硅灰改良膨脹土室內(nèi)試驗研究

單熠博 王保田 張福海 韓少陽

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心， 南京 210098)

膨脹土是一種含強親水礦物(蒙脫石和伊利石)的高液限粘土，具有顯著的遇水膨脹失水收縮的特性，在這種反復(fù)收縮變形的過程中便形成了膨脹土的多裂隙性，從而導(dǎo)致膨脹土強度的降低，膨脹土中裂隙的存在是膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要原因[1]．膨脹土不利的工程特性會對工程建設(shè)造成困擾，嚴(yán)重的會直接帶來建筑物的破壞，從而直接造成經(jīng)濟損失，因此膨脹土也常稱作災(zāi)害性土．開挖后的膨脹土工程邊坡和地基，受地下水、降雨，土壓力、溫度等環(huán)境影響較大，故現(xiàn)在有廣泛的學(xué)者對膨脹土治理進行了研究[2]．目前主要膨脹土治理方法有：置換法、熟石灰法、水泥法、復(fù)摻水泥和石灰法、電極控制陽離子法、加筋法、化學(xué)改良劑法等方法．當(dāng)在膨脹土地區(qū)修建建筑物時，由于膨脹土的工程性質(zhì)指標(biāo)不能滿足工程設(shè)計規(guī)范要求，而采用大量的非膨脹土去置換填土，必然會造成土地資源浪費，因而最行之有效的方法便是對膨脹土進行改良；石灰被認(rèn)為是改良膨脹土效果較好的無機材料[3],但是在生產(chǎn)石灰的過程中會導(dǎo)致環(huán)境的污染，并且會導(dǎo)致土體的滲透性增加．R.Goodarzi[4]等通過采用硅灰水泥復(fù)摻來改良膨脹土，研究了改良劑對固化時間及滲透性的影響．Umit Calik、Erol Sadoglu[5]等認(rèn)為珍珠巖粉與石灰復(fù)摻使得改良后膨脹土具有更高抗剪強度及水穩(wěn)性．黃震[6]通過膨脹土的脹縮裂隙與抗剪強度的關(guān)系對膨脹土改良的效果進行了評價．

本文通過不同摻量的硅灰對膨脹土進行改良，以不同的判別指標(biāo)研究對膨脹土的改良效果．試驗主要通過改良土的膨脹性、物理力學(xué)特性及水穩(wěn)性，對改良效果進行評價．

1 試驗材料與改良機理

1.1 試驗材料

試驗土樣取自秦淮東河，其自由膨脹率為61%，液限為51.6%，塑性指數(shù)為28%．根據(jù)路基設(shè)計規(guī)范的要求[7]，該膨脹土不能作為路堤填料．對秦淮東河土樣進行了基本物理性質(zhì)和膨脹性試驗，試驗結(jié)果見表1；試驗所使用硅灰的特性參數(shù)見表2．

表1 試驗土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 試驗所用硅灰的特性參數(shù)

1.2 膨脹土改良機理

硅灰又名微硅粉，其主要成分是SiO2，含量占90%以上，是冶煉金屬硅和硅鐵時從煙塵中所收集的粉末狀材料．如果不加以回收利用，直接排放到空氣中，將會對大氣造成污染．硅灰顆粒細小，硅灰中的SiO2屬無定型的物質(zhì)，活性高，比表面積大，具有較強的火山灰性質(zhì)．隨著國內(nèi)外對硅灰的研究，使得這種副產(chǎn)品在工程中應(yīng)用越來越廣泛[8]，主要應(yīng)用于制備高強度混凝土、耐火材料、水泥等領(lǐng)域．

硅灰對膨脹土的改良機理主要包括離子交換作用，硅灰表面的吸附作用，硅灰的膠結(jié)作用與填充作用[9]．具體改良機理為：硅灰中含有少量的CaO和MgO，摻入膨脹土后會產(chǎn)生Ca2+、Mg2+，可與粘土顆粒所吸附的低價K+、Na+等離子置換，使得粘土雙電層厚度變薄．當(dāng)膨脹土與硅灰拌合后，由于硅灰巨大的比表面積，遇水后易形成偏硅酸(H2SiO3)，從而形成膠體團粒．膠體團粒附帶的H+被粘粒表面所帶的負電荷吸引，使團粒包圍在粘粒周圍，改善了粘土顆粒之間的粘接作用，使粘土顆粒之間的結(jié)合力增加，從而減少了粘粒的吸水作用，增強了土體的水穩(wěn)性．硅灰顆粒細小，平均粒徑在0.5～1 μm，能有效地填充膨脹土的孔隙，使土粒之間聯(lián)結(jié)更加緊密，從而降低土體的滲透性．滲透性的大小將直接影響土體裂隙的發(fā)育[10]，土體滲透性的降低將導(dǎo)致降雨入滲的速率減慢及對邊坡的影響深度降低，從而減少邊坡微裂隙的產(chǎn)生和發(fā)育，增強邊坡的穩(wěn)定性．

1.3 試驗方案

將現(xiàn)場取來的膨脹土填料拌勻后測定其初始含水率，將土樣風(fēng)干至其含水率10%以下，并過2 mm篩，取2 mm篩下土樣分成3份，分別摻入2%、3%、5%的灰劑量的硅灰，加水至最優(yōu)含水率，將土樣密封24 h以使其含水率均勻．按壓實度92%制樣，將制備好的試樣置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，在不同養(yǎng)護齡期進行改良土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗．

2 試驗結(jié)果分析

2.1 改良前后土體膨脹性變化

硅灰改良膨脹土的自由膨脹率及線膨脹率試驗結(jié)果分別見表3、圖1以及圖2所示．由表3可以得出，硅灰改良膨脹土的自由膨脹率均有降低，且都降至30%以下．依照國家標(biāo)準(zhǔn)“膨脹土地區(qū)建筑設(shè)計規(guī)范”[11],自由膨脹率小于40%的粘性土判定為非膨脹土，故改性后的膨脹土為非膨脹土．但是自由膨脹率隨養(yǎng)護齡期的增加并無較大程度降低，主要原因是離子交換反應(yīng)及土粒表面粘結(jié)作用的增強發(fā)生在養(yǎng)護前期．圖1、圖2分別為相同養(yǎng)護齡期不同硅灰摻量及相同硅灰摻量不同養(yǎng)護齡期線膨脹率隨時間變化的關(guān)系曲線．

表3 硅灰改良膨脹土自由膨脹率試驗結(jié)果

圖1 不同硅灰摻量線膨脹率隨時間變化的關(guān)系曲線(7 d)

圖2 不同養(yǎng)護齡期線膨脹率隨時間變化的關(guān)系曲線(3%硅灰)

由圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn)，不同摻量硅灰改良膨脹土的線膨脹率較素土有明顯降低，并且隨著養(yǎng)護齡期的增加而降低，具體表現(xiàn)為1～7 d下降幅度較大，7 d后線膨脹率趨于穩(wěn)定．表明了經(jīng)硅灰改良的膨脹土的膨脹性得到了明顯的抑制．

2.2 改良前后土體物理力學(xué)性質(zhì)

土樣改良前后無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化如圖3所示，4次干濕循環(huán)后的快剪強度指標(biāo)與改良前后液塑限變化見表4、表5．

圖3 改良土無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期變化關(guān)系曲線

硅灰摻量/%粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/°04.67.5218.616.2322.314.8516.814.6

表5 改良前后土體液塑限變化

在進行無側(cè)限抗壓強度試驗前，試樣飽和的過程中，素土樣因浸水破壞而導(dǎo)致無法進行無側(cè)限抗壓試驗．由圖3可得經(jīng)改良的膨脹土均具有較高的無側(cè)限抗壓強度，無側(cè)限抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增加而增加，但并不隨著硅灰摻量的增加而增加，其中3%的硅灰摻量在28 d養(yǎng)護齡期時具有較高的強度．由表4可以看出改良土在經(jīng)歷4次干濕循環(huán)后內(nèi)摩擦角與粘聚力較素土有較大提高，但隨著硅灰摻量的增加，5%摻量的改良土的抗剪強度指標(biāo)呈現(xiàn)出下降的趨勢．說明硅灰摻量的增加可能導(dǎo)致土體中存在過多未反應(yīng)的細小硅灰顆粒，不能與土體形成團聚體，從而降低了改良土體的內(nèi)摩擦角與粘聚力．由表5可知，經(jīng)過硅灰改良的膨脹土，其液限減小，塑性指數(shù)明顯降低．這表明經(jīng)硅灰改良的膨脹土，土中黏粒含量有明顯的減少．

2.3 改良土的水穩(wěn)性

試驗采用同一壓實度，分別按其最優(yōu)含水率制備的環(huán)刀樣養(yǎng)護至28 d，進行干濕循環(huán)試驗研究改良土的水穩(wěn)定性．在室溫(25±2)℃條件下，將土樣浸泡水中至飽和含水率27%后，從水中取出試樣風(fēng)干至天然含水率20%，此為一個干濕循環(huán)過程．通過改良土在干濕循環(huán)過程中裂隙發(fā)展情況以及絕對膨脹率、相對膨脹率來評價硅灰對膨脹土水穩(wěn)性改良的效果．

通過觀察摻入硅灰的改良土試樣在干濕循環(huán)過程中裂隙的變化，由圖4可得(取5%硅灰摻量為示例)：試樣在干濕循環(huán)過程中，土樣表面無較大貫穿的裂隙，土樣邊緣沒有土顆粒掉落的現(xiàn)象，可以認(rèn)為經(jīng)過改良后的土體在干濕循環(huán)的過程中表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)性．由圖5、圖6可得：試樣在干濕循環(huán)過程中的絕對膨脹率及相對膨脹率較素土均有明顯的降低，其降低幅度隨摻灰量的增加而增加，在第一次干濕循環(huán)后的降低幅度在60%～80%之間，并隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，絕對膨脹率及相對膨脹率都趨于穩(wěn)定．這說明經(jīng)硅灰改良的土體能有效增強土顆粒之間的粘結(jié)作用而減少水分子對其連接作用的影響，從而提高了改良土的水穩(wěn)性．

圖4 改良膨脹土干濕循環(huán)過程裂隙發(fā)展情況

圖5 絕對膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系曲線

圖6 相對膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

膨脹土由于其不利的工程性質(zhì),在工程建設(shè)中需進行改良，在利用硅灰作為一種新型的無機改良劑改良膨脹土的室內(nèi)試驗中，有著較好的改良效果．其改良前后的各項物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表明：

1)經(jīng)硅灰改良后的膨脹土，其自由膨脹率均降低到30%以下，其中5%硅灰摻量改良土降至28%．其浸水后線膨脹率較素土降低明顯．隨著養(yǎng)護齡期增加，1～7 d下降幅度較大，7 d后線膨脹率趨于穩(wěn)定，表明硅灰改良反應(yīng)主要在養(yǎng)護前期．

2)通過改良土的無側(cè)限抗壓強度試驗可得，經(jīng)硅灰改良的膨脹土具有較高的強度．養(yǎng)護齡期對其后期強度影響不大，且隨著硅灰摻量的增加，其改良土的強度略有減?。?/p>

3)通過改良前后土體的界限含水率變化可得，經(jīng)硅灰改良的膨脹土的液限及塑性指數(shù)均有明顯的降低．

4)經(jīng)硅灰改良的膨脹土具有較好的水穩(wěn)性，在干濕循環(huán)過程中，試樣表面無較大貫穿裂隙，其絕對膨脹率和相對膨脹率較素土均有大幅度的降低，其水穩(wěn)性表現(xiàn)良好．在經(jīng)歷4次干濕循環(huán)后，改良土較素土仍具有較高的內(nèi)摩擦角與粘聚力．