工業(yè)堿渣改性膨脹土室內(nèi)試驗研究

孫孝海，謝建斌，趙一錦，陳偉，張文豪，江勝

(云南大學 建筑與規(guī)劃學院，云南 昆明 650500)

0 引 言

膨脹土是一種以親水性礦物為基本成分的高塑性特殊土，吸水膨脹，失水收縮、開裂，這些特性會導致修筑在膨脹土地基上的建筑物或構(gòu)筑物發(fā)生破壞。因此，眾多專家學者[1-5]對膨脹土進行改良研究，使其滿足工程建設(shè)要求。陳永青等[6]、董泊林等[7]、安愛軍等[8]利用生物酶、碎石、石灰-火山灰等改良膨脹土，表明生物酶能有效提高改良膨脹土的力學性能；碎石摻量對改良膨脹土的效果影響明顯，中等強度膨脹土建議在最優(yōu)含水率條件下?lián)剿槭?5%,以達到較優(yōu)改良效果；石灰-火山灰對膨脹土進行改性后,土顆粒膠結(jié)緊密，降低了孔隙的連通性，有效抑制了膨脹土的脹縮特性；鄧友生等[9]對不同長度聚丙烯纖維按0.0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%質(zhì)量分數(shù)進行改良膨脹土研究；劉祖強等[10]建立了干濕循環(huán)作用下渠頂膨脹土的豎向變形模型，研究了渠頂變形與干濕循環(huán)的關(guān)系；謝輝輝等[11]開展環(huán)剪試驗，研究干濕循環(huán)次數(shù)與膨脹土的峰值強度的聯(lián)系；邊加敏[12]分析了石灰改良膨脹土的水穩(wěn)定特性；徐海波等[13]等通過室內(nèi)常規(guī)三軸試驗證實摻入水泥明顯影響膨脹土的塑限、塑限指數(shù)和自由膨脹率；符策嶺等[14]等通過一系列室內(nèi)試驗，得到膨脹土基本物理力學性能和水穩(wěn)定性等各項指標的變化規(guī)律；張雁等[15]等從微觀角度揭示煤矸石粉改良膨脹土強度變化機理。

常見的膨脹土改良方法包括水泥、石灰和碎石等，而工業(yè)堿渣在改良膨脹土中的應用較為少見。國內(nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)堿渣能有效抑制膨脹土的膨脹變形。云南地區(qū)的土質(zhì)偏酸性，同時為了使工業(yè)堿渣得到更好的利用，本文通過大量室內(nèi)試驗探討摻工業(yè)堿渣改良膨脹土的可行性，以期為工業(yè)堿渣改良膨脹土提供指導和借鑒。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自蒙自市上海路路段，黃褐色，其中混雜少許鈣質(zhì)結(jié)核以及隧石，取土深度為1.5～2 m。該區(qū)域膨脹土主要為中膨脹潛勢的膨脹土，不均勻系數(shù)Cu=7.973，曲率Cc=1.255，其他基本物理力學特性如表1所示。

表1 蒙自膨脹土物理力學參數(shù)

工業(yè)堿渣的主要成分為 CaCO3，CaO，MgCO3，CaCl2，NaCl，Na2SO4，CaSO4等，其中CaCO3，CaO可以有效改良膨脹土。而水泥中均含有CaO，SiO2，F(xiàn)e2O3，Al2O3等成分，以往也有眾多學者將之運用于改良膨脹土，并取得較好效果。

1.2 試驗方案

(1)分別設(shè)計素膨脹土、素膨脹土摻水泥(2%,4%，6%，8%，10%)、素膨脹土摻工業(yè)堿渣(10%，20%，30%，40%，50%)、素膨脹土摻水泥+工業(yè)堿渣(2%+10%，4%+20%，6%+30%，8%+40%，10%+50%)16組土樣，進行自由膨脹率、顆粒級配和液塑限對比試驗。

(2)素膨脹土、素膨脹土摻水泥(2%，4%，6%，8%，10%)、素膨脹土摻工業(yè)堿渣(10%，20%，30%，40%，50%)、素膨脹土摻水泥+工業(yè)堿渣(2%+10%，4%+20%，6%+30%，8%+40%，10%+50%)共計16組土樣，每組制備5個不同含水率的土樣，其中2個大于塑限，2個小于塑限，1個接近塑限，即2個土樣含水率大于23.2%，2個小于23.2%，1個接近23.2%，分別進行擊實試驗。

(3)為便于試驗數(shù)據(jù)處理，將不同摻料比的水泥(2%，4%，6%，8%，10%)、工業(yè)堿渣(10%，20%，30%，40%，50%)、水泥+工業(yè)堿渣(2%+10%，4%+20%，6%+30%，8%+40%，10%+50%)劃分為5個等級，其中1等級為2%的水泥、10%的工業(yè)堿渣和2%+10%的水泥+工業(yè)堿渣，其余4個等級依次類推。

2 3種摻料自由膨脹率對比試驗

為提高試驗準確性，在進行自由膨脹率試驗前，共制備了48組試樣(每種摻料比制備3份)，將48組試樣放置于室內(nèi)陰暗處，靜置12 h。3種改性膨脹土的自由膨脹率隨摻料等級變化的結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同摻料比改性膨脹土自由膨脹率曲線

由圖1可知，3種改性土的自由膨脹率隨摻料等級的變化規(guī)律基本相似，均使云南蒙自膨脹土的自由膨脹率大幅度下降。其中隨著摻料等級遞增，3種改性膨脹土的自由膨脹率先快速減小，然后小幅度上升，最后趨于穩(wěn)定。摻料等級為3時，自由膨脹率最小，此時工業(yè)堿渣摻料比為30%，將蒙自典型膨脹土的自由膨脹率從71%降至18%左右；水泥改性土和水泥+工業(yè)堿渣混合改性土的最小自由膨脹率約為24%和28%，相差不大。3種改性土樣在最佳摻料比時，工業(yè)堿渣的最小膨脹率約是水泥的75%，是水泥+工業(yè)堿渣的64%。試驗表明，工業(yè)堿渣對抑制云南典型膨脹土的效果優(yōu)于常見的改性材料水泥。

試驗中，3種改性摻料提供大量的高價陽離子，如Al3+，F(xiàn)e3+等，通過與膨脹土自帶的離子發(fā)生置換反應，使膨脹土對水分子的吸引力減小，進而降低結(jié)合水膜厚度，所以改性土樣的自由膨脹率變??；膨脹土中的水附低價離子數(shù)目一定，隨著摻料比不斷增加，置換離子的速率逐漸緩慢，而剩余摻料與水發(fā)生反應，導致改性膨脹土膨脹率出現(xiàn)微小提高。

3 基本物理性質(zhì)試驗

3.1 膨脹土改性土顆粒分析試驗

膨脹土的顆粒級配是不同地區(qū)膨脹土工程性質(zhì)呈現(xiàn)差異的主要原因之一。采用四分法對角取土樣，加入摻料后對16組土樣密封24 h，最后將其風干烘烤。通過篩分法對16組土樣進行顆粒級配試驗，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同摻料比與素膨脹土顆粒級配對比曲線

從圖2可以看出，素膨脹土的顆粒曲線變化趨勢與不同摻比的水泥、工業(yè)堿渣、水泥+工業(yè)堿渣顆粒曲線相似。顆粒粒徑在10～100 mm時，隨著摻料比的增加，各粒徑所占質(zhì)量分數(shù)變化較?。涣綖?.1～10 mm時，3種摻料的不同摻比對素膨脹土的粒徑影響較大，不同粒徑顆粒質(zhì)量分數(shù)隨著摻料比的增加而變大，其中水泥和水泥+工業(yè)堿渣的顆粒大小曲線基本相同，而工業(yè)堿渣對該區(qū)間的改良明顯優(yōu)于水泥和水泥+工業(yè)堿渣。摻料比6%，8%和10%的水泥改良膨脹土顆粒級配曲線基本重合，說明素膨脹土對超過6%后的摻料比敏感度下降，同樣水泥+工業(yè)堿渣的最佳摻料比為6%+30%，工業(yè)堿渣提升素膨脹土顆粒粒徑的最佳摻料比為30%。

添加水泥、工業(yè)堿渣和水泥+工業(yè)堿渣3種改性材料后，素膨脹土的黏粒質(zhì)量分數(shù)不斷下降，粉粒和砂粒質(zhì)量分數(shù)不斷提高，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是摻料中的成分與蒙自膨脹土發(fā)生離子交換，生成絡合物，使膨脹土顆粒產(chǎn)生凝聚反應，聚集成大顆粒。3種改性摻料都在一定程度上抑制了蒙自膨脹土的脹縮潛勢，其中以摻加工業(yè)堿渣的改性膨脹土最為明顯，且工業(yè)堿渣在摻料比10%時，素膨脹土的敏感性最明顯，隨著摻料比繼續(xù)增大，抑制效果逐漸增強，直至摻料比30%時，抑制效果最好。

3.2 液塑限試驗

測定土體的液塑限對了解、掌握土體性狀至關(guān)重要，通過液塑限聯(lián)合測定法測定云南蒙自膨脹土素土以及眾多改良土的液限和塑限，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同摻料比與阿太保界限關(guān)系曲線

由圖3可見，水泥改性土的液限和塑性指數(shù)隨著水泥摻料比的增加緩慢減小，摻料比2%～4%時，下降幅度最大。水泥+工業(yè)堿渣改性土的液限和塑性指數(shù)曲線的變化趨勢相似，整體上隨著摻料的增加逐漸減小，摻料等級為0～1(0～2%+10%)時，素膨脹土對水泥+工業(yè)堿渣較為敏感；摻料比為4(8%+40%)時，塑限達到最大值，塑性指數(shù)達到最小值。工業(yè)堿渣改性土的液限和塑性指數(shù)曲線隨著摻料比的增加先減小后緩慢增加，對0%～10%的摻料比敏感度最大，塑限曲線在摻料比40%時，達到最大值，此時塑性指數(shù)曲線達到最小值。3種摻料曲線整體變化趨勢相似。

分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：不同摻料比的3種摻料中含有大量的鈣離子化合物，在水的作用下，水化生成 Ca(OH)2等水化物，使膨脹土聚集成粒徑較大的顆粒，將散亂的土顆粒變成一種凝結(jié)、有序結(jié)構(gòu)，膨脹土含水率下降，因此液限減??；膨脹土的黏性顆粒四周聚集大量的陰離子，這些負電荷在電場作用下吸附水中的水化陽離子形成雙電子層，其整齊排列在土顆粒表面，成為結(jié)合水膜，膨脹土隨著結(jié)合水膜厚度增加而脹縮，而摻料中含有的化合物與水反應生成可溶性的鈣離子，這些鈣離子與膨脹土中的低價離子發(fā)生置換反應，使結(jié)合水膜厚度降低，導致塑限產(chǎn)生變化；同時這些水化物增大了土顆粒之間的膠結(jié)力，降低土顆粒的孔隙率，增強了土體密實度，所以土體塑性指數(shù)隨著摻料增加而逐漸減小，但是素膨脹土中的離子數(shù)目一定，當摻料比超過某一界限值時，液塑限變化將很小，且剩余摻料與水發(fā)生發(fā)應，造成液塑限曲線浮動。

綜上所述，水泥、工業(yè)堿渣以及水泥和工業(yè)堿渣對蒙自膨脹土的液塑限影響明顯。其中，工業(yè)堿渣影響最明顯，當工業(yè)堿渣摻比達到40%時，塑限增至約37%，液限降至約42%，塑性指數(shù)降至約5.3，遠小于10。說明摻加工業(yè)堿渣對云南蒙自膨脹土的脹縮特性抑制效果明顯。

3.3 擊實試驗

為了確定向蒙自膨脹土中加入改良摻料是否會對最大干密度和最優(yōu)含水率產(chǎn)生影響，將制備好的土樣放入塑料袋中，密封靜置24 h，然后進行室內(nèi)擊實試驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 最大干密度與最優(yōu)含水率關(guān)系曲線

由圖4可見，摻加改性摻料后，蒙自膨脹土的最優(yōu)含水率與最大干密度均有一定變化，整體上干密度隨含水率的變化曲線呈倒V形，隨著含水率的增加先增大后減小。其中最大干密度和最優(yōu)含水率隨著水泥摻比的增加先減小再增加，當水泥摻比6%時，最大干密度約1.48 g/cm3，最優(yōu)含水率21%。摻加水泥+工業(yè)堿渣混合改性摻料后的最大干密度隨著摻料比增加而減小，最佳含水率先減小后增大，當摻料比為4%+20%時，最佳含水率約為20.1%，此時最大干密度約為1.54 g/cm3。摻加工業(yè)堿渣改性摻料后，隨著摻比增加干密度逐漸減小，最優(yōu)含水率先逐步減小后增大，當工業(yè)堿渣摻比為30%時，最大干密度約為1.42 g/cm3，最優(yōu)含水率約為19.3%。3種改性摻料的最大干密度和最佳含水率均小于蒙自膨脹土重塑土的最大干密度1.55 g/cm3與最佳含水率24%。其中工業(yè)堿渣對膨脹土的影響最為顯著，摻加工業(yè)堿渣后，改性土干密度與含水率關(guān)系曲線較素膨脹土的曲線緩和，摻比為30%時，最大干密度與最優(yōu)含水率均較素膨脹土減小很多，改良效果最佳。

適量的改性摻料能有效改善膨脹土的級配，粒徑小的水泥或工業(yè)堿渣顆粒能填入土顆粒之間，并形成新的凝聚礦物，增大土顆粒間的膠結(jié)力，降低土樣的擊實效果，使土體干密度減小，當摻料比過大時，多余摻料會加大粉粒和砂粒之間的摩擦阻力，干密度也會降低；摻入改性摻料后，膨脹土顆粒與高價陽離子交換，降低了土顆粒周圍的雙電層密度和厚度，土樣孔隙率減小，更加容易被擊實，因此，土體最優(yōu)含水率減小。

4 細觀分析

通過SEM進行掃描電鏡試驗，觀察分析3種改性膨脹土樣的微觀結(jié)構(gòu)。素膨脹土、水泥改性土、水泥+工業(yè)堿渣改性土、工業(yè)堿渣改性土的微觀結(jié)構(gòu)示意圖如圖5～8所示。

圖5 素膨脹土微觀結(jié)構(gòu)

圖5為電鏡下蒙自膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為連續(xù)的、雜亂分布的基質(zhì)狀微結(jié)構(gòu)，黏土基質(zhì)主要呈聚集狀，以面與面、面與邊、邊與邊排列形成集聚體。由于天然膨脹土一般含有大量的蒙脫石，蒙脫石是由上下硅氧四面體構(gòu)成的3層結(jié)構(gòu)，因此該基質(zhì)狀微結(jié)構(gòu)總體上比較松軟和散亂，基質(zhì)狀之間和基質(zhì)狀內(nèi)部存在大量孔隙，且裂隙發(fā)育穩(wěn)定以往研究成果表明,這種基質(zhì)狀微結(jié)構(gòu)面-面之間的聯(lián)結(jié)力較弱,且具有很強的吸水性能，雙電子層理論和晶格擴張理論可解釋膨脹土的膨脹機理。

圖6 水泥改性膨脹土微觀結(jié)構(gòu)

圖7 水泥+工業(yè)堿渣改性膨脹土微觀結(jié)構(gòu)

圖8 工業(yè)堿渣改性膨脹土微觀結(jié)構(gòu)

從圖6～8可看出，在3種改性摻料作用下，膨脹土形成具有蜂窩狀、骨架狀、海綿狀的混合結(jié)構(gòu)。改性摻料在水的作用下，生成具有凝膠性和黏結(jié)性的物質(zhì)，將松散的基質(zhì)聚集成大顆粒、礦物聚合體等，且這些較大顆粒緊密地組合在一起，相較于黏聚基質(zhì)以面與面、面與邊、邊與邊的方式結(jié)合更加密實，明顯提高了蒙自膨脹土散亂和蓬松的狀態(tài)。膠結(jié)物質(zhì)很大程度上充滿孔隙或間隙，使土顆粒的結(jié)合更加緊密，有效阻隔了水分子進入。從3種改性摻料改良膨脹土的微觀圖可見，工業(yè)堿渣對抑制云南典型膨脹土的吸水膨脹的效果好于傳統(tǒng)改性摻料水泥和混合摻料水泥+工業(yè)堿渣。

5 結(jié) 論

(1)相對于水泥和水泥+工業(yè)堿渣，工業(yè)堿渣對膨脹土自由膨脹率抑制效果最好。當摻比為30%時，自由膨脹率僅為18%，遠遠低于未摻料膨脹土的自由膨脹率71%。

(2)素膨脹土在3種改性摻料的作用下，通過離子交換降低膨脹土黏粒質(zhì)量分數(shù)，提高粉粒和砂粒質(zhì)量分數(shù)，其中工業(yè)堿渣的改良效果最為顯著。

(3)3種改性摻料液塑限曲線整體變化趨勢相同。水泥摻料的液限曲線逐漸下降，塑限上升，并且隨著水泥摻料比的增加，塑性指數(shù)逐漸減??；摻入工業(yè)堿渣后，液限曲線先減小后增大，塑限曲線先提升后下降，摻料比為30%時，塑性指數(shù)最小。

(4)工業(yè)堿渣對膨脹土的擊實曲線影響最大，當工業(yè)堿渣摻比為30%時，最大干密度約為1.42 g/cm3，最優(yōu)含水率約19.3%，遠小于蒙自膨脹土重塑土的最大干密度1.55 g/cm3與最佳含水率24%。