粉煤灰改良膨脹土強(qiáng)度及膨脹特性試驗(yàn)研究

鄢黎明

（江西省水利水電開發(fā)有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

膨脹土主要由蒙脫石和伊利石等組成，是一種吸水膨脹、失水收縮的特殊粘性土[1]。我國膨脹土分布廣泛，在工程建設(shè)中常遇到膨脹土問題，主要表現(xiàn)為，1）路基濕脹干縮變形導(dǎo)致的路面開裂；2）柔性路面凹凸不平和翻漿冒泥；3）裂縫滲水導(dǎo)致的強(qiáng)度下降，路塹和路堤坍塌、滑坡、縱裂和沉陷等[2]。因此，對(duì)膨脹土進(jìn)行有效處理已成為重要課題。

膨脹土具有脹縮性、崩解性、裂隙性和強(qiáng)度衰減性等性質(zhì)，其中脹縮性是內(nèi)在因素[3-4]，因此，脹縮特性是膨脹土的研究重點(diǎn)。譚羅榮等[5]對(duì)荊門膨脹土進(jìn)行研究，探討了其膨脹特性與干密度及飽和度的變化規(guī)律；劉特洪[6]對(duì)膨脹土的膨脹速率進(jìn)行了研究，并將其膨脹過程劃分為三個(gè)階段，即等速膨脹、減速膨脹和緩慢膨脹。胡瑾等[7]對(duì)蕪申航道胥河段原狀膨脹土進(jìn)行了室內(nèi)無荷載膨脹率和有荷載膨脹率試驗(yàn)，研究了不同荷載作用下，膨脹率以及膨脹后干密度、膨脹孔隙比和含水率的變化規(guī)律。

目前，膨脹土的改良方法有多種，許多學(xué)者對(duì)摻水泥、石灰、粉煤灰、風(fēng)化砂、堿渣和化學(xué)試劑[8-12]等方法改良膨脹土已有深入的研究，但研究多集中于外摻料對(duì)其力學(xué)性能的影響，對(duì)摻入外摻劑后膨脹土的脹縮性與強(qiáng)度特性的系統(tǒng)研究尚少。本文通過對(duì)粉煤灰摻量和齡期不同的粉煤灰改良膨脹土樣進(jìn)行擊實(shí)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、無荷載膨脹率和有荷載膨脹率試驗(yàn)，較為系統(tǒng)的研究了，粉煤灰摻量和齡期對(duì)粉煤灰改良膨脹土的擊實(shí)、強(qiáng)度和膨脹特性的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

膨脹土取樣土料呈灰黃色，主要礦物成分為蒙脫石、伊利石和高嶺土，質(zhì)量百分比分別為比45%、20%和15%，比重為2.71，液限為67.4%，塑限為34.1%，黏粒含量為48%。粉煤灰密度ρ=2.16 g/cm3，需水量比103%，燒失量12.39%，主要礦物成分為SiO2，F(xiàn)e2O3，Al2O3和 MgO，CaO 質(zhì)量百分比分別為 43.41%，8.45%，20.28%，6.50%和3.26%，PH值約為11，小于0.1mm粒徑顆粒占重約28.6%。試驗(yàn)拌和與養(yǎng)護(hù)用水均為蒸餾水。

1.2 試驗(yàn)方法

將取回天然土體烘干、碾碎后按比例與粉煤灰與混合均勻，粉煤灰摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、3%、6%、9%、12%和15%。將粉煤灰與膨脹土均勻拌和后，用量筒量取一定量的水摻入粉煤灰改良膨脹土中，混合均勻后悶24 h，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到粉煤灰摻量不同試樣的最大干密度與最優(yōu)含水率，控制壓實(shí)度為0.92，含水率為23%，分別對(duì)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)0 d、7 d和28 d，摻粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、3%、6%、9%、12%和15%試樣，與粉煤灰摻量為 6%，養(yǎng)護(hù)齡期為 0 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d和180 d的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

無荷膨脹率試驗(yàn)采用膨脹儀，環(huán)刀Φ×H=61.8mm×20mm，裝樣后，向儀器內(nèi)注水，使液面高出試樣約5mm。有荷膨脹率試驗(yàn)儀器為高壓固結(jié)儀，為保證透水石含水率與土樣含水率一致，試驗(yàn)前先將烘干透水石置于與土樣含水率相同黏土中埋48 h，環(huán)刀樣裝入固結(jié)儀后立即加荷，所加荷載依次為25、50、75、100 kPa。為防止試驗(yàn)過程中土樣水分散失，在試樣周圍纏上濕布條。有荷和無荷膨脹穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)分別為2 h內(nèi)變形不超過0.01mm，試驗(yàn)土樣膨脹浸水時(shí)間不少于2 d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰改良膨脹土擊實(shí)特性

為探討不同粉煤灰摻量對(duì)粉煤灰改良膨脹土擊實(shí)特性的影響，對(duì)粉煤灰摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、3%、6%、9%、12%和15%共六組試樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，不同粉煤灰摻量土樣最大干密度與最優(yōu)含水率隨粉煤灰摻入量的變化關(guān)系如圖1和圖2所示?？芍?，在本次試驗(yàn)條件下，粉煤灰摻量為0%~15%。隨粉煤灰摻量增大，試樣最大干密度和最優(yōu)含水率均減小。這主要是由于，1）粉煤灰相對(duì)體積質(zhì)量比膨脹土低，同體積條件下，膨脹土質(zhì)量大于粉煤灰；粉煤灰與膨脹土混合形成了新的膠結(jié)物質(zhì)，使得粉煤灰改良膨脹土存在一定的膠結(jié)作用，降低了土樣擊實(shí)特性,使得土樣干密度減小[13]。2）摻入粉煤灰后，由于膨脹土顆粒與粉煤灰之間的離子交換作用，使得土顆粒周圍的雙電層密度及厚度發(fā)生改變，土顆粒間接觸更緊密，更易于被擊實(shí)，從而導(dǎo)致土體最優(yōu)含水量減小[14]。

在本次試驗(yàn)條件下，粉煤灰摻量為0%~15%。粉煤灰摻量與最大干密度與最優(yōu)含水率存在良好線性關(guān)系，可通過最小二乘法擬合粉煤灰的摻入量與土樣最大干密度與最優(yōu)含水率關(guān)系式如式（1）、式（2）所示。ρs=-0.0087P+1.4733 （1）

式中，ρs為土樣最大干密度，P為粉煤灰摻量，ωsat為土樣最優(yōu)含水率。

2.2 粉煤灰改良膨脹土膨脹特性的影響

圖1 干密度-粉煤灰摻量關(guān)系曲線

圖2 最優(yōu)含水率-粉煤灰摻量關(guān)系曲線

為研究粉煤灰摻量對(duì)改良膨脹土膨脹特性的影響，對(duì)粉煤灰摻量為0%、3%、6%、9%、12%和15%的試樣進(jìn)行了界限含水率、自由膨脹率和有荷膨脹率試驗(yàn)，粉煤灰摻量與塑性指數(shù)、自由膨脹率和不同荷載條件下膨脹率關(guān)系曲線分別如圖3、圖4和圖5所示。由圖3可知，隨粉煤灰摻量增大，試樣塑性指數(shù)逐漸降低。而試樣塑性指數(shù)大小與土中結(jié)合水含量、黏粒含量、土粒粗細(xì)以及水中離子成分等因數(shù)有關(guān)[15]。塑性指數(shù)的降低反映出膨脹土黏粒含量減小和親水性降低，從而弱化了膨脹土的脹縮性[16]。由此，可以初步判斷摻入粉煤灰對(duì)膨脹土膨脹性有一定的抑制作用。

圖3 塑性指數(shù)-粉煤灰摻量關(guān)系曲線

由圖4和圖5可知，1）隨粉煤灰摻量增加，土樣自由膨脹率和有荷膨脹率均減小，這主要是由于，粉煤灰主要由SiO2，F(xiàn)e2O3，Al2O3等氧化物組成，這些氧化物含有大量高價(jià)陽離子Al3+和Fe3+等，通過離子交換作用，這些高價(jià)陽離子對(duì)粘土顆粒的絮凝起促進(jìn)作用，減少了土體比表面積和親水性，進(jìn)而減少因土體吸水膨脹而產(chǎn)生的膨脹力[14]。2）隨上覆壓力增大，土樣膨脹率逐漸減小，當(dāng)所加上覆壓力較小時(shí)，膨脹率變化幅度較大，隨著上覆壓力增大，膨脹率變化幅度逐漸減小。

2.3 粉煤灰改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性

對(duì)粉煤灰摻量為0%、3%、6%、9%、12%和15%，養(yǎng)護(hù)齡期為0 d、7 d和28 d的粉煤灰改良膨脹土試樣分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，可知，1）試樣未經(jīng)養(yǎng)護(hù)時(shí)，隨粉煤灰摻量增大，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度近似保持不變，這可能是由于，粉煤灰增強(qiáng)膨脹土主要是由于粉煤灰與膨脹土間離子交換作用和火山灰作用，而粉煤灰中高價(jià)陽離子置換出膨脹土中的低價(jià)陽離子需要一定時(shí)間，火山灰作用則主要發(fā)生在離子交換作用后期；2）7 d和28 d齡期時(shí)，隨粉煤灰摻量增大，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大最后趨于穩(wěn)定，這主要是由于，粉煤灰中高價(jià)離子促使粘土顆粒的產(chǎn)生了絮凝作用且粉煤灰中的SiO2和Al2O3能與土作用產(chǎn)生硬凝反應(yīng)，從而提高了土體強(qiáng)度。

圖4 自由膨脹率-粉煤灰摻量關(guān)系曲線

圖5 有荷膨脹率-粉煤灰摻量關(guān)系曲線

圖6 抗壓強(qiáng)度-粉煤灰摻量關(guān)系曲線

為研究齡期對(duì)粉煤灰改良膨脹土的影響，對(duì)粉煤灰摻量為6%的土樣，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù) 0 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d和180 d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)齡期與試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖7所示，可知，隨齡期增長，試樣抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢，起始階段隨齡期增長強(qiáng)度增長迅速，而后逐漸趨于平緩，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系可擬合為：

式中，qu為試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，a和b為試驗(yàn)系數(shù)，本次試驗(yàn)a=374.2，b=0.078，N為試樣養(yǎng)護(hù)齡期。

圖7 抗壓強(qiáng)度-粉煤灰摻量關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文通過對(duì)粉煤灰改良膨脹土進(jìn)行界限含水率、擊實(shí)、自由膨脹率、有荷膨脹率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等一系列試驗(yàn)，研究了粉煤灰對(duì)膨脹土膨脹以及強(qiáng)度特性的改良效果，主要結(jié)論如下：

1）在本次試驗(yàn)條件下，粉煤灰摻量為0%~15%時(shí)，隨粉煤灰摻量增大，試樣最大密度與最優(yōu)含水率逐漸減小，且與粉煤灰摻量呈良好線性關(guān)系；

2）在膨脹土中摻入粉煤灰能有效抑制膨脹土的膨脹特性，隨粉煤灰摻入量增大，試樣塑性指數(shù)、自由膨脹率和有荷膨脹率均減小，荷載對(duì)膨脹土膨脹具有抑制作用，豎向荷載越大，試樣膨脹率越?。?/p>

3）未經(jīng)養(yǎng)護(hù)試樣，粉煤灰摻量對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響不明顯，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d試樣，隨粉煤灰摻量增大，試樣抗壓強(qiáng)度均呈增大趨勢，且不同粉煤灰摻量下，28 d齡期抗壓強(qiáng)度均大于7 d齡期；

4）以粉煤灰摻量為6%為例，研究了齡期為0~180天共8個(gè)試樣抗壓強(qiáng)度，隨齡期增長，試樣抗壓強(qiáng)度先增長迅速而后逐漸變緩，齡期與抗壓強(qiáng)度呈乘冪關(guān)系。

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