皂化殘?jiān)牧寂蛎浲谅坊淖杂膳蛎浡试囼?yàn)研究

王 超 孫路路 黃元德 鄭建波

（山東濱化新型建材有限責(zé)任公司，山東 濱州 256600）

0 引言

由于膨脹土具有明顯的脹縮性，使用膨脹土填筑路堤或者作為路塹地基時(shí)，在土體含水率發(fā)生變化的過程中會產(chǎn)生災(zāi)害性的變形，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層發(fā)生破壞，危及行車安全。 因此，許多國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)方法規(guī)定不得直接用膨脹土做路基填料，公路建設(shè)面臨著要么用大量的非膨脹土對膨脹土進(jìn)行置換，要么對膨脹土進(jìn)行改良的問題。 若采用置換膨脹土的方法，往往會使工程造價(jià)大幅度增加，而且廢棄不用的膨脹土也會造成環(huán)境污染。因此，研究膨脹土改良利用具有重要的社會價(jià)值和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

近些年來，隨著膨脹土改良研究的不斷深入，從最開始的換土法，到之后的化學(xué)改性法，其改良技術(shù)不斷趨于成熟、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。其中，化學(xué)改性方法從根本上對膨脹土的性質(zhì)進(jìn)行改良，效果穩(wěn)定可靠，具有很好的研究前景。在諸多化學(xué)改性方法中，比較成熟和常用的方法是在膨脹土路堤填料中摻入石灰、水泥等，其改良機(jī)理都是硅酸鹽和鋁的水化物與土顆粒相互間的膠結(jié)作用，膠結(jié)物逐漸脫水和新生礦物的結(jié)晶作用，從而降低液限，增大土體的抗剪強(qiáng)度。由于膨脹土在中國的很多地區(qū)分布廣泛，實(shí)際工程中需要用大量的石灰、水泥對其進(jìn)行改良處理使其達(dá)到相關(guān)的規(guī)范要求。雖然石灰、水泥的價(jià)格相對便宜，但是由于用量很大，在工程成本中占有比較大的比重，所以尋找更加經(jīng)濟(jì)、有效的改良劑和改良方法至關(guān)重要。

一方面膨脹土在中國廣泛分布，對膨脹土進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、有效的改良處理非常必要，另一方面由于造化殘?jiān)幕瘜W(xué)成分主要是氫氧化鈣，我國的造化殘?jiān)谌珖粌H分布廣泛而且排出量非常巨大，同時(shí)對于此類固體廢棄物的綜合利用程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。鑒于以上兩個(gè)方面，本文以皂化殘?jiān)鼞?yīng)用于膨脹土改良作為研究對象，使工廠排棄的無害固體廢棄物安全而合理合格地使用在膨脹土改良中。

1 自由膨脹率試驗(yàn)

自由膨脹率作為反映土體膨脹性的一種指標(biāo)，其與土體的粘粒含量、粘土礦物成分以及化學(xué)成分等均有著非常緊密的關(guān)系，用它可以對土體在沒有結(jié)構(gòu)力作用下的膨脹潛勢進(jìn)行測定，使得能夠初步地判定土體的脹縮等級。作為判別膨脹土的指標(biāo)，想要獲得自由膨脹率指標(biāo)十分容易。規(guī)范的定義為：自由膨脹率是膨脹土經(jīng)歷烘干粉碎之后，一定體積的松散土粒在水中無任何限制條件下進(jìn)行充分吸水發(fā)生自由膨脹，體積增加趨于穩(wěn)定之后的體積增量和初始體積的比值，用來判定粘性土在無結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹潛勢，以百分比表示。按照下式計(jì)算土體的自由膨脹率：

式中：δef—自0由膨脹率(%)；

Vwe—吸水膨脹后體積(cm3)；

V0—烘干土自由堆積狀態(tài)下體積(cm3)。

(1)將無頸漏斗放于支架上，漏斗的下口對準(zhǔn)量土杯的中心并且保持l0mm 的距離，使用取土匙取適量的土樣倒入漏斗中，一邊倒一邊用細(xì)鐵絲攪動(dòng)，直到量土杯裝滿土樣并且開始溢出時(shí)移開漏斗，刮掉杯口的多余土，將量杯中的試樣倒入匙內(nèi)，再次倒入漏斗中并且落入量土杯中，刮掉多余的土，稱量土杯的質(zhì)量；

(2)重新取土樣，重復(fù)步驟(1)，二次測定的差值不得大于0.1g；

(3) 往量筒內(nèi)注入30ml 的純水，并且加入5ml 濃度為5%的純Nacl 溶液，將準(zhǔn)備好的試樣慢慢倒入量筒內(nèi)，用攪拌器上下攪拌溶液各l0 次，用純水淋洗攪拌器和量筒壁至懸液50ml，靜置待懸液澄清后每間隔2h 測讀一次土面高度(估讀至0.1ml)，直到6h 內(nèi)二次讀數(shù)值不超過0.2ml 為止，如果土面傾斜讀數(shù)取中值。

皂化殘?jiān)鼡搅?%) 自由膨脹率(%) 0 46 2 35 4 26 6 17

2 皂化殘?jiān)牧寂蛎浲恋臋C(jī)理分析

對于高速公路工程中的膨脹土，一定要對其進(jìn)行合理的處理才能在實(shí)際工程中應(yīng)用。大量的工程應(yīng)用反映化學(xué)類的處理方法對膨脹土的改良效果十分明顯，它廣泛地應(yīng)用于工程中。因此，本文從化學(xué)處理法這個(gè)角度出發(fā)來考慮膨脹土的改良。

皂化殘?jiān)鼘ε蛎浲恋母牧紮C(jī)理方面，主要有以下兩個(gè)方面：

(1)陽離子交換與絮凝作用：膨脹土中脹縮性的粘土礦物主要為伊利石與蒙脫石，它們大多數(shù)是由負(fù)電的膠粒與電子層外部的陽離子所構(gòu)成，皂化殘?jiān)鼡饺肱蛎浲梁?，粘土礦物中吸附在粘土顆粒外面的低價(jià)金屬陽離子就會馬上和電石渣所具有的Ca2+產(chǎn)生離子置換，而離子的置換會導(dǎo)致雙電層的厚度發(fā)生變化，從而引起粘土礦物表面的電荷增多，顆粒直接互相吸引產(chǎn)生絮凝狀，使土體的初期強(qiáng)度得到加強(qiáng)。粘土礦物的陽離子層中大部分是單價(jià)的鉀離子和鈉離子，皂化殘?jiān)尤胪林?，在水的催化作用下，迅速分解?OH)-與Ca2+。其中鈣離子和鉀、鈉離子發(fā)生離子置換作用，從而使得膠體的吸附層厚度變得很薄，ξ-電位迅速減小，土體的膠粒之間迅速產(chǎn)生凝聚。而離子交換會引起土體變得分散并且使其粘土的塑性減小，同時(shí)增強(qiáng)了土體的微粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強(qiáng)度，該過程是隨著皂化殘?jiān)谢瘜W(xué)成分的離解與鈣離子在土中的擴(kuò)展而緩慢開展的，在皂化殘?jiān)鼊傞_始摻入土中使反應(yīng)較迅速，該過程中這種化學(xué)作用成為土體初期產(chǎn)生改變的主要因素。

(2)凝硬反應(yīng)：隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，皂化殘?jiān)c土的相互作用發(fā)展成為長久的階段，也就是所謂的火山灰反應(yīng)。它主要是指土體中所包含的活性Si、Al 等礦物成分在皂化殘?jiān)膲A性催化作用下出現(xiàn)離解，在水的外加作用下和氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)形成含水的鋁酸鈣與硅酸鈣的一種化學(xué)反應(yīng)過程。該反應(yīng)過程中產(chǎn)生的化合物和水泥水解反應(yīng)后所產(chǎn)生的化合物相似，它的水穩(wěn)定性良好。在這種反應(yīng)緩慢發(fā)生的過程中連續(xù)吸水，因此它的水硬性良好。同時(shí)，二氧化碳通過孔隙與水進(jìn)入土體內(nèi)部，于是氫氧化鈣和二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣，而碳酸鈣較高的水穩(wěn)定性與強(qiáng)度比較高，它是土體的后期強(qiáng)度能夠較好形成的主要原因之一。