堿渣膨脹土混合填料路用性能測試

張少波 許斌 高奧東

（1.河北雄安京德高速公路有限公司，北京 100000；2.中路高科（北京）公路技術(shù)有限公司，北京 100000）

一、引言

膨脹土在中國分布面積非常廣泛，至少存在25個(gè)省份中。膨脹土富含蒙脫石、伊利石等強(qiáng)親水性礦物，具有裂縫、收縮、超固結(jié)等特殊工程性質(zhì)[1]。如果膨脹土含水量發(fā)生變化，其體積就會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而出現(xiàn)膨脹或收縮裂縫，對公路、鐵路等工程造成破壞，同時(shí)，膨脹土引起的危害具有長期性和重復(fù)性，膨脹土被稱為“工程癌癥”[2]。因此，如果在膨脹土地區(qū)建設(shè)項(xiàng)目，膨脹土應(yīng)通過技術(shù)處理，然后用作填料。

膨脹土改性措施很多，例如土壤置換、濕度控制、物理改性和化學(xué)改良。不同修改方法有不同原理和特點(diǎn)。近年來，由于環(huán)境保護(hù)越來越受到人們的重視，學(xué)者們開始使用各種固體廢棄物作為膨脹土改良劑，如粉煤灰、高爐礦渣、水泥窯灰、稻殼[3]。

堿渣是堿廠排放的廢渣，我國氨堿法年產(chǎn)堿渣5億噸。因此，它成為堿廠一個(gè)急需解決的嚴(yán)重問題[10]。堿渣由碳酸鈣、硫酸鈣、氯化鈣等鈣鹽組成，可用作土壤養(yǎng)護(hù)材料。

本文針對中等膨脹性膨脹土，分析了堿渣與膨脹土混合填料在不同養(yǎng)護(hù)期和不同配比下的膨脹率、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和加州承載比。研究結(jié)果將為今后工程實(shí)踐提供一些參考。

二、材料

（一）堿渣

在自然狀態(tài)下，堿渣呈灰色，非常刺鼻。本文所用堿渣基本物理性質(zhì)如表1所示?？梢钥闯?，堿渣天然含水量、液限、塑限相對較高，但塑性指數(shù)較低，不存在膨脹。用多晶X射線熒光光譜儀分析堿渣的化學(xué)成分，如表2所示。主要陽離子為Ca2+、Na+、Mg2+，主要成分為CaO。其PH值為8.9，呈弱堿性。

表1 堿渣的物理性質(zhì)

（二）膨脹土

根據(jù)《公路工程土壤試驗(yàn)方法》（JTG E40-2007）[13]對膨脹土進(jìn)行了顆粒組成、極限含水量、壓實(shí)特性和自由膨脹率試驗(yàn)。由此可以得出結(jié)論，膨脹土具有中等膨脹潛力。膨脹土化學(xué)成分也通過XRF進(jìn)行了測試，如表2所示。其主要成分為SiO2和Al2O3。

三、試驗(yàn)方案

（一）摻配比率

本文中摻配比率是堿渣與膨脹土的干質(zhì)量比?？紤]到樣品操作可行性和方便性，混合率設(shè)計(jì)為0%、10%、20%、30%、40%和50%。

表2 堿渣和膨脹土的化學(xué)成分

（二）測試方法

為獲得堿渣與膨脹土混合填料路用性能，進(jìn)行膨脹試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)。所有試驗(yàn)方法參照《公路工程土壤試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)。

（三）試驗(yàn)程序

1.堿渣和膨脹土經(jīng)干燥、篩分后，按設(shè)計(jì)配比混合均勻。然后加水?dāng)嚢杌旌衔?，并將其放入密封袋中?4小時(shí)。

2.通過自制樣品制備裝置[14]，可以使用靜壓法將一定量的混合物壓實(shí)成標(biāo)準(zhǔn)樣品。檢查樣品表面粗糙度和高度是否符合要求。壓實(shí)度選擇為95%。

3.樣品放置在溫度為20±3℃，濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中。養(yǎng)護(hù)時(shí)間設(shè)定為0天、7天、14天、28天。

4.當(dāng)達(dá)到特定固化時(shí)間時(shí)，取出樣品，進(jìn)行兩組平行試驗(yàn)，包括膨脹試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)。

四、結(jié)果和討論

（一）膨脹率

膨脹土膨脹率是膨脹變形關(guān)鍵指標(biāo)。摻堿渣后膨脹土無壓膨脹率如圖1所示。結(jié)果表明，隨著摻配比率降低，無壓膨脹率顯著降低。當(dāng)摻配比率達(dá)到20%時(shí)，無壓溶脹率從15.7%降至3.2%。此外，通過觀察混合料膨脹過程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水飽和時(shí)，膨脹在前10小時(shí)迅速增加，然后變得緩慢，50小時(shí)后基本完成。

圖1 無壓膨脹率隨摻配比率的變化圖

選擇混合率為20%的樣品進(jìn)行膨脹試驗(yàn)，固化時(shí)間分別為0天、7天、14天、28天，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，膨脹率顯著降低。養(yǎng)護(hù)7天，無壓膨脹率降至0.9%，養(yǎng)護(hù)28天，混合物完全消除了膨脹。

圖2 無壓膨脹率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化圖

（二）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻配比率的變化圖

添加堿渣對混合填料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響，如圖3所示。可以觀察到堿渣對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯影響。隨著摻配比率增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增加，在摻配比率達(dá)到30%后，增加速率趨于穩(wěn)定。這表明，堿渣含量越高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不一定越高。當(dāng)混合率超過30%時(shí)，過多堿渣相當(dāng)于增加其自身非黏性成分。

如圖4所示，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為0天、7天、14天、28天時(shí)，混合率為20%的樣品無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，凝結(jié)時(shí)間越長，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值越高。7天后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加到817.5kPa，14天后達(dá)到940.5kPa，是原始狀態(tài)的兩倍。超過14天后，隨著凝結(jié)時(shí)間變化，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度沒有顯著提高，這表明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，堿渣對穩(wěn)定土上部強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大。

圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化圖

（三）抗剪強(qiáng)度

通過直剪試驗(yàn)測試的抗剪強(qiáng)度指數(shù)如圖5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著堿渣含量增加，黏聚力（C）先增加后降低，并在摻配比率為30%時(shí)達(dá)到峰值。未處理土壤的黏聚力為30.19kPa，而摻配比率為30%時(shí)的最大黏聚力為104.73kPa，增加235.7%。主要原因是堿渣與膨脹土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的復(fù)合物，提高了土壤的密度。內(nèi)摩擦角（φ）隨摻配比率增加變化不大，在25°和29°之間保持穩(wěn)定。這是由于膨脹土顆粒和改良土顆粒摩擦力大致相等。

（四）加州承載比（CBR）

圖5 抗剪強(qiáng)度指數(shù)隨摻配比率的變化圖

圖6 CBR隨摻配比率的變化圖

圖7 CBR隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化圖

CBR用于評估路基材料承載力和抗變形能力。在路基施工中，它是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。如圖6所示，顯示了混合填料CBR值隨堿渣的變化。從圖中可以看出，原膨脹土CBR小于8%，因此原膨脹土不能直接用于公路路基。堿渣改良后，CBR值大大提高，完全滿足公路路基路堤填筑要求。例如，當(dāng)混合率為30%時(shí)，CBR值達(dá)到33.6%。此外，凝結(jié)時(shí)間對混合填料的CBR值有顯著影響。凝結(jié)時(shí)間越長，CBR越高。固化14天后，與未經(jīng)處理的樣品相比，CBR增加了125.6%，28天后增加了162.3%。

五、結(jié)語

通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)，對工業(yè)堿渣-膨脹土混合填料的路用性能進(jìn)行綜合研究。研究結(jié)論如下：

1.堿渣-膨脹土混合料無壓膨脹率隨摻量增加而顯著降低。然而，當(dāng)摻配比率超過20%時(shí)，溶脹率變化不大。溶脹速率與摻配比率呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。同時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對膨脹率有明顯影響。養(yǎng)護(hù)7天，無壓膨脹率降至0.9%，養(yǎng)護(hù)28天，混合物完全消除了膨脹。

2.堿渣膨脹土混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨混合比的增大而增大。當(dāng)混合比超過30%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化很小。此外，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也有顯著影響，如養(yǎng)護(hù)14天試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是未養(yǎng)護(hù)試樣的兩倍。養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高。

3.堿渣膨脹土混合料的粘聚力隨混合比的增大先增大后減小。當(dāng)摻量為30%時(shí)，粘聚力達(dá)到峰值，是未處理膨脹土的三倍。內(nèi)摩擦角隨摻配比率增加變化不大，在25°～29°之間保持穩(wěn)定。

4.堿渣膨脹土混合料的CBR值隨摻量和凝結(jié)時(shí)間的增加而增加。固化14天后，與未經(jīng)處理的樣品相比，CBR增加125.6%，28天后增加162.3%。