粉煤灰及電石渣改良膨脹土干濕循環(huán)特性研究

張萬濤 呂治剛 王 睿 李紅昌

(1.安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011； 2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 概述

遇水膨脹、失水收縮是膨脹土的主要特點(diǎn)之一。在干濕季節(jié)循環(huán)交替的過程中，土體體積產(chǎn)生周期性的收縮和膨脹，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上層建筑帶來安全隱患[1,2]。

已有研究表明[3，4]，向土體中摻入石灰、水泥和粉煤灰等添加劑可有效降低土體膨脹性，且能提高土體強(qiáng)度。干濕循環(huán)作用對改良膨脹土工程性質(zhì)的影響引起許多學(xué)者的關(guān)注[5,6]。

粉煤灰和電石渣為工業(yè)廢料，如果隨意堆放可造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。但二者作為固化劑使用時，則有良好的固化效果。本文從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度出發(fā)，以粉煤灰和電石渣作為添加劑，旨在研究粉煤灰和電石渣改良土的干濕循環(huán)特性。其主要內(nèi)容包括：1)干濕循環(huán)作用對改良膨脹土脹縮特性的影響；2)干濕循環(huán)作用對改良膨脹土強(qiáng)度的影響。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為合肥市包河大道西側(cè)包河區(qū)政府某基坑場地膨脹土，取土深度4 m～7 m，褐色～淺棕黃色，硬塑狀態(tài)。其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 原狀土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)所用粉煤灰和電石渣分別取自皖能電廠和合肥氯堿化工集團(tuán)，二者均為排放量較大的工業(yè)廢渣。

2.2 試驗(yàn)方法

綜合自由膨脹率試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)設(shè)計粉煤灰、生石灰與干土質(zhì)量百分比為1∶0∶5,1∶0.1∶5，電石渣與干土質(zhì)量比為1∶12.5和1∶10。

3 試驗(yàn)成果與分析

3.1 膨脹性

3.1.1無荷膨脹率試驗(yàn)

采用不同類型及摻量固化劑改良的膨脹土經(jīng)過干濕循環(huán)作用后，其無荷膨脹率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖1所示。

由圖1a)可以看出，與單獨(dú)使用粉煤灰(F20)相比，混合使用粉煤灰和石灰(F20+L2)改良的膨脹土無荷膨脹率顯著降低；而電石渣(S8和S10)改良土的無荷膨脹率略大于F20+L2改良土。這主要與添加劑中CaO含量有關(guān)。向膨脹土中加入含有CaO的添加劑后，Ca2+可置換出土中的單價陽離子，從而平衡粘土層表面的負(fù)電荷，減小粘土層間化學(xué)電斥力，降低土體膨脹性。此外，CaO遇水生成的Ca(OH)2為粉煤灰中的活性成分，如SiO2和Al2O3等提供了堿性環(huán)境，促進(jìn)火山灰反應(yīng)的發(fā)生，生成C-S-H,C-A-H等膠凝產(chǎn)物，可吸附粘土顆粒，使土體膨脹性降低。

由圖1b)可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良膨脹土的無荷膨脹率逐漸增大。

3.1.2膨脹力試驗(yàn)

圖2為不同類型及摻量固化劑改良膨脹土經(jīng)干濕循環(huán)作用后膨脹力的變化曲線。

如圖2a)所示，增加固化劑摻量可減小膨脹土的膨脹力，而S8和S10改良土的膨脹力比F20和F20+L2改良土小。粉煤灰中活性氧化物成分含量較高，在石灰提供的強(qiáng)堿性環(huán)境中可以溶解出Si4+和Al3+等高價陽離子。這些陽離子可置換出粘土顆粒表面的K+，Na+等低價陽離子，使雙電層厚度減薄，顆粒間的相互作用力降低。因此，混合使用粉煤灰和石灰可有效減小土體膨脹性。而土體中加入電石渣后，通過陽離子交換作用、火山灰反應(yīng)可產(chǎn)生大量絮凝產(chǎn)物，填充土體結(jié)構(gòu)孔隙，減小粘土礦物吸水膨脹、失水收縮的空間，從而改善土體脹縮特性。

圖2b)表明，增加干濕循環(huán)次數(shù)可導(dǎo)致改良膨脹土的膨脹力增大，說明干濕循環(huán)作用削弱了改良土體的脹縮穩(wěn)定性。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

經(jīng)過干濕循環(huán)作用后，改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖3所示。

如圖3a)所示，摻入F20和F20+L2的試樣強(qiáng)度為0.1 MPa～0.75 MPa；摻入S8和S10的試樣強(qiáng)度為2.0 MPa～3.3 MPa。電石渣和粉煤灰均具有比表面積大、硅鋁含量高等特點(diǎn)，二者的固化機(jī)制類似。但由于電石渣中CaO含量高于粉煤灰，因此前者改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于后者。

由圖3b)可知，在干濕循環(huán)0次～5次時，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。在干濕循環(huán)初期，交替的膨脹和收縮作用破壞了試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，產(chǎn)生細(xì)微裂縫，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度明顯下降。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙繼續(xù)發(fā)育，逐漸發(fā)展成為貫通裂縫；部分膠凝結(jié)構(gòu)也逐漸被破壞，喪失粘結(jié)力，土體強(qiáng)度進(jìn)一步降低。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到5次～10次時，試樣強(qiáng)度的變化幅度趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文通過系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)對粉煤灰、電石渣改良土遭受干濕循環(huán)作用后的膨脹性、強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，并得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：1)電石渣改善土體膨脹性的效果明顯優(yōu)于粉煤灰；且土體膨脹性隨添加劑摻量增加而減小，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大。2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體膨脹性增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。