石灰-EPS顆粒復(fù)合改良膨脹土的膨脹性研究

孫健峰，李明東，潘耀森，朱麗萍，王升福

(1.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2. 云浮市交通運(yùn)輸事務(wù)服務(wù)中心，廣東 云浮 527300；3. 東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引 言

膨脹土在我國(guó)的分布范圍較廣，是一種具有吸水膨脹、失水收縮物理性質(zhì)的特殊土體，其脹縮性引起的土體反復(fù)變形導(dǎo)致土體強(qiáng)度損失，易引起膨脹土邊坡淺層局部失穩(wěn)、公路路基坍塌等工程問(wèn)題[1-3]。為解決這一問(wèn)題，諸多學(xué)者開(kāi)展了膨脹土的改良研究。陳雷等[4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了石灰改良膨脹土作為路基填料的膨脹和力學(xué)性質(zhì)。邊加敏[5]研究了石灰改良膨脹土的水穩(wěn)定性。李國(guó)維等[6]在弱膨脹土中摻入崩解性砂巖發(fā)現(xiàn)其膨脹率、膨脹力、最優(yōu)含水率與摻入量負(fù)相關(guān)。余夢(mèng)等[7]利用巴氏芽孢八疊球菌開(kāi)展MICP壓力灌漿改性膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)，灌漿處理后試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最多提高了379.4%，膨脹力最高可減少25.3 kPa，滲透系數(shù)最大減少3個(gè)數(shù)量級(jí)。曾娟娟等[8]利用生物酶改良路基膨脹土，發(fā)現(xiàn)其自由膨脹率和50 kPa下有荷膨脹率顯著降低。劉宇翼[9]向膨脹土中添加了30%的電石渣和稻殼灰發(fā)現(xiàn)，膨脹土的自由膨脹率從82%下降到39%。實(shí)際工程中多采用基于素膨脹土最大干密度確定的最優(yōu)含水率作為石灰改良膨脹土的施工含水率[10]，這種方法未考慮膨脹性這一膨脹土的根本問(wèn)題。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，配土含水率對(duì)膨脹力有一定的影響，在控制其他變量相同的情況下，通常隨著配土含水率的增加，膨脹力會(huì)減小[11-12]，表明膨脹力可以作為膨脹性能指標(biāo)研究配土含水率的影響。

EPS顆粒又稱(chēng)聚苯乙烯泡沫塑料，2019年我國(guó)聚苯乙烯進(jìn)口數(shù)量為131萬(wàn)t[13]，由于回收價(jià)值低，大多廢棄為垃圾。在國(guó)家戰(zhàn)略推動(dòng)之下，加快EPS顆粒的資源化利用日漸受到重視。因?yàn)槠渚邆漭^好的抗水性和優(yōu)異的緩沖性能，莊心善等[14]在膨脹土中添加EPS顆粒，通過(guò)EPS顆粒的變形吸收膨脹能量，從而改善膨脹土脹縮性，并有優(yōu)良的保溫減振效果。朱偉等[15]在疏浚淤泥中添加固化材料和EPS顆粒，制作成淤泥EPS顆?；旌陷p質(zhì)土，既可以資源利用化疏浚淤泥，又可以減少軟土地基的處理費(fèi)用。

本文綜合石灰和EPS顆粒改良膨脹土技術(shù)，提供了一種新的膨脹土改良技術(shù)。在遴選最佳石灰摻量和最佳摻水量的基礎(chǔ)上，摻入不同體積分?jǐn)?shù)的EPS顆粒，測(cè)試復(fù)合改良膨脹土的有荷載膨脹率和膨脹力，分析EPS顆粒對(duì)膨脹性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料

(1)膨脹土。取自河南省南陽(yáng)市某基坑，灰色，硬塑狀態(tài)，土中含有少量結(jié)核，結(jié)核呈灰白色。土樣的自由膨脹率為46%，為弱膨脹潛勢(shì)?；疚锢碇笜?biāo)見(jiàn)表1。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo) %

(2)石灰。由江西惠灰石灰廠生產(chǎn)，白色，堆積密度為1.18 g/cm3。主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 石灰的主要化學(xué)成分 %

(3)EPS顆粒。購(gòu)自河南宮市乙豐泡沫制品廠，顆粒粒徑為1.2 mm，堆積密度0.019 g/cm3。

2 試驗(yàn)方案

2.1 最佳石灰摻量的確定

考慮到石灰的吸水性，先分別制備含水率ω為18%、22%、24%、26%、28%、30%的素膨脹土，再分別與0、2%、4%、6%、8%、12%的石灰拌和制備得到石灰改良膨脹土試樣，共36組。按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]對(duì)試樣進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，分析自由膨脹率與不同石灰摻量的關(guān)系，獲得最佳石灰摻量。

不同含水率下，膨脹土的自由膨脹率隨石灰摻量變化見(jiàn)圖1。從圖1可知，加入石灰后，膨脹土的自由膨脹率大幅度下降，這是因?yàn)槭译娊馍筛邇r(jià)陽(yáng)離子Ca2+與Na+、K+發(fā)生置換反應(yīng)[17]，使膨脹土吸水膜變薄，并形成團(tuán)聚體[18]。當(dāng)石灰摻量小于4%時(shí)，自由膨脹率隨石灰摻量的增加迅速下降；而石灰摻量大于4%時(shí)，再增加石灰摻量收效甚微，考慮到經(jīng)濟(jì)性，可認(rèn)定最佳石灰摻量為4%。

圖1 石灰摻量對(duì)膨脹土自由膨脹率的影響

2.2 最佳摻水量的確定

在最佳石灰摻量下，測(cè)試不同含水率下石灰改良膨脹土的自由膨脹率，分析改良土自由膨脹率與實(shí)測(cè)含水率的關(guān)系，自由膨脹率值最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率即為石灰改良膨脹土的最佳摻水量。

圖2是在最佳石灰摻量4%下，改良土自由膨脹率隨實(shí)測(cè)含水率變化。從圖2可以看出，隨著含水率的增加，改良土自由膨脹率呈現(xiàn)先下降后再上升的趨勢(shì)。含水率為21.04%時(shí)，自由膨脹率最低，為8.5%，由此認(rèn)定，最佳摻水量為21.04%。

圖2 改良土自由膨脹率隨含水率的變化

2.3 石灰-EPS復(fù)合改良膨脹土試驗(yàn)

在最佳石灰摻量和最佳摻水量下，將EPS顆粒按體積分?jǐn)?shù)分別以0、5%、15%、30%、50%摻入改良土中，混合均勻后經(jīng)過(guò)擊實(shí)得到5組土樣，分別用E0、E5、E15、E30、E50表示。在最佳摻水量下制作素膨脹土土樣，作為石灰-EPS復(fù)合改良的對(duì)照試樣，用W表示。分別進(jìn)行有荷膨脹率試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)，有荷膨脹率試驗(yàn)在WG型單杠桿固結(jié)儀上開(kāi)展，膨脹力試驗(yàn)在WG型三聯(lián)低壓固結(jié)儀上開(kāi)展。試樣匯總見(jiàn)表3。

表3 試樣匯總 %

3 石灰-EPS顆粒復(fù)合改良膨脹土的膨脹性

3.1 石灰-EPS顆粒對(duì)有荷載膨脹率的影響

EPS顆粒添加量對(duì)有荷載膨脹率的影響見(jiàn)圖3。從圖3可知，EPS顆粒摻量有助于降低膨脹土的有荷載膨脹率。為進(jìn)一步分析EPS顆粒添加量對(duì)有荷載膨脹率的影響，參考莊心善等[19]的方法，定義改良效率A為在同一荷載下，不同EPS顆粒添加量下的絕對(duì)有荷載膨脹率降低率與EPS顆粒添加量之比。改良效率A反映了單位EPS顆粒添加量下的絕對(duì)有荷載膨脹率降低效率，公式為

(1)

圖3 EPS顆粒添加量對(duì)有荷載膨脹率的影響

式中，XE為EPS顆粒摻量的體積分?jǐn)?shù)；Yi為XE下的某個(gè)荷載下的有荷載膨脹率；Y0為在施加與Yi相同荷載下土樣E0的有荷載膨脹率。

圖4為EPS添加量與有荷載膨脹率改良效率A的關(guān)系。從圖4可知，在不同荷載下，改良效率A總體上隨著EPS顆粒添加量的增加而降低，EPS顆粒添加量為5%時(shí)，改良效率A最大。

圖4 EPS顆粒添加量與改良效率A的關(guān)系

圖5 上覆荷載對(duì)有荷載膨脹率的影響

上覆荷載對(duì)有荷載膨脹土膨脹率的影響見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，有荷載膨脹率隨著上覆荷載的增加而降低。出現(xiàn)這種情況的原因是，上覆荷載逐漸變大時(shí)，膨脹土?xí)驗(yàn)樯细埠奢d而壓縮，但膨脹土吸水會(huì)引起體積增大，因此當(dāng)膨脹變形大于壓縮變形時(shí)，膨脹土整體會(huì)表現(xiàn)出膨脹狀態(tài)；當(dāng)上覆荷載比較大時(shí)，膨脹變形不足以抵消壓縮變形，此時(shí)膨脹土就會(huì)表現(xiàn)出壓縮變形，因此出現(xiàn)了膨脹土隨著上覆荷載的逐漸增加，有荷載膨脹率由正值變負(fù)值的現(xiàn)象。當(dāng)上覆荷載分別為25、50、75 kPa時(shí)，有荷載膨脹率隨著EPS顆粒添加量的增加而降低，這是因?yàn)镋PS顆粒是一種穩(wěn)定性好、吸濕性低的材料，不易吸水膨脹，當(dāng)EPS顆粒摻量增加時(shí)，意味著膨脹土顆粒的占比會(huì)減小，所以膨脹性也會(huì)隨之降低。當(dāng)上覆荷載為100 kPa時(shí)，素膨脹土的有荷載膨脹率最低，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在此時(shí)的荷載下EPS顆粒不容易被壓縮，而膨脹土顆粒卻繼續(xù)被壓縮，導(dǎo)致素膨脹土的壓縮變形最大，有荷載膨脹率最低。

3.2 石灰-EPS顆粒對(duì)膨脹力的影響

EPS顆粒添加量對(duì)膨脹土膨脹力的影響見(jiàn)圖6。從圖6可知，隨著EPS顆粒含量由0增加至5%，膨脹土膨脹力由21.28 kPa下降到9.08 kPa，減少了12.20 kPa；EPS顆粒含量由5%增加至50%，膨脹土膨脹力由9.08 kPa減小到2.32 kPa，減小了6.76 kPa。可以看出，EPS顆粒摻量可以降低膨脹土的膨脹力。為進(jìn)一步分析EPS顆粒添加量對(duì)膨脹力的改良效果，定義改良效率B為不同EPS顆粒添加量下的絕對(duì)膨脹力降低率與EPS顆粒添加量之比，改良效率B反映了單位EPS顆粒添加量下的絕對(duì)膨脹力降低效率，公式為

(2)

式中，Pi為XE下的膨脹力；P0為土樣E0的膨脹力。

圖6 EPS顆粒添加量對(duì)膨脹力的影響

圖7為EPS添加量與改良效率B的關(guān)系。從圖7可以看出，添加5%EPS顆粒時(shí)，改良效率B達(dá)到最大，為11.46%，而添加15%、30%、50%EPS顆粒時(shí)改良效率B呈下降趨勢(shì)。

圖7 EPS顆粒添加量與改良效率B的關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于不同的石灰摻量和不同的EPS顆粒添加量，對(duì)南陽(yáng)市某基坑的膨脹土的膨脹性能進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)石灰摻入膨脹土中，對(duì)其膨脹性有一定的抑制作用，考慮經(jīng)濟(jì)性的原則下，最佳的石灰摻量為4%。

(2)在最佳的石灰摻量4%下，實(shí)測(cè)改良土的含水率，其中自由膨脹率值最小的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率為21.04%，即為最佳摻水量。

(3)基于最佳的石灰摻量4%和最佳摻水量21.04%，再向膨脹土中摻入EPS顆粒后發(fā)現(xiàn)，EPS顆粒添加量有助于降低復(fù)合改良土的有荷載膨脹率和膨脹力，屬于負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(4)對(duì)不同EPS添加量下的有荷載膨脹率和膨脹力進(jìn)行進(jìn)一步的分析，得到不同EPS添加量下的改良效應(yīng)系數(shù)曲線，當(dāng)EPS摻量為5%時(shí)，改良效率A和改良效率B均最大。