郭 鑠

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

1 概述

膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種粘土，富含蒙脫土、伊利石等親水礦物。膨脹土具有膨脹、收縮和超固結(jié)特性，與普通粘土有顯著差異[1]。當(dāng)含水率增加時(shí)，膨脹土容易形成膨脹力和膨脹變形;當(dāng)含水率減少時(shí)，收縮應(yīng)力和裂縫往往發(fā)生。由于膨脹土在干濕循環(huán)過程中存在極大膨脹-收縮特性，可導(dǎo)致地基的差異沉降、路基沉降、路面和渠道壁開裂、大壩滲漏。膨脹土的改良措施一般包括土壤置換、濕度控制、化學(xué)改性和特殊地基處理[2]。考慮到對(duì)環(huán)境的影響，許多學(xué)者們傾向于使用各種類型的固體廢棄物作為膨脹土的改良劑，如粉煤灰[3]、高爐礦渣[4-5]、水泥窯粉塵[6-7]、堿渣[8-9]等。在中國，固體廢料中稻殼灰(RHA)和電石渣(CCR)較多，兩者都可用于改良膨脹土?；趯?duì)火山灰活性的研究發(fā)現(xiàn)，RHA是一種潛在的膨脹土改良材料[10-11]。若將RHA與石灰、水泥、廢水泥等膠凝材料結(jié)合使用，改良膨脹土的效果會(huì)更好[12-13]。電石渣是乙炔生產(chǎn)的副產(chǎn)品，主要含有Ca(OH)2。從理論上講，CCR干燥后可完全替代石灰改良不良巖土體。已有文獻(xiàn)研究了CCR改良土的基本物理、力學(xué)和微觀特性[14-17]。當(dāng)CCR與粉煤灰、RHA等火山灰混合時(shí)，可以形成類似水泥的膠凝材料[18-19]。利用CCR和RHA改良膨脹土的研究報(bào)道較少。本文利用生物質(zhì)發(fā)電廠RHA與乙炔公司CCR相結(jié)合的方法改良膨脹土。根據(jù)砂漿強(qiáng)度確定了RHA和CCR的最佳摻量。通過膨脹性能試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和初始含水率對(duì)RHA-CCR改良膨脹土效果的影響。

2 試驗(yàn)方案

2.1 材料

a.膨脹土。

膨脹土是在湖南省某高速公路工地采集的。膨脹土的基本物理性質(zhì)見表1。膨脹土土樣的組成成分為:砂粒7.1%，粉粒42.7%，粘土粒50.2%，且膨脹土中細(xì)顆粒的比例超過60%，屬于高塑性CH粘土。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)Table1 Basicphysicalpropertiesofexpansivesoils自由膨脹率/%液限/%塑限/%塑性指數(shù)/%收縮極限/%比重最大干密度/(g·cm-3)最優(yōu)含水率/%CBR/%132.052262610.322.211.67183.973

b.稻殼灰(RHA)。

RHA來自淮安市的生物質(zhì)發(fā)電廠。呈灰黑色，其內(nèi)部有大量孔洞，其孔徑5～10 μm，其主要成分是SiO2，同時(shí)含有未完全燃燒的活性碳。

c.電石渣(CCR)。

CCR來自淮安市的乙炔公司。在105 ℃下干燥24 h，然后在立式粉碎機(jī)中粉碎。CCR的顆粒很細(xì)，很均勻，主要成分為Ca(OH)2。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1RHA-CCR膠結(jié)材料試驗(yàn)

為了獲得最佳的RHA和CCR配比，設(shè)計(jì)了5個(gè)比例的樣品，并與水泥(PO32.5)砂漿在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)度對(duì)比。試驗(yàn)方法按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)執(zhí)行。采用高效減水劑使砂漿的流動(dòng)保持在(180±5)mm之間。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7、14、28、60 d后，測(cè)定砂漿試件的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。

表2 砂漿按質(zhì)量配比的組成Table3 Compositionofmortaraccordingtoqualityratio試驗(yàn)m(RHA)/m(CCR)m(RHA)/gm(CCR)/g水泥/g砂/gA———4501350B20∶8090360—1350C35∶65157.5292.5—1350D50∶50225225—1350E65∶35292.5157.5—1350D80∶2036090—1350

2.2.2RHA-CCR改性膨脹土力學(xué)性能試驗(yàn)

按RHA和CCR的最佳配比制成添加劑，與土壤樣品混合制備改性膨脹土混合料，按要求進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓試驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)的RHA-CCR與膨脹土的干質(zhì)量百分比為0%、5%、10%、15%、20%。為了比較不同含水率對(duì)反應(yīng)的影響，制備了3種初始含水率，分別為最佳含水率(wz)、1.2倍wz和1.4倍wz。將混合料加水?dāng)嚢瑁湃朊芊獯?，燜料24 h。最后，按《公路土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》制備上述試驗(yàn)所需尺寸試樣，并將試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20 ℃±3 ℃，相對(duì)濕度98%)中養(yǎng)護(hù)7、14、28、60 d。

3 結(jié)果與討論

3.1 RHA-CCR砂漿強(qiáng)度

RHA-CCR砂漿的抗壓強(qiáng)度Rc和抗彎強(qiáng)度Rf是表征火山灰反應(yīng)水平的重要參數(shù)。由圖1、圖2和表3可知：

a.RHA-CCR砂漿的Rc和Rf均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)而顯著增大，說明RHA-CCR砂漿凝固后，還在繼續(xù)發(fā)生緩慢的反應(yīng)，使RHA-CCR砂漿的Rc和Rf增大。

b.試驗(yàn)E砂漿在28 d和60 d內(nèi)的抗壓強(qiáng)度Rc和抗彎強(qiáng)度Rf最高。RHA摻量較低時(shí)，RHA-CCR砂漿強(qiáng)度增幅較大。

c.試驗(yàn)E砂漿的抗壓強(qiáng)度為水泥砂漿的0.41倍，抗彎強(qiáng)度為水泥砂漿的0.32倍，強(qiáng)度相對(duì)較低。

圖1 不同RHA/CCR配比砂漿的抗壓強(qiáng)度

圖2 不同RHA/CCR配比砂漿的抗彎強(qiáng)度

表3 RHA-CCR砂漿的抗壓強(qiáng)度Rc和抗彎強(qiáng)度RfTable3 CompressivestrengthRcandbendingstrengthRfofRHA-CCRmortar試驗(yàn)編號(hào)m(RHA)/m(CCR)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間(d)的抗壓抗彎強(qiáng)度/MPa4d7d28d60dRcRfRcRfRcRfRcRfA—20.814.8225.697.1132.4310.7839.3312.87B20∶800.580.211.070.321.580.412.210.72C35∶651.040.434.571.334.731.405.091.55D50∶501.550.449.022.3110.173.1515.153.67E65∶352.530.8710.042.8613.213.4119.014.02F80∶204.681.6112.143.1912.563.5414.103.91

RHA-CCR砂漿強(qiáng)度雖然較低，但可節(jié)約工程成本，減少環(huán)境污染，非常適合處理一些不良土壤。由以上分析可知，m(RHA)/m(CCR)的配比取65∶35可以得到最佳效果。因此，m(RHA)和m(CCR)的最佳配比為65∶35。

3.2 RHA-CCR改良膨脹土的膨脹性能

表4和表5分別為RHA-CCR摻量對(duì)膨脹土膨脹率和膨脹力的影響。由表4和表5可以看出：

a.養(yǎng)護(hù)時(shí)間為0 d時(shí)，RHA-CCR摻量從0增加到20.0%時(shí)，改良土的膨脹率從26.25%下降到15.67%；RHA-CCR在不同摻配比例下，與未處理土壤相比，膨脹率的降低率從10.63%到40.31%不等。RHA-CCR摻量從0.0增加到20.0%時(shí)，改良膨脹土的膨脹力從424.99 kPa降低到205.07 kPa，與未改良的膨脹土相比，膨脹力的降低率從10.90%到51.75%不等?？梢姡琑HA-CCR可顯著減小膨脹土的膨脹率和膨脹力，且膨脹率和膨脹力隨RHA-CCR摻量的增大而減小。

b.隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，改良土的膨脹率和膨脹力相應(yīng)減小。以w=1.2wz、RHA-CCR摻量10%為例，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從0 d增加到60 d時(shí)，膨脹率由20.23%下降到6.04%，膨脹力由279.97 kPa下降到83.05 kPa。在0～28 d內(nèi)，膨脹率的日降低率為0.36%，在28～60 d內(nèi)僅為0.12%。可見，改良土在固化初期膨脹率減小的速度較快，后期相對(duì)較慢。膨脹力的變化趨勢(shì)與膨脹率的趨勢(shì)相似。

表4 不同RHA-CCR摻量的改良膨脹土膨脹率Table4 TheexpansionrateofimprovedexpansivesoilwithdifferentRHA-CCRcontent含水率/%RHA-CCR摻量/%固化時(shí)間/d07142860026.2526.2526.2526.2526.25523.4620.2119.0015.5112.86w=wz1020.3017.4114.9910.666.081517.9815.7013.537.984.492015.6713.7410.256.033.26025.4925.4925.4925.4925.49522.7119.2918.4813.6511.44w=1.2wz1020.2316.9114.509.976.041517.1615.7512.326.594.072013.6711.269.295.122.90025.6125.6125.6125.6125.61523.0319.5418.6413.6511.46w=1.4wz1020.4316.6414.159.385.981517.0415.6412.366.673.982013.3610.989.675.382.99

表5 不同RHA-CCR摻量的改良膨脹土的膨脹力Table5 TheexpansiveforceofimprovedexpansivesoilwithdifferentRHA-CCRcontent含水率/%RHA-CCR摻量/%固化時(shí)間/d071428600424.99424.99424.99424.99424.995378.67329.87272.95216.04179.46w=wz10309.96224.59202.23159.56102.6415269.72186.38147.7694.9266.4620205.07154.2699.3950.6130.270387.15387.15387.15387.15387.155332.71305.31245.37207.72164.90w=1.2wz10279.97206.34180.65142.9883.0515216.96174.15134.77105.6557.7120179.63152.2392.2947.7828.940392.81392.81392.81392.81392.815335.51304.78245.04205.80164.86w=1.4wz10278.16200.79172.19140.0583.6315214.00173.05137.20104.7855.3120175.40148.1493.5250.8623.54

圖3 w=wz時(shí)RHA-CCR摻量與改良膨脹土膨脹率的關(guān)系

圖4 w=wz時(shí)RHA-CCR摻量與改良膨脹土膨脹力的關(guān)系

圖5 膨脹率隨固化時(shí)間和初始含水率的變化而變化(RHA-CCR摻量=10%)

圖6 膨脹力隨固化時(shí)間和初始含水率的變化而變化(RHA-CCR摻量=10%)

c.改良土初始含水率(w)對(duì)膨脹性能有明顯影響。隨著初始含水率的增加，膨脹率和膨脹力都減小。

3.3 膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖7為不同含量的RHA-CCR在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從圖7可以看出：

a.養(yǎng)護(hù)天數(shù)相同時(shí)，改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨RHA-CCR摻量的增大。這是由于RHA-CCR顆粒細(xì)小，具有良好的填充作用，且RHA-CCR改變了土壤顆粒的結(jié)構(gòu)，降低了塑性。因此，固化膨脹土的強(qiáng)度隨RHA-CCR摻量的增加而增加。

b.膨脹土養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度發(fā)生了明顯變化，且當(dāng)摻量達(dá)到15%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值。同時(shí)，隨著固化時(shí)間增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)增加。養(yǎng)護(hù)28 d后摻量為15%的試樣，其最大強(qiáng)度約為未養(yǎng)護(hù)土的3倍。最后，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的不同，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率也不同。從強(qiáng)度提高的角度出發(fā)，建議RHA-CCR摻量為15%、初始含水率為最佳含水率的1.2倍來改良膨脹土。

(a)w=wz

3.4 RHA-CCR的改良機(jī)理

杜延軍[14]等對(duì)電石渣改良土的機(jī)理進(jìn)行了深入的分析。參照其理論，RHA-CCR改良的機(jī)理如下：

a.RHA-CCR的置換作用。膨脹土與RHA-CCR混合后，其物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。RHA和CCR均為粉體顆粒，塑性較低，屬于非膨脹材料，RHA-CCR的加入降低了粘土顆粒在膨脹土中的比例，相應(yīng)降低了膨脹土的液限和塑性指數(shù)，同時(shí)降低了膨脹土的膨脹收縮。顆粒很細(xì)的CCR對(duì)土壤顆粒有很好的填充效果。因此，隨著RHA-CCR摻量的增加，RHA-CCR的置換效率越來越明顯。

b.RHA的火山灰效應(yīng)。RHA中含有大量活性二氧化硅，是一種理想的火山灰材料。CCR與火山灰組分反應(yīng)生成硅酸鹽水泥。硅酸鹽凝膠覆蓋和黏結(jié)土壤中的粘土塊，并填充土壤空隙。隨著膠凝材料由凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)，膨脹土顆粒逐漸結(jié)合并固結(jié)。隨著時(shí)間的推移，這種凝膠逐漸結(jié)晶成硅酸鈣水合物。因此，當(dāng)土壤固化一段時(shí)間后，強(qiáng)度增加，膨脹率減小。

c.膨脹土的離子交換作用。膨脹土膨脹收縮主要是由于膨脹礦物在土壤中的吸水作用。吸水后水膜的厚度發(fā)生變化。厚度越薄，顆粒間粘結(jié)力越大，土體抗剪強(qiáng)度越高，膨脹收縮性能越小。添加到膨脹土中，在水的輔助下，CCR分解成Ca2+和OH離子。Ca2+在粘土顆粒中被Na+和K+交換取代，使膠體吸附層變薄。水膜厚度變薄，土壤的膨脹率減小。此外，堿性環(huán)境加速了離子交換。由于CCR是一種堿，膨脹土的pH隨著CCR的加入而增大。一般來說，CCR越大，離子交換越多。

4 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論:

a.RHA與CCR結(jié)合可以形成膠結(jié)材料。RHA和CCR摻比為65∶35具有較好的強(qiáng)度性能，可用于改良膨脹潛力較大的膨脹土。

b.RHA-CCR可顯著減小膨脹土的膨脹率和和膨脹力，且膨脹率和膨脹力隨RHA-CCR摻量的增大而減小。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，改良土的膨脹率和膨脹力相應(yīng)減小。改良土初始含水率(w)對(duì)膨脹性能有明顯影響。隨著初始含水率的增加，膨脹率和膨脹力都減小。

c.摻加CCR和RHA后膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度迅速提高。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，處理后的土體強(qiáng)度也相應(yīng)增加。改良土初始含水率對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有重要影響。從強(qiáng)度提高的角度出發(fā)，建議RHA-CCR摻量為15%、初始含水率為最佳含水率的1.2倍來改良膨脹土。

d.RHA-CCR對(duì)膨脹土的改良作用機(jī)理為RHA-CCR置換作用、火山灰效應(yīng)和離子交換。