試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)。

圖7為壓汞試驗(yàn)所得的改性黃土試樣累積體積曲線和孔徑分布曲線。由圖中可以看出，黃土的孔隙累積體積最大，改性土的孔隙累積體積隨摻灰率的增大而減小?？傮w孔隙體積降低意味著試樣密實(shí)度的增大，這有利于提高黃土的強(qiáng)度，降低其濕陷性。同時(shí)，黃土和改性后黃土的孔徑分布曲線均有3個(gè)峰值。根據(jù)Shear等[18]對孔隙的分類，在黃土和改性黃土中都存在的孔隙類型屬于顆粒間孔隙(0.014～1.8 μm)，峰值對應(yīng)直徑分別約為0.04 μm和0.4 μm，但改性黃土相應(yīng)孔徑對應(yīng)的峰值略低。純黃土的另一組峰值孔徑屬于團(tuán)聚體間的孔隙(70～4 000 μm)，直徑大約為100 μm。在改性后的黃土中，團(tuán)聚體間的孔隙消失，取而代之的是團(tuán)聚體內(nèi)部的孔隙(1.8～70 μm)，峰值向左偏移，即孔隙直徑減小。摻灰率為3%改性土的直徑約為60 μm，而摻灰15%的峰值直徑降低為17 μm左右。說明向黃土中添加水泥窯灰，的確對減少壓實(shí)土體中團(tuán)聚體間的孔隙起到了重要作用，但對顆粒間孔隙作用不明顯，各孔隙類型示意圖如圖8所示。

圖7 改性土孔徑累積體積和分布曲線Fig.7 Cumulative volume and pore size distribution curves of the pore diameter of the stabilized loess

圖8 各類型孔隙示意圖Fig.8 Sketch for different types of pores

圖9是摻灰率分別為0%，3%和15%改性黃土的掃描電鏡結(jié)果。從圖9a可以看出純黃土試樣的顆粒大多為片狀、扁平狀，粒狀較少，顆粒間主要以面-面、面-邊的形式接觸；土顆粒表面有少量碎屑微粒，為支架微膠結(jié)結(jié)構(gòu)。圖9b的顆粒形態(tài)以粒狀為主，土體孔隙主要為粒間孔隙(鑲嵌孔隙)，呈縫隙狀、次圓狀及不規(guī)則狀，分布較均勻，連通性較差，顆粒間接觸多位點(diǎn)接觸，顆粒表面碎屑附著物明顯增多，土體結(jié)構(gòu)呈鑲嵌半膠結(jié)結(jié)構(gòu)。當(dāng)摻灰率增大到15%(圖9c)時(shí)，顆粒形狀更加細(xì)小，碎屑微粒更多，顆粒之間的接觸方式以直接接觸-膠結(jié)接觸為主，成凝塊膠結(jié)結(jié)構(gòu)。

水泥窯灰添加到黃土中后，在有水存在的條件下，水泥窯灰中的fCaO會與土體中的水分發(fā)生水化作用，產(chǎn)生Ca(OH)2等水化產(chǎn)物。游離態(tài)的Ca(OH)2快速吸附在黏土表面，并與空氣中的CO2不斷發(fā)生碳化反應(yīng)產(chǎn)生固體CaCO3，使顆粒間產(chǎn)生強(qiáng)烈的硬化凝結(jié)作用。另一方面Ca(OH)2經(jīng)水化作用會有Ca2+、OH-析出，與黃土顆粒表面吸附的N+、K+等陽離子發(fā)生交換和吸附作用，同時(shí)帶有2個(gè)正電荷的Ca2+還可以吸引帶有負(fù)電荷的黏土顆粒，使黏土顆粒發(fā)生絮凝作用并形成絮凝產(chǎn)物，即碎屑附著物，增強(qiáng)顆粒間的黏結(jié)。

綜上所述，黃土中添加水泥窯灰能夠降低土體總孔隙比，主要是降低團(tuán)聚體間孔隙數(shù)量，使其轉(zhuǎn)化為團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙。同時(shí)水泥窯灰與黃土反應(yīng)生成的碎屑顆粒物質(zhì)，也填充在黃土顆粒間，或者附著顆粒表面，充分發(fā)揮膠結(jié)作用。通過物理填充和膠結(jié)作用使黃土結(jié)構(gòu)變得致密，從而降低土體的壓縮性和濕陷性，提高土體的強(qiáng)度。另外連接點(diǎn)處產(chǎn)生斷裂或錯(cuò)動也是造成黃土濕陷的主要原因之一[19]，而當(dāng)水泥窯灰和黃土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會生成膠結(jié)混合物，附著在顆粒間和顆粒表面，改變顆粒間的連接方式，使連接點(diǎn)更加牢固，強(qiáng)度更大，起到降低黃土濕陷性的目的，同時(shí)也會改善黃土孔隙的孔徑分布特性，增強(qiáng)土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)向黃土中添加水泥窯灰能夠顯著降低黃土的壓縮性和濕陷性。摻灰率從0增大到27%，土體由中壓縮性改變?yōu)榈蛪嚎s性，由中等濕陷性黃土改善成為輕微濕陷乃至不濕陷性土。

(2)水泥窯灰改性黃土的強(qiáng)度得到了大幅提升，并且能夠使土體具有一定的后期強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)齡期宜大于28 d。

(3)水泥窯灰通過與黃土發(fā)生碳化和水化反應(yīng)產(chǎn)生絮凝狀碎屑顆粒，改變了土體孔隙類型和土顆粒連接方式，使土體結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，顆粒間連接點(diǎn)更加牢固，土體微結(jié)構(gòu)變化規(guī)律為：支架大孔微膠結(jié)結(jié)構(gòu)→鑲嵌微孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)→凝塊膠結(jié)結(jié)構(gòu)。對減少團(tuán)聚體間的孔隙有很大貢獻(xiàn)，改性黃土的總孔隙體積降低。

(4)從消除黃土的濕陷性角度考慮，水泥窯灰的適宜摻量應(yīng)大于27%；從提高黃土強(qiáng)度特性的角度考慮，摻灰量大于15%即可滿足條件，具體施工中根據(jù)實(shí)際情況要求再適當(dāng)增大水泥窯灰的摻量。