粉煤灰與石灰改良花崗巖殘積土壓縮特性研究

李自立，陳志波，胡 屏，安亞洲

(1.國土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室(福建省地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室)， 福建 福州 350116； 2.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院巖土與地質(zhì)工程系， 福建 福州 350116；3.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116)

在我國東南部花崗巖分布相當(dāng)廣泛，尤其在廣東、福建以及桂東南與湘南、贛南一帶，更為集中。花崗巖出露面積，在閩、粵兩省都占其總面積的30%～40%，桂、湘、贛三省分別占其總面積的10%～20%[1]。其中，花崗巖殘積層的厚度在閩粵沿海地區(qū)一般為20 m～35 m[2]，在廈門地區(qū)最厚逾70 m[3]。改革開放以后，我國公路、鐵路等交通事業(yè)和住房建設(shè)事業(yè)得到了高速發(fā)展，花崗巖殘積土成為了東南沿海地區(qū)工程建設(shè)中最常見的土體之一。但是，花崗巖殘積土的工程力學(xué)性質(zhì)較為特別，其在原始地層環(huán)境中具有強(qiáng)度大、承載力較高、壓縮性低的特點，而因擾動和雨水的浸入都會使其崩解、軟化，造成強(qiáng)度的明顯降低。這種強(qiáng)度的差異對于工程建設(shè)是十分不利的，特別是在東南沿海這種降水豐富的地區(qū)，花崗巖殘積土的這種特性往往會造成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，成為工程建設(shè)的安全威脅。而粉煤灰是我國當(dāng)前排量最大的工業(yè)廢渣之一，年排渣量已達(dá)3億t以上[4]。作為一種工業(yè)廢棄物，如果對粉煤灰處理不當(dāng)，就容易引起空氣污染、水污染等一系列的生態(tài)環(huán)境問題，成為人類健康的巨大隱患。但是，粉煤灰具有較好的工程特性，其在改善黃土、鹽漬土、膨脹土和軟土等特殊性土體的土工力學(xué)性能方面得到了充分應(yīng)用，具有巨大的工程價值。因此，采用粉煤灰對花崗巖殘積土進(jìn)行改良，可謂一舉兩得，既可提高花崗巖殘積土的工程力學(xué)性能，又能充分發(fā)揮粉煤灰的工程利用價值，避免粉煤灰造成環(huán)境污染。

近年來，很多科研學(xué)者在土體性能研究和改良方面已經(jīng)做了大量的探索。周建基等[5]為解決黃土的濕陷問題，利用添加固化劑石灰來提高黃土的工程力學(xué)性質(zhì)，通過對泡水飽和和不泡水的一系列不同摻量的改良土進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗，對比研究了摻量對土體改良效果的影響。石熊等[6]通過大型三軸剪切實驗探討了不同級配碎石改良填料的強(qiáng)度特性，并對鄧肯-張模型進(jìn)行了改進(jìn)。呂擎峰等[7]采用傳統(tǒng)固化劑石灰、粉煤灰及新型改良劑水玻璃對鹽漬土進(jìn)行了固化，通過常規(guī)室內(nèi)試驗和微觀分析等手段測試了改良土的強(qiáng)度特征，深入研究了改良機(jī)理。趙德安等[8]深入地研究了鹽漬化土體的改良機(jī)理，通過試驗論證了固化劑在鹽漬化土體水分遷移中扮演的重要作用，為鹽漬土改良的深入研究提供了重要參考。朱彥鵬等[9]研究了不同配比的黃土-紅砂巖混合土的強(qiáng)度及壓縮性，明確了改良紅砂巖用于填料的適宜性。陳湘亮等[10]通過改良土強(qiáng)度、剛度等分析了泥質(zhì)粉砂巖改良土作為路基填料的適宜性。段偉宏等[11]利用橡膠顆粒對砂土進(jìn)行改良，通過固結(jié)試驗研究了砂含量對改良土的壓縮變形特性影響及影響趨勢。王宏偉等[12]利用MgO對淤泥進(jìn)行改良，并研究了改良土的壓縮性變化趨勢。王朝輝等[13]利用蛭石與水泥、石灰合成新型固化劑，通過試驗表明該固化劑可有效改善淤泥的路用性能。袁明月等[14]通過鋼渣微粉有效地提高了膨脹土的強(qiáng)度，降低了其膨脹性。楊俊等[15]在膨脹土中添加風(fēng)化砂以提高膨脹土的工程力學(xué)性能，通過對經(jīng)凍融循環(huán)后的改良土進(jìn)行直剪試驗，研究分析了風(fēng)化砂摻量對膨脹土的改良效果。馮巧等[16]以聚丙烯纖維等為固化劑對砂土進(jìn)行了固化，通過無側(cè)限壓縮試驗和直剪試驗研究分析了固化劑摻量對改良土強(qiáng)度的影響。張亞杰等[17]采用石灰對高液限土進(jìn)行改良，能有效降低素土的液限及塑性指數(shù)。

本文采用石灰和粉煤灰對花崗巖殘積土進(jìn)行改良，通過擊實試驗和壓縮試驗分別獲取改良土的最大干密度、最優(yōu)含水率、壓縮系數(shù)等壓實性指標(biāo)和壓縮性指標(biāo)，對比研究分析了不同養(yǎng)護(hù)期和不同摻量的石灰、粉煤灰對花崗巖殘積土的壓實性和壓縮變形特性的影響及影響趨勢，探討了改良土工程的沉降問題，為改良花崗巖殘積土的工程實踐提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 試驗材料

本試驗采用福州某一待建場地出露的花崗巖殘積土作為試驗用土，其基本物理性質(zhì)如表1所示，測試方法參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[18](GB/T 50123—1999)。粉煤灰采用河南鞏義豫聯(lián)電廠生產(chǎn)的粉煤灰，其基本化學(xué)成分見表2。試驗所采用的石灰為過2 mm篩的消石灰粉。

表1 土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 粉煤灰成分

注：%表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2 試驗方案

取過5 mm篩后的花崗巖殘積土，分別摻入占?xì)埛e土質(zhì)量5%、10%、15%、20%的粉煤灰和占?xì)埛e土質(zhì)量2%、4%、6%、8%的石灰，以及分別按石灰：粉煤灰：花崗巖殘積土的質(zhì)量比為1∶2∶7、1∶3∶6和8∶32∶60配制土樣。根據(jù)擊實試驗成果，按最優(yōu)含水率配置土樣并采用擊樣法制取環(huán)刀樣，壓實系數(shù)取0.95。制樣后，將成型試樣密封置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度(20±2)℃、相對濕度≥90%)下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期分別為1 d、7 d、14 d和28 d，到達(dá)預(yù)定養(yǎng)護(hù)期后分別對不同摻量的試樣進(jìn)行固結(jié)試驗，施加荷載等級依次為25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa，采用壓力段由p1=0.1 MPa增加到p2=0.2 MPa時的壓縮系數(shù)a1-2評定土的壓縮性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 改良花崗巖殘積土的擊實特性

2.1.1 粉煤灰改良花崗巖殘積土的擊實特性

花崗巖殘積土中的粉煤灰摻量與改良土最大干密度和最優(yōu)含水率關(guān)系曲線如圖1所示。

由圖1可以看出：在本試驗研究范圍內(nèi)，隨著花崗巖殘積土中的粉煤灰摻量增加，改良土的最大干密度明顯增大，而最優(yōu)含水率呈減小趨勢。當(dāng)摻量為10%時，改良土的最優(yōu)含水率顯著下降；當(dāng)粉煤灰摻量為20%時，改良土的最大干密度提高了3.8%，而最優(yōu)含水率卻降低了10.6%。由此可知，當(dāng)花崗巖殘積土經(jīng)過粉煤灰改良之后，其整體密度得到提高，施工需水量也顯著降低。

2.1.2 石灰改良花崗巖殘積土的擊實特性

花崗巖殘積土中石灰摻量與改良土最大干密度和最優(yōu)含水率關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2可以看出：在本試驗研究范圍內(nèi)，當(dāng)花崗巖殘積土中的石灰摻量增加時，最大干密度逐漸減小，而最優(yōu)含水率逐漸增大。當(dāng)摻量為8%時，改良土的最大干密度降低了6.2%，而最優(yōu)含水率卻提高了7.8%。造成上述現(xiàn)象的原因可能是隨著石灰摻量的增加，改良土的微觀結(jié)構(gòu)受到影響，土顆粒粒徑產(chǎn)生變化，改良土顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，土體級配變得均勻，從而造成在擊實過程中有效擊實功變小，改良土中水分排放受到限制，最終表現(xiàn)為最優(yōu)含水率變大，最大干密度變小[19]。

2.1.3 石灰-粉煤灰改良花崗巖殘積土的擊實特性

花崗巖殘積土中的石灰-粉煤灰摻量與改良土最大干密度和最優(yōu)含水率的關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3可以看出：在本試驗研究范圍內(nèi)，將一定量的石灰和粉煤灰同時添加到花崗巖殘積土中后，改良土的最大干密度呈顯著減小的趨勢。當(dāng)雙灰改良土中粉煤灰比例增加時，改良土的最優(yōu)含水率逐漸減小。其中，當(dāng)配比為1∶2∶7時，改良土的最優(yōu)含水率提高最為明顯，提高了16.7%；當(dāng)配比為1∶3∶6時，最大干密度降低幅度最大，降低8.8%。

2.2 改良花崗巖殘積土的壓縮特性

2.2.1 粉煤灰對改良土壓縮特性的影響

通過固結(jié)試驗得到花崗巖殘積土在不同粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)期下的壓縮系數(shù)a1-2隨粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)期的變化曲線如圖4和圖5所示。

從圖4中可以看出，所有粉煤灰改良花崗巖殘積土的壓縮系數(shù)a1-2大于0.1 MPa-1，且小于0.5 MPa-1，屬于中壓縮性土，而壓縮模量Es,1-2和壓縮系數(shù)表現(xiàn)出相似的規(guī)律性，均大于4 MPa，小于16 MPa。隨著粉煤灰摻量的增加，花崗巖殘積土的壓縮系數(shù)a1-2逐漸減小，且均在摻量為10%處壓縮系數(shù)減小幅度最大，這與擊實試驗結(jié)果中最優(yōu)含水率的變化成正相關(guān)關(guān)系。其主要原因可能是粉煤灰中的活性物質(zhì)與土顆粒發(fā)生水化硬凝反應(yīng)，產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)水和空氣中逐漸硬化，填充了土樣的孔隙，阻止了土樣的變形[20-21]。

由圖5可知，隨著養(yǎng)護(hù)期的增加，粉煤灰改良花崗巖殘積土的壓縮系數(shù)a1-2稍有減小，但不明顯，僅在養(yǎng)護(hù)期為14 d時發(fā)生很小的變化，由此可見，增加養(yǎng)護(hù)期對粉煤灰改良花崗巖殘積土的變形特性影響不大，這可能是因為粉煤灰中的活性物質(zhì)較少，在1 d養(yǎng)護(hù)期間反應(yīng)已基本完成，所以粉煤灰改良土的壓縮特性在后期沒有明顯改善。

2.2.2 石灰對改良土壓縮特性的影響

通過固結(jié)試驗得到花崗巖殘積土在不同石灰摻量和養(yǎng)護(hù)期下的壓縮系數(shù)a1-2隨石灰摻量和養(yǎng)護(hù)期的變化曲線如圖6和圖7所示。

從圖6中可以看出，所有石灰改良花崗巖殘積土的壓縮系數(shù)a1-2均小于0.1 MPa-1，屬于低壓縮性土，而壓縮模量Es,1-2和壓縮系數(shù)也表現(xiàn)出相似的規(guī)律性，均大于16 MPa。石灰的摻入使得花崗巖殘積土的壓縮系數(shù)顯著減小，改良土的壓縮特性較粉煤灰改良土有明顯提高。其原因是石灰中含有較多的活性物質(zhì)，使火山灰作用和碳酸化作用得以充分進(jìn)行，產(chǎn)生的CaCO3、CaSiO3等凝膠物質(zhì)在花崗巖殘積土的外圍形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對土體進(jìn)行膠結(jié)和填充孔隙[20-21]。可以看到，隨著石灰摻量的增加，花崗巖殘積土的壓縮系數(shù)a1-2逐漸減小，2%、4%摻量的改良土壓縮系數(shù)變化較為明顯，在摻量為4%之后壓縮系數(shù)雖有減小但變化不大，這與擊實試驗中最大干密度的變化成負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要原因是石灰反應(yīng)使得土體級配均勻，密實度更大，土體更不易變形[19]。

由圖7可知，隨著養(yǎng)護(hù)期的增加，石灰改良花崗巖殘積土的壓縮系數(shù)a1-2均減小，壓縮系數(shù)在養(yǎng)護(hù)期為7 d和14 d時的減小趨勢較為明顯，且在14 d之后趨于穩(wěn)定。

2.2.3 石灰-粉煤灰對改良土壓縮特性的影響

通過固結(jié)試驗得到花崗巖殘積土在不同粉煤灰、石灰摻量和養(yǎng)護(hù)期下的壓縮系數(shù)a1-2隨石灰、粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)期的變化曲線如圖8和圖9所示。

從圖8中可以看出，所有石灰-粉煤灰改良花崗巖殘積土的壓縮系數(shù)a1-2均小于0.1 MPa-1，屬于低壓縮性土，而壓縮模量Es,1-2和壓縮系數(shù)也表現(xiàn)出相似的規(guī)律性，均大于16 MPa。不同配比的改良花崗巖殘積土的壓縮系數(shù)a1-2均有顯著減小，且配比為1∶2∶7改良土壓縮系數(shù)減小幅度最大，說明配比1∶2∶7對花崗巖殘積土變形特性的改良效果最好。由圖9可知，隨著養(yǎng)護(hù)期的增加，花崗巖殘積土的壓縮系數(shù)a1-2均有減小，且在養(yǎng)護(hù)期為7 d時壓縮系數(shù)的減小趨勢最大，7 d之后減小趨勢逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

(1) 在試驗研究范圍內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰改良土的最大干密度明顯增大，而最優(yōu)含水率呈減小趨勢；隨著石灰摻量的增加，石灰改良土的最大干密度逐漸減小，而最優(yōu)含水率逐漸增大。

(2) 在試驗研究范圍內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰改良土的壓縮性逐漸減小，養(yǎng)護(hù)期對改良土的壓縮性影響不大，粉煤灰改良土的最佳摻量為20%；隨著石灰摻量的增加，石灰改良土的壓縮性逐漸減小。

(3) 從經(jīng)濟(jì)環(huán)保的角度出發(fā)，對于沉降變形要求較高的工程，建議采用1∶2∶7配比進(jìn)行土體改良；否則，也可以用20%摻量的粉煤灰進(jìn)行改良。