復(fù)合穩(wěn)定劑對(duì)黃土滲透性的影響★

申 壯，梁 進(jìn)

(山西省勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030013)

1 概述

黃土是一種強(qiáng)度較低，壓縮小且遇水后結(jié)構(gòu)易被破壞并產(chǎn)生顯著下沉的黃色、褐黃色各向異性、疏松多孔的土壤。黃土的自身特性導(dǎo)致遇水自重易濕陷，滲透性強(qiáng)，不適合作為天然地基。山西地區(qū)黃土分布廣泛，且人口密度增大，城市可用性建設(shè)區(qū)域緊張，導(dǎo)致了各種高填方建設(shè)用地(機(jī)場、住宅、工業(yè)園區(qū))的出現(xiàn)，適當(dāng)?shù)馗牧键S土有助于黃土地區(qū)的工程建設(shè)[1]。

在黃土高填方建設(shè)用地的淺層深度，黃土的滲透性較強(qiáng)，遇水會(huì)發(fā)生較大的沉降，對(duì)其進(jìn)行改良很有必要。環(huán)氧樹脂和工業(yè)廢渣-粉煤灰的復(fù)合物作為黃土穩(wěn)定劑，對(duì)黃土性質(zhì)的影響尚未進(jìn)行研究。本文研究了兩種傳統(tǒng)穩(wěn)定劑(水泥、生石灰+礦渣粉)和一種非傳統(tǒng)復(fù)合穩(wěn)定劑(粉煤灰+環(huán)氧樹脂)在不同配比下對(duì)黃土滲透性的影響。為此，對(duì)摻入不同穩(wěn)定劑的試驗(yàn)土樣進(jìn)行了滲透試驗(yàn)。

2 材料和試驗(yàn)

2.1 材料

2.1.1 土樣

本次試驗(yàn)所用黃土均取自山西呂梁地區(qū)，為Q3馬蘭黃土。粒徑大于0.075 mm，占總重量的50%以下，塑性指數(shù)在10～17之間，為粉質(zhì)黏土。山西呂梁地區(qū)黃土基本物理性質(zhì)見表1。

表1 山西呂梁地區(qū)黃土基本物理性質(zhì)

2.1.2 穩(wěn)定劑

本實(shí)驗(yàn)所用環(huán)氧樹脂E-51(雙酚A二縮水甘油醚)，屬于基礎(chǔ)環(huán)氧樹脂，無毒，無色黏稠流體，環(huán)氧值為0.51，試驗(yàn)所用水泥(Ce)為325普通硅酸鹽水泥，二級(jí)生石灰(Ql)取自一般建筑材料，S95礦渣粉(Sp)是由廣東銀嶺環(huán)保新材料科技有限公司生產(chǎn)，二級(jí)粉煤灰(Ca)來自西安市大唐灞橋熱電廠。表2列出了這些摻入材料的主要成分[2]。

表2 水泥、粉煤灰和礦渣粉的主要化學(xué)成分 %

2.2 樣品制備

本試驗(yàn)把黃土樣重塑后，將水泥(C)，生石灰+礦渣粉(Ss)，粉煤灰+樹脂(Rf)按不同配比摻入到試驗(yàn)黃土樣中，摻入物配比見表2。對(duì)不同配比的試樣進(jìn)行液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)，得到其相應(yīng)液塑限值、最佳含水率和最大干密度見表3。比較分析三種改良黃土的最佳含水率，其分布范圍基本在17%～20%之間。因而試驗(yàn)選取10%，12%，14%，16%，18%，20%，22%，24%，26%這9種含水率進(jìn)行制樣。在這9種含水率下，分別對(duì)不同配比摻入量的試樣黃土樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)[3]。

aC=水泥穩(wěn)定黃土；bRf=粉煤灰+樹脂復(fù)合穩(wěn)定黃土；cSs=生石灰+礦渣粉復(fù)合穩(wěn)定黃土。

dCe=水泥；eCa=粉煤灰；fRe=樹脂；gQl=生石灰；hSp=礦渣粉。

表3 改良劑的成分

2.3 試驗(yàn)方法

采用南55型滲透儀進(jìn)行室內(nèi)滲透實(shí)驗(yàn)(見圖1)，測試樣品直徑為61.8 mm，高40 mm(底面積30 cm2)。摻入穩(wěn)定劑后黃土的滲透系數(shù)較小，一般在10-3cm/s～10-6cm/s(Han et al,2018)。因此，本次試驗(yàn)采用變水頭法測定其滲透系數(shù)。試樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)期間，對(duì)出現(xiàn)干縮現(xiàn)象的樣品進(jìn)行蠟封處理，28 d后進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)過程中控制水頭下降間隔為Δh=10 cm，記錄相應(yīng)的時(shí)間和水頭，為避免溫度變化引起的試驗(yàn)誤差，根據(jù)中國土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)SL 237—1999,我們將20 ℃作為標(biāo)準(zhǔn)溫度,得出K20。

2.4 滲透試驗(yàn)

采用變水頭試驗(yàn)作為指標(biāo)試驗(yàn)來研究試樣黃土的抗?jié)B性(中國土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)SL 237—1999)。

(1)

其中，a為量管斷面積，cm2；A為土樣的斷面面積，cm2；L為土樣的長度，cm；h為水頭高度，m；KT為T溫度下滲透系數(shù)，cm/s。

本試驗(yàn)以20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)按式(2)計(jì)算：

(2)

實(shí)驗(yàn)測得重塑黃土的滲透系數(shù)為5×10-5cm/s。圖2呈現(xiàn)出復(fù)合穩(wěn)定劑處理下的土壤的滲透系數(shù)隨摻量的變化情況，將其非線性擬合，結(jié)果表明，復(fù)合穩(wěn)定劑的摻入導(dǎo)致土體滲透系數(shù)減小，但基本在同一數(shù)量級(jí)10-6cm/s。影響滲透系數(shù)的主要因素是孔隙度、孔隙大小和孔隙連通性(Alaoui et al,2011)[4]。

隨著復(fù)合穩(wěn)定劑摻量的改變，滲透系數(shù)在一定區(qū)間內(nèi)會(huì)不斷下降。如傳統(tǒng)穩(wěn)定劑水泥的摻量從8%增加到12%時(shí)，土體的滲透系數(shù)從7.26×10-6cm/s下降到6.16×10-6cm/s，下降明顯。原因是水化反應(yīng)后生成鏈條狀結(jié)構(gòu)的水泥土封閉了土團(tuán)間的空隙，降低其透水性(Mi and Yang,2011)，以及水泥水化作用產(chǎn)生游離的Ca(OH)2經(jīng)過碳酸化形成CaCO3阻塞孔隙，滲透系數(shù)逐漸降低(Yan et al,2013)；非傳統(tǒng)穩(wěn)定劑環(huán)氧樹脂摻量的增加，滲透系數(shù)從4.7×10-6cm/s下降到3.8×10-6cm/s。原因是環(huán)氧樹脂作為部分約束作用，抑制水通過顆粒間的流動(dòng)。(Al-Khanbashi and Abdalla,2006)。接著利用高分子鏈上活性羥基和疏水性的C-C鍵等與土顆粒產(chǎn)生一系列的化學(xué)及物理反應(yīng)，將土顆粒黏結(jié)成為堅(jiān)固且富有彈性的網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)(Gao,2013),粉煤灰以較大摻量摻入到樹脂基體當(dāng)中，由于本身具有高強(qiáng)的性能特點(diǎn)，粉煤灰粒子在物理作用的形式牢固于樹脂基體中與其黏結(jié)到一起，填充孔隙(Dong,2011)。隨著樹脂含量的增大，黏結(jié)的粉煤灰越多，滲透系數(shù)不斷降低[5-7]。

當(dāng)復(fù)合穩(wěn)定劑摻量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，滲透系數(shù)會(huì)趨于平穩(wěn)，甚至略有增大，主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)穩(wěn)定劑上。例如，當(dāng)水泥摻入量超過12%時(shí)，滲透系數(shù)變化趨于平緩，數(shù)值基本保持在6.02×10-6cm/s左右。原因是空氣中的CO2含量比較少且水泥改良土孔隙的連通性是有限的，CaCO3的量受到限制，導(dǎo)致滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)在水泥摻量較多時(shí)趨于平緩。生石灰+礦渣粉作為穩(wěn)定劑時(shí)，當(dāng)?shù)V渣粉摻入量為25%時(shí)，滲透系數(shù)最小值為4.48×10-6cm/s。生石灰加入黏土中，由于膠凝作用，鈣離子最初與黏土礦物結(jié)合或被黏土礦物吸附。當(dāng)石灰添加到黏土中時(shí)，鈣離子最初與黏土礦物結(jié)合或被黏土礦物吸附(Bell,1996)，生成硅酸鈣(CaSiO2·nH2O)、鋁酸鈣(CaAl2O3·H2O)，膠凝物質(zhì)發(fā)生硬化，在土的團(tuán)粒外圍形成一層穩(wěn)定的具有很強(qiáng)黏結(jié)力的保護(hù)膜，把土粒和礦渣粉膠結(jié)起來,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使灰土強(qiáng)度增高并長期保持穩(wěn)定。同時(shí)，保護(hù)膜還能起到隔離作用[8]，阻止水分進(jìn)入(Wang et al,2003；Wang et al,2010)，但當(dāng)?shù)V渣粉摻入量超過25%時(shí)，滲透系數(shù)會(huì)略微增大，這種現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)?shù)V渣粉的摻量較多時(shí)，其團(tuán)聚性變差，抗?jié)B性變差。

3 結(jié)論

綜合試驗(yàn)研究了傳統(tǒng)穩(wěn)定劑和非傳統(tǒng)穩(wěn)定劑對(duì)黃土滲透性的影響，研究結(jié)果如下：

1)不同配比的復(fù)合穩(wěn)定劑黃土試樣的滲透系數(shù)在一定區(qū)間內(nèi)不斷下降，但基本在同一數(shù)量級(jí)10-6cm/s。

2)與傳統(tǒng)穩(wěn)定劑比較，非傳統(tǒng)復(fù)合穩(wěn)定劑減小黃土試樣的滲透性更好。隨著穩(wěn)定劑摻入量增加，滲透系數(shù)會(huì)變??；達(dá)到一定數(shù)值后，滲透系數(shù)會(huì)趨于平穩(wěn)；繼續(xù)增加摻入量，滲透系數(shù)又開始變大。

3)非傳統(tǒng)穩(wěn)定劑中環(huán)氧分子鏈上的羥基使粉煤灰和黃土顆粒中的氧化物形成游離的金屬離子，這些金屬離子含有孤對(duì)電子，易于進(jìn)攻環(huán)氧樹脂中含有空軌道的O原子，發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，膠結(jié)粉煤灰，填充空隙形成一定結(jié)構(gòu)，這種框架結(jié)構(gòu)是改性土穩(wěn)定的主要機(jī)理。

4)研究表明，非傳統(tǒng)穩(wěn)定劑具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能防止黃土侵蝕和退化，是改善黃土的有效添加劑。此外，我們?nèi)绻軐?duì)工業(yè)廢料粉煤灰和環(huán)氧樹脂原料按一定的配比處理過的黃土進(jìn)行深入的研究和改進(jìn)，該非傳統(tǒng)穩(wěn)定劑在今后黃土地區(qū)建設(shè)用地上將發(fā)揮重要作用[9-11]。