粉煤灰改良膨脹土抗剪強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)研究

黎連文 謝支鋼 楊明秀

(宜昌市夷陵區(qū)公路管理局，湖北 宜昌 443100)

膨脹土是一種由強(qiáng)親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成的特殊黏土，具有多裂隙性、強(qiáng)脹縮性、強(qiáng)度衰減性和反復(fù)變形性等特殊工程性質(zhì)。高等級(jí)公路建設(shè)中經(jīng)常遇到大量的膨脹土問(wèn)題，主要表現(xiàn)在:路基的濕脹干縮變形導(dǎo)致路面開(kāi)裂，使柔性路面凹凸不平和翻漿冒泥;因裂縫滲水導(dǎo)致強(qiáng)度下降而引起路塹和路堤坍塌、滑坡、縱裂和沉陷等。

在公路建設(shè)的過(guò)程中，由于公路沿線膨脹土分布廣泛，土地資源匱乏，沒(méi)有其他可以用來(lái)?yè)Q填的材料，出于經(jīng)濟(jì)效益考慮，工程建設(shè)只得利用改良的膨脹土源作為填料來(lái)填筑路基。目前常見(jiàn)的對(duì)膨脹土改良方法是通過(guò)摻石灰、水泥、粉煤灰等來(lái)穩(wěn)定膨脹土，摻入粉煤灰能夠有效地抑制膨脹土脹縮特性，改善膨脹土的壓實(shí)特性和水穩(wěn)定性，同時(shí)提高膨脹土的強(qiáng)度，使其達(dá)到路基填料的標(biāo)準(zhǔn)。

本文結(jié)合宜昌市小溪塔至鴉鵲嶺一級(jí)公路改建工程，在室內(nèi)分別對(duì)不同摻灰量改良膨脹土進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)，同時(shí)深入分析了粉煤灰改良膨脹土的機(jī)理，為確定最佳施工配合比和施工方案提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 粉煤灰改良膨脹土機(jī)理

粉煤灰屬于黏土質(zhì)的人工火山灰活性材料。從化學(xué)成分來(lái)看，粉煤灰含有較多的活性氧化硅和活性氧化鋁，能與氫氧化鈣在常溫下起化學(xué)反應(yīng)，生成較穩(wěn)定的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。從礦物組成看，粉煤灰含有大量表面光滑的玻璃微珠，這些玻璃微珠使粉煤灰具備其他火山灰質(zhì)材料所沒(méi)有的優(yōu)異特性，能改善其拌和物的和易性。

粉煤灰是一種可有效改良膨脹土的添加劑，在膨脹土中摻入粉煤灰，可降低膨脹土的脹縮效應(yīng)并提高膨脹土的強(qiáng)度。粉煤灰摻入膨脹土之后，與膨脹土發(fā)生離子交換作用、硬凝反應(yīng)，使得膨脹土的強(qiáng)度提高。

(1)離子交換作用。粉煤灰與膨脹土混合后，在一定含水量條件下能與土體相互作用，產(chǎn)生離子交換作用(粉煤灰中高價(jià)陽(yáng)離子置換出膨脹土中的低價(jià)陽(yáng)離子)，可有效降低膨脹土的塑性指數(shù)、活性指數(shù)以及脹縮性等，并導(dǎo)致土中細(xì)粒成分的團(tuán)聚形成相對(duì)粗粒成分、粉煤灰中可用于離子交換作用的高價(jià)離子，如Ca2+，Al3+和Fe2+等，可促使黏土顆粒的絮凝。

(2)硬凝反應(yīng)。粉煤灰中含有一定量的無(wú)定形的SiO2和Al2O3，與膨脹土拌合之后能產(chǎn)生硬凝反應(yīng).膨脹土中摻入粉煤灰并不能立即發(fā)生硬凝反應(yīng)，需要有一段養(yǎng)護(hù)時(shí)問(wèn)才能發(fā)生并逐步發(fā)展起來(lái)。由于硬凝反應(yīng)，形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠體，可以有效提高膨脹土的強(qiáng)度并抑制膨脹土的體積變形。粉煤灰與膨脹土間的離子交換作用與硬凝反應(yīng)導(dǎo)致膨脹土脹縮效應(yīng)降低，強(qiáng)度提高。

2 試驗(yàn)材料

膨脹土取自宜昌市鴉鵲嶺，顏色為灰白色，硬塑—半堅(jiān)硬狀態(tài)，含有少量鈣質(zhì)結(jié)核，水平裂隙發(fā)育，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 膨脹土基本性質(zhì)指標(biāo)

粉煤灰取自宜昌熱電廠，其化學(xué)成分見(jiàn)表2，物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表3。從表2可以看出，組成粉煤灰的主要氧化物成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3。這3種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和超過(guò)了70%，粉煤灰中CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%，根據(jù)ASTM粉煤灰的分類方法，本試驗(yàn)所用的粉煤灰歸為F類。

表2 粉煤灰主要化學(xué)成分表 %

表3 粉煤灰主要物理性質(zhì)指標(biāo)

3 試驗(yàn)方法

3.1 粉煤灰摻量

為研究不同粉煤灰摻量對(duì)改良膨脹土的內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響及影響規(guī)律，本試驗(yàn)確定了5個(gè)摻灰量(質(zhì)量比)，分別依次編號(hào):①粉煤灰:膨脹土=0∶100;②粉煤灰:膨脹土 =12∶88;③粉煤灰:膨脹土=14∶86;④粉煤灰:膨脹土=16:84;⑤石灰:膨脹土 =18∶82。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40－2007)進(jìn)行。本方案中摻粉煤灰量是指粉煤灰質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。

試驗(yàn)前，將風(fēng)干的膨脹土碾碎，然后過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，然后分別將粉煤灰和膨脹土在105℃下烘干，冷卻之后按照設(shè)計(jì)的配合比分別配制不同摻量的改良膨脹土樣。土樣配置方法:先按比例稱取一定量的粉煤灰與膨脹土土樣，均勻混合后，按照設(shè)計(jì)的含水率12%計(jì)算出水的質(zhì)量，然后用量筒量取一定量的水摻入灰土混合物中，攪拌均勻后悶料24 h后備用;燜料完成之后制作直剪試樣，試樣的為61.8 mm，高度為 20 mm，干密度為 1.8 gcm3，試樣制作完成之后用塑料袋密封，然后放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)間養(yǎng)生7 d之后進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試樣養(yǎng)生時(shí)，養(yǎng)護(hù)室保持恒溫22℃，相對(duì)濕度70%。

養(yǎng)生完成之后，進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)采用四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行，將養(yǎng)護(hù)好的試樣放入剪切盒，然后分別施加 100、200、300、400 kPa的垂直荷載，3～5 min后剪損，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理，每個(gè)試樣做兩組平行試驗(yàn)，取試驗(yàn)精度滿足要求的兩組試驗(yàn)結(jié)果的平均值為最終結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，整理的最終試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表4。

表4 摻粉煤灰改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

4.1 摻灰量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

圖1 內(nèi)摩擦角與摻灰量關(guān)系曲線圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以摻灰量為橫坐標(biāo)，內(nèi)摩擦角為坐標(biāo)，繪制內(nèi)摩擦角與摻灰量之間的關(guān)系曲線圖，如圖1所示。研究結(jié)果表明:摻入粉煤灰之后，改良膨脹土的內(nèi)摩擦角比原狀膨脹的內(nèi)摩擦大，說(shuō)明摻粉煤灰能夠提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度。隨著摻入粉煤灰比例的增加，內(nèi)摩擦先增大后減小，當(dāng)摻灰量達(dá)到14%時(shí)，此時(shí)內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值。當(dāng)摻粉煤灰從0%增加到12%時(shí)，內(nèi)摩擦角提高19%;當(dāng)摻石灰從12%增加到14%時(shí)，內(nèi)摩擦角提高5%;當(dāng)摻石灰從14%增加到16%時(shí)，內(nèi)摩擦角降低2%;當(dāng)摻石灰從16%增加到18%時(shí)，內(nèi)摩擦角降低1.3%。這是因?yàn)閾饺敕勖夯抑螅勖夯遗c膨脹土發(fā)生離子交換作用，膠凝作用和團(tuán)?；饔檬沟门蛎浲林蓄w粒的粒徑發(fā)生變化，粗顆粒含量增加，在剪切時(shí)顆粒間的摩擦阻力增加，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增大;但是隨著摻粉煤灰量的增加，達(dá)到反應(yīng)所需量時(shí)，這種作用的增幅效果不再增加，使得大量多余的粉煤灰存在土顆粒之間。由于粉煤灰粒徑較小，吸水后軟化，在剪切時(shí)反而起到潤(rùn)滑作用，使得剪切時(shí)候顆粒間的摩擦力減小，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角反而降低。

4.2 摻灰率對(duì)黏聚力的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以摻灰量為橫坐標(biāo)，以黏聚力為縱坐標(biāo)，繪制黏聚力與摻灰量之間的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。

圖2 黏聚力與摻灰量關(guān)系曲線圖

研究結(jié)果表明:摻入粉煤灰之后，改良膨脹土的黏聚力比原狀膨脹土的黏聚力有所降低，說(shuō)明摻粉煤灰改良膨脹土提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度主要靠提高內(nèi)摩擦角來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著摻入粉煤灰量的增加，黏聚力逐漸減小，減小的趨勢(shì)逐漸先快后慢，當(dāng)摻石灰從0%增加到12%，黏聚力降低10%;當(dāng)摻石灰從12%增加到14%，黏聚力降低10%;當(dāng)摻石灰從14%增加到16%，黏聚力降低6%;當(dāng)摻粉煤灰從16%增加到18%，黏聚力降低1%。這是因?yàn)閾饺敕勖夯抑?，改良膨脹土發(fā)生離子交換和膠結(jié)作用。但是這種膠結(jié)作用反應(yīng)非常緩慢，需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，并且粉煤灰本身沒(méi)有黏聚力，顆粒較細(xì)，吸水之后軟化，使得在剪切時(shí)顆粒間的換位、翻滾和移動(dòng)時(shí)所遇到的阻力減小，導(dǎo)致黏聚力降低。

4.3 摻灰率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以正壓力為橫坐標(biāo)，以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與正壓力之間的關(guān)系曲線圖，如圖5所示。

圖3 抗剪強(qiáng)度與正壓力關(guān)系曲線圖

研究結(jié)果表明:摻入粉煤灰之后，膨脹土的抗剪強(qiáng)度增大，說(shuō)明摻粉煤灰改良膨脹土能夠明顯提高膨脹土的強(qiáng)度。摻灰之后，膨脹土的內(nèi)摩擦角增大，黏聚力反而降低，說(shuō)明摻粉煤灰改良膨脹土主要靠提高內(nèi)摩擦角來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著摻入粉煤灰量的增加，改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)摻灰量14%時(shí)，此時(shí)抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。這是因?yàn)樵趽交伊繛?4%時(shí)，內(nèi)摩擦角度達(dá)到最大值。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)摻粉煤灰改良膨脹土能提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，摻入粉煤灰之后，內(nèi)摩擦角增大，黏聚力降低。

(2)摻粉煤灰改良膨脹土提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度主要靠提高內(nèi)摩擦角來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)隨著摻入粉煤灰量的增加，改良膨脹土的內(nèi)摩擦角先增大后減小，當(dāng)摻灰量達(dá)14%時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值。

(4)隨著摻入粉煤灰量的增加，改良膨脹土的黏聚力逐漸降低，降低的趨勢(shì)先快后慢。

(5)隨著摻入粉煤灰量的增加，改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)摻灰量達(dá)到14%時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。

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