粉煤灰-天然砂改良膨脹土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

1 研究背景

膨脹土是一種具有較高液限的特殊黏性土，其富含親水性礦物質(zhì)——蒙脫石、伊利石、高嶺石等，粒度多以黏粒為主[1-3]。一般膨脹土有較高強(qiáng)度和高承載力，經(jīng)常被誤認(rèn)為可以作為良好的地基填充材料。然而這樣的想法有失偏頗，因?yàn)榕蛎浲辆哂泻艽蟮奈?，使得在潮濕氣候條件下吸水體積變大，在干燥時(shí)失水體積收縮，反復(fù)脹縮使得膨脹土出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致土體失穩(wěn)坍塌，易造成重大工程事故和巨大經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。改良膨脹土使其提高強(qiáng)度減少膨脹率的方法很多，如查甫生等[4]的研究表明粉煤灰不僅可以抑制膨脹土的脹縮性，還可以增加其強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增多，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線(xiàn)達(dá)到一個(gè)最高值；黎連文等[5]對(duì)粉煤灰改良膨脹土進(jìn)行抗剪研究，試驗(yàn)結(jié)果表明粉煤灰摻量為14%時(shí)抗剪強(qiáng)度最大。還有人用綠色無(wú)污染的材料——天然砂對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，如楊俊等[6-8]在膨脹土中加入天然砂，其強(qiáng)度隨著干密度和摻砂率變化而變化，當(dāng)摻砂率>10%時(shí)抗剪強(qiáng)度開(kāi)始減小，且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻砂率的增加存在一個(gè)峰值。

粉煤灰改良膨脹土主要機(jī)理是離子交換[9]，天然砂改良膨脹土的機(jī)理是改良膨脹土級(jí)配。本文將2種改良機(jī)理不同的材料組成復(fù)合材料，研究2種材料不同摻量對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響。

2 試驗(yàn)材料

2.1 膨脹土

試驗(yàn)所用膨脹土取自南陽(yáng)某公路施工工地，土體黏結(jié)成塊，顏色呈褐黃色，肉眼可以看見(jiàn)白色鈣質(zhì)，且含水率較大，為強(qiáng)膨脹土，具體物理參數(shù)如表1所示。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of expansive soil

2.2 粉煤灰

試驗(yàn)所用粉煤灰取自南陽(yáng)某熱電廠，其化學(xué)成分如表2所示。

表2 粉煤灰的組成成分質(zhì)量百分比Table 2 Composition of fly ash %

從表2可以看出，該粉煤灰主要由SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3組成，CaO的含量不足10%，所以本試驗(yàn)所用粉煤灰根據(jù)美國(guó)實(shí)驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)(American Society for Testing and Materiails,ASTM)分類(lèi)法劃分為F類(lèi)。

2.3 天然砂

試驗(yàn)所用天然砂取自南陽(yáng)某地區(qū)路段周邊，其物理參數(shù)如表3所示。

表3 天然砂的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 3 Physical properties of weathered sand

3 擊實(shí)試驗(yàn)及結(jié)果分析

先將膨脹土用木錘敲打碾碎，然后經(jīng)過(guò)孔徑為2 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩過(guò)濾，再把過(guò)濾后的膨脹土與天然砂、粉煤灰放入設(shè)置溫度為105 ℃的烘箱中，烘烤24 h后取出。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行不同摻量比例的膨脹土、天然砂和粉煤灰復(fù)合土擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。圖中砂5%代表砂摻量為5%，以此類(lèi)推。

圖1 最大干密度、最優(yōu)含水量與粉煤灰摻量的關(guān)系Fig.1 Relations of maximum dry density and optimum water content against fly ash and weathered sand dosages

由圖1(a)可見(jiàn)：

(1)在粉煤灰摻量一定時(shí)，天然砂摻量從5%～15%時(shí)，土樣干密度逐漸增加；但天然砂摻量達(dá)到20%時(shí)，土體干密度反而降低。這是因?yàn)檫m量天然砂能有效改善膨脹土的級(jí)配，砂顆粒能填充入土顆粒之間的空隙，使土體更加密實(shí)，干密度增加；當(dāng)砂顆粒過(guò)多時(shí)，摩擦阻力會(huì)增大，使得膨脹土難以擊實(shí)，進(jìn)而干密度降低。

(2)隨著粉煤灰摻量的增加，土樣的干密度逐漸降低。這是由于粉煤灰的密度比膨脹土小，此外，沒(méi)有養(yǎng)護(hù)的土樣也有一定的膠結(jié)作用，粉煤灰使土體黏性增加，不易擊實(shí)。

由圖1(b)可知，隨著天然砂和粉煤灰摻量的同時(shí)增加，改良后膨脹土的最優(yōu)含水量呈下降趨勢(shì)。一方面是因?yàn)樘烊簧霸谕馏w中形成骨架體系，土體孔隙率增大，更容易滲透，導(dǎo)致最優(yōu)含水量降低；另一方面，粉煤灰中二價(jià)的鈣離子和鎂離子與膨脹土中一價(jià)的鈉離子和鉀離子發(fā)生交換，使得結(jié)合水膜變薄，土顆粒聯(lián)系更緊密，親水性降低，最優(yōu)含水率降低。

4 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)所用儀器為YYW-Ⅱ型無(wú)側(cè)限抗壓儀，試樣規(guī)格為直徑Φ39.1 mm，高80 mm。按粉煤灰和天然砂摻量之和為20%，選取了5個(gè)復(fù)合改良比例。膨脹土∶天然砂∶粉煤灰分別為80∶20∶0，80∶15∶5，80∶10∶10，80∶5∶15，80∶0∶20。由擊實(shí)試驗(yàn)選取干密度1.8 g/cm3,含水率21%，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)進(jìn)行制備試樣，并養(yǎng)護(hù)7 d齡期。升降板速度控制在0.08 mm/min，當(dāng)應(yīng)變<3%時(shí)，每0.5%應(yīng)變讀取數(shù)據(jù)一次；應(yīng)變≥3%時(shí)，每1%應(yīng)變讀取數(shù)據(jù)一次；當(dāng)讀數(shù)保持穩(wěn)定時(shí)再繼續(xù)增加3%～5%應(yīng)變即停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖中灰0%+砂20%表示粉煤灰摻量0%，天然砂摻量20%，以此類(lèi)推。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.2 Relation of unconfined compressive strengthagainst fly ash and weathered sand dosages

由圖2可知：

(1)灰10%+砂10%和灰15%+砂5%的2種復(fù)合材料改良比單一材料改良無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯提高。

(2)隨著粉煤灰摻量的增加和天然砂摻量的減小，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加后減小，灰15%+砂5%時(shí)無(wú)側(cè)限強(qiáng)度最大。這是因?yàn)?，一方面，膨脹土中摻入少量天然砂可以改良土體級(jí)配，砂顆粒和土顆粒互相包裹，增加了摩擦力，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；天然砂摻量過(guò)多時(shí)，砂顆粒將土顆粒架空，土體內(nèi)部空隙增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。另一方面，經(jīng)一段時(shí)間養(yǎng)護(hù)后，粉煤灰和膨脹土產(chǎn)生離子交換反應(yīng)，形成新的強(qiáng)度高的膠凝物質(zhì)，使土體黏結(jié)在一起，提高了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，隨著粉煤灰摻量的增加，硬凝反應(yīng)更強(qiáng)烈，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高。

(3)當(dāng)灰20%+砂0%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度突然降低，可能的原因是：沒(méi)有摻入天然砂的土樣就沒(méi)有砂顆粒與土顆粒摩擦提供的阻力；粉煤灰摻量過(guò)剩，多余的粉煤灰并沒(méi)有和土體進(jìn)行離子交換，相當(dāng)于一種游離的無(wú)黏性的粉土。

綜上所述，可以得出粉煤灰摻量為15%，且天然砂摻量5%時(shí)，二者對(duì)膨脹土強(qiáng)度提供的貢獻(xiàn)最大。

5 三軸試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度同樣配比，用靜壓制樣法，分4層均勻壓實(shí)，制備高80 mm，直徑39.1 mm的圓柱體三軸試樣。在圍壓分別為100，200，300 kPa，剪切速率為0.08 mm/min的條件下進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)。對(duì)于出現(xiàn)軟化的試樣取最高點(diǎn)為峰值強(qiáng)度，對(duì)于出現(xiàn)硬化的試樣取軸向應(yīng)變?yōu)?5%對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值為峰值強(qiáng)度。使用儀器與試樣如圖3所示。

圖3 全自動(dòng)三軸儀Fig.3 Fully automatic triaxial instrument

圖4 不同圍壓下三軸試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Triaxial test results under differentconfining pressures

三軸試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖中σ1-σ3為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之差，簡(jiǎn)稱(chēng)為主應(yīng)力差。

由圖 4可見(jiàn)：

(1)當(dāng)軸向應(yīng)變>7%時(shí)，在3種圍壓下，隨著粉煤灰摻量增加與天然砂摻量減少，主應(yīng)力差先增加后減小，且灰15%+砂5%時(shí)，主應(yīng)力差最大，相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度也最大。

(2)灰10%+砂10%和灰15%+砂5% 2種復(fù)合摻量改良膨脹土比用單一材料改良土強(qiáng)度更大。

為了進(jìn)一步研究粉煤灰-天然砂摻量對(duì)黏聚力與內(nèi)摩擦角的影響，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了表4，并繪制了圖5。

表4 粉煤灰-天然砂摻量對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響Table 4 Effect of fly ash and weathered sand content oncohesion and internal friction angle of expansive soil

圖5 復(fù)合材料不同摻量與內(nèi)摩擦角、黏聚力的關(guān)系Fig.5 Relation between the proportion of eachadmixture and the internal friction angle and cohesionof expansive soil

從圖5可以看出：

(1)隨著復(fù)合材料中粉煤灰摻量的增加，內(nèi)摩擦角先增加后減小，增加速度先快后慢，粉煤灰摻量為15%時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值。粉煤灰摻量從0%增加到5%，從5%增加到10%，從10%增加到15%時(shí)，內(nèi)摩擦角分別提高了106%，24.7%，21%；而粉煤灰摻量從15%增加到20%時(shí)，內(nèi)摩擦角降低了10.8%。原因?yàn)楫?dāng)粉煤灰摻入適量時(shí)，粉煤灰與土顆粒發(fā)生離子交換和膠凝反應(yīng)，使顆粒膠結(jié)在一起，顆粒粒徑變大，更加阻礙了顆粒間相對(duì)移動(dòng)，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增大；但當(dāng)粉煤灰摻入過(guò)多時(shí)，剩余的粉煤灰沒(méi)有和土顆粒發(fā)生反應(yīng)，游離在土顆粒和砂顆粒之間，吸水軟化后利于顆粒間相對(duì)滑動(dòng)，摩擦力減小，因而內(nèi)摩擦角減小。

(2)當(dāng)復(fù)合材料中天然砂摻量從0%增加到5%時(shí)，內(nèi)摩擦角增加；天然砂摻量從5%增加到20%時(shí)，內(nèi)摩擦角逐漸減小。其原因?yàn)樯邦w粒有棱角，少量天然砂能增加顆粒之間的摩擦力，增大內(nèi)摩擦角；當(dāng)砂顆粒過(guò)量時(shí)，砂顆粒將其他顆粒架空，形成懸浮結(jié)構(gòu)，顆粒間松散，使內(nèi)摩擦角減小。

(3)當(dāng)灰15%+砂5%時(shí)復(fù)合材料的內(nèi)摩擦角最大?？赡艿脑?yàn)椋@種復(fù)合摻量下粉煤灰顆粒、砂顆粒和土顆粒間包裹最為密實(shí)，3種顆粒充分互相接觸，使內(nèi)摩擦角最大。

由圖5(c)和圖5(d)可以看出：

(1)隨著復(fù)合材料中粉煤灰摻量的增加，黏聚力逐漸降低。這是因?yàn)榉勖夯冶旧頍o(wú)黏性，且其活性離子與土顆粒發(fā)生離子交換和膠結(jié)作用，需要一定時(shí)間，粉煤灰遇水軟化，加速了顆粒之間的移動(dòng)，降低了膨脹土的黏聚力。

(2)隨著復(fù)合材料中天然砂摻量的增加，黏聚力逐漸增加。這是因?yàn)樘烊簧坝鏊粫?huì)軟化，砂顆粒越多則軟化的粉煤灰顆粒越少，相對(duì)增加了改良膨脹土的黏聚力。

終上所述，在粉煤灰-天然砂復(fù)合材料中隨2種材料摻量的增加，內(nèi)摩擦角先增加后減小，且在內(nèi)摩擦角最大值時(shí)改良土抗剪強(qiáng)度達(dá)到最高，表明復(fù)合改良土強(qiáng)度的提高主要來(lái)自?xún)?nèi)摩擦角貢獻(xiàn)，從而得到最佳復(fù)合摻量比，即粉煤灰和天然砂摻量分別為15%和5%。

6 結(jié) 論

(1)粉煤灰摻量一定時(shí)，最大干密度隨天然砂摻量增加呈先增大后減小趨勢(shì)，而最優(yōu)含水量逐步減少；天然砂摻量一定時(shí)，最大干密度及最優(yōu)含水量隨粉煤灰摻量增加均逐漸減小。

(2)在粉煤灰和天然砂摻量之和為20%條件下，隨天然砂摻量減小，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與三軸抗剪強(qiáng)度先增大后減小，粉煤灰15%+天然砂5%時(shí)強(qiáng)度最大。

(3)在粉煤灰-天然砂復(fù)合材料中隨2種材料摻量的增加，內(nèi)摩擦角先增加后減小，且在內(nèi)摩擦角最大值時(shí)改良土抗剪強(qiáng)度達(dá)到最高，表明復(fù)合改良土強(qiáng)度的提高主要來(lái)自?xún)?nèi)摩擦角貢獻(xiàn)，此時(shí)粉煤灰和天然砂摻量分別為15%和5%。

(4)在2種材料摻量之和一定的條件下，隨著復(fù)合材料中粉煤灰摻量的增加，黏聚力逐漸降低；隨著天然砂摻量的增加，黏聚力逐漸增加。