超細(xì)粉煤灰水泥改良膨脹土試驗(yàn)研究*

付 靜

（浙江長(zhǎng)征職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，浙江 杭州310000）

膨脹土是一種高塑性黏土，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定，對(duì)道路、高速鐵路造成了極大的傷害[1,2]。然而膨脹土在我國(guó)境內(nèi)分布廣泛，且不同地區(qū)膨脹土的膨脹特性各有不同，因此，膨脹土地區(qū)修建道路、鐵道工程難度加大[3]。膨脹土作為隱藏的地質(zhì)災(zāi)害，其破壞形式具有長(zhǎng)期性、反復(fù)性和潛在性，造成工程構(gòu)筑物地基沉降開(kāi)裂、岸坡跨塌和路基變形等工程事故，工程損失巨大。

因此，在膨脹土地區(qū)施工時(shí)，有必要對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，采用改良后的膨脹土完成工程建設(shè)[4]，保證工程質(zhì)量。

目前，改良膨脹土的膨脹特性和提高其強(qiáng)度的方法有很多，多數(shù)研究者采用物理、化學(xué)和生物方式完成對(duì)膨脹土的改良[5-8]。李艷玲等[9]通過(guò)粉煤灰水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，研究結(jié)果表明，摻加粉煤灰水泥能顯著改善膨脹土的力學(xué)強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰水泥摻量為30%時(shí)，其強(qiáng)度增幅最大。連繼峰等[10]結(jié)合實(shí)際工程采用水泥、石灰和粉煤灰水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，研究結(jié)果表明，石灰、水泥改良后的膨脹土具有良好的強(qiáng)度特性，降低了膨脹土的脹縮性能；但兩者結(jié)合使用抵抗干濕的效果減弱。王雋峰[11]以云貴鐵路為例，從設(shè)計(jì)和試驗(yàn)角度對(duì)膨脹土地區(qū)修建鐵路發(fā)生的病害進(jìn)行了分析和總結(jié)，提出膨脹土地區(qū)修建高速鐵路的設(shè)計(jì)建議。傅乃強(qiáng)等[12]采用纖維粉煤灰水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，研究結(jié)果表明，纖維的加入改善了粉煤灰水泥土樣的脆性破壞模式;隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,改良土的強(qiáng)度逐漸提高。楊常所[13]通過(guò)石灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，研究結(jié)果表明，石灰摻量6%時(shí)，天河機(jī)場(chǎng)附近的膨脹土可以用作無(wú)砟軌道鐵路基本體的填料。雖然對(duì)膨脹土的改良取得了一定的研究成果，但是，目前對(duì)于超細(xì)粉煤灰水泥改良膨脹土的工程特性尚缺乏系統(tǒng)的研究，因此，有必要對(duì)超細(xì)粉煤灰水泥改良膨脹土的工程特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。

本文采用超細(xì)粉煤灰水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，研究了超細(xì)粉煤灰水泥摻量對(duì)膨脹土擊實(shí)性能、自由膨脹率和力學(xué)性能的影響?？蔀槌?xì)粉煤灰水泥改良膨脹土在鐵路工程方面的應(yīng)用提供有效的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

試驗(yàn)所用膨脹土選自成都地區(qū)，顏色呈現(xiàn)黃色或黃褐色，裂隙發(fā)育交叉呈現(xiàn)網(wǎng)紋狀，土體內(nèi)部能看見(jiàn)白色的鈣質(zhì)。膨脹土內(nèi)部含大量的白色粘土粒，含量高達(dá)50%，其主要礦物成分有高嶺土、伊利石和一定量的蒙脫石，具體的物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 膨脹土物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical properties of expansive soils

粉煤灰水泥采用沈陽(yáng)憶利粉煤灰水泥建材有限公司生產(chǎn)的超細(xì)粉煤灰水泥，主要成分由SiO2，Al2O3和Fe2O3組成，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。為了激發(fā)超細(xì)粉煤灰水泥的活性，根據(jù)陳若莉的研究成果選取堿性激發(fā)機(jī)NaOH，由濟(jì)南蕭試化工有限公司生產(chǎn)的，分析純NaOH呈白色粒狀結(jié)構(gòu)。

表2 粉煤灰水泥的化學(xué)組成（wt%）Tab.2 Chemical composition of fly ash cement

1.2 試驗(yàn)方案

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）,將取回的天然膨脹土，碾碎后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，將膨脹土、不同摻量超細(xì)粉煤灰水泥和NaOH復(fù)合，其中粉煤灰水泥摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、5%、8%、12%和15%。首先，將碾碎后的膨脹土用2mm的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行過(guò)濾，然后將過(guò)濾后的膨脹土與超細(xì)粉煤灰水泥和激發(fā)劑NaOH放入烘箱中烘烤24h，取出攪拌均勻，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。

將膨脹土風(fēng)干碾碎過(guò)0.5mm篩，分別按照0%、5%、8%、12%、15%的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)摻加超細(xì)粉煤灰水泥，拌和均勻，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7、14、28d。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）進(jìn)行膨脹土樣的自由膨脹率試驗(yàn)。

采用YYW-2型無(wú)側(cè)限抗壓儀進(jìn)行土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)選取干密度1.7g·cm-3,含水率21.3%，土樣制備根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）進(jìn)行，研究不同摻量超細(xì)粉煤灰水泥對(duì)膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

采用全自動(dòng)三軸儀進(jìn)行三軸試驗(yàn)，按試驗(yàn)規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）選取固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU），研究不同圍巖（100，300kPa），剪切速率為0.05mm·min-1的條件下進(jìn)行CU試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰水泥摻量對(duì)膨脹土擊實(shí)特性的影響

根據(jù)部分學(xué)者研究激發(fā)劑對(duì)粉煤灰水泥的激發(fā)作用，研究表明，NaOH摻量為12%時(shí)，對(duì)粉煤灰水泥的激發(fā)效果最好。因此，試驗(yàn)選取摻量為12%的NaOH與不同摻量的超細(xì)粉煤灰水泥相混合，研究不同摻量超細(xì)粉煤灰水泥對(duì)膨脹土擊實(shí)特性的影響。圖1、2為最大干密度、最優(yōu)含水率與超細(xì)粉煤灰水泥摻量的關(guān)系曲線。

圖1 最大干密度與超細(xì)粉煤灰水泥摻量的關(guān)系圖Fig.1 Relation diagram of maximum dry density and cement content of ultra-fine fly ash

由圖1可以看出，隨著超細(xì)粉煤灰水泥摻量的增加，試樣的最大干密度逐漸降低，主要原因是由于超細(xì)粉煤灰水泥的相對(duì)體積質(zhì)量比膨脹土小，在相同體積下，超細(xì)粉煤灰水泥的質(zhì)量小于膨脹土；而超細(xì)粉煤灰水泥作為礦物摻和料與膨脹土相混合，形成了新的膠結(jié)物質(zhì)，使土樣的粘性增加，從而降低了膨脹土的干密度。

由圖2可知，隨著超細(xì)粉煤灰水泥摻量的增加，土樣的最優(yōu)含水率逐漸降低，其原因是由于超細(xì)粉煤灰水泥中的Mg2+和Ca2+與膨脹土中的K+和Na+互相交換，顆粒之間緊密聯(lián)系，導(dǎo)致結(jié)合水膜變薄，最佳含水量降低。

圖2 最優(yōu)含水率與超細(xì)粉煤灰水泥摻量的關(guān)系Fig.2 Relationship between optimal moisture content and content of superfine fly ash cement

2.2 超細(xì)粉煤灰水泥摻量對(duì)膨脹土自由膨脹率的影響

不同摻量超細(xì)粉煤灰水泥改良膨脹土的自由膨脹率見(jiàn)圖3。

圖3 自由膨脹率與超細(xì)粉煤灰水泥摻量的關(guān)系Fig.3 Relationship between free expansion rate and cement content of superfine fly ash

由圖3可以看出，超細(xì)粉煤灰水泥的摻入可以有效改善膨脹土的自由膨脹率，養(yǎng)護(hù)齡期7d時(shí)，摻量5%的超細(xì)粉煤灰水泥的自由膨脹率為27%，與素膨脹土的自由膨脹率72%相比，降低了50%；隨著超細(xì)粉煤灰水泥摻量的增加，自由膨脹率繼續(xù)降低，但降低幅度緩慢。當(dāng)超細(xì)粉煤灰水泥摻量為12%時(shí)，降低幅度為83.06%，摻量15%時(shí)，其降低幅度基本維持不變。其原因是由于超細(xì)粉煤灰水泥中高價(jià)陽(yáng)離子與膨脹土中的低價(jià)離子發(fā)生置換反應(yīng)，減小了膨脹土水膜厚度，從而使膨脹土的自由膨脹率有所降低。隨著超細(xì)粉煤灰水泥摻量的增加，高價(jià)陽(yáng)離子出現(xiàn)剩余，不能與膨脹土低價(jià)離子發(fā)生置換反應(yīng)，從而減緩了膨脹土的自由膨脹率。根據(jù)規(guī)范可知，不同摻量的超細(xì)粉煤灰水泥改良膨脹土的自由膨脹率均≤40%，說(shuō)明超細(xì)粉煤灰水泥改良膨脹土不具有膨脹性。同時(shí)比較養(yǎng)護(hù)齡期7、14和28d自由膨脹土率可知，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)不同摻量超細(xì)粉煤灰水泥改良膨脹土幾乎沒(méi)有影響。

2.3 超細(xì)粉煤灰水泥對(duì)膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

將土樣養(yǎng)護(hù)至28d進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between unconfined compressive strength and axial strain

由圖4可以看出，隨著超細(xì)粉煤灰水泥摻量的增加，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加后減小。超細(xì)粉煤灰水泥摻量在5%~12%時(shí)，土樣強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)超細(xì)粉煤灰水泥摻量超過(guò)12%之后，抗壓強(qiáng)度有所降低。

由圖5可以看出，超細(xì)粉煤灰水泥改良膨脹土是存在峰值強(qiáng)度的，峰值處改良效果最優(yōu)，摻量過(guò)高其峰值強(qiáng)度降低，改良效果變差。其原因一方面是由于超細(xì)粉煤灰水泥呈現(xiàn)微珠結(jié)構(gòu)，隨著摻量的增加，填充了土樣中的孔隙，使土樣的微結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，導(dǎo)致土樣內(nèi)部的摩擦角增大，使土體的強(qiáng)度增加，隨著超細(xì)粉煤灰水泥的增加，土樣內(nèi)部的粘聚力降低比較明顯，使土樣的峰值強(qiáng)度開(kāi)始降低。另一方面，超細(xì)粉煤灰水泥化學(xué)成分中的陽(yáng)離子如Fe3+、Ca2+等與膨脹土中的離子產(chǎn)生交換，使土樣中的雙電層變?nèi)?，?nèi)部絮凝作用能力增強(qiáng)，形成團(tuán)?；?yīng)，從而增強(qiáng)了土樣的抗壓強(qiáng)度。超細(xì)粉煤灰水泥摻量12%時(shí)，其土樣的峰值抗壓強(qiáng)度比未改良土樣的峰值強(qiáng)度增加33.70%。因此，摻入適量的超細(xì)粉煤灰水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，可以提高膨脹土的峰值抗壓強(qiáng)度。

圖5 膨脹土峰值強(qiáng)度與粉煤灰水泥摻量的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between peak strength of expansive soil and cement content of fly ash

2.4 超細(xì)粉煤灰水泥對(duì)膨脹土三軸試驗(yàn)結(jié)果的影響

不同超細(xì)粉煤灰水泥摻量改良膨脹土三軸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6中σ1-σ3為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之差。

由圖6可以看出，摻入超細(xì)粉煤灰水泥可以顯著改善膨脹土主應(yīng)力，隨著超細(xì)粉煤灰水泥摻量的增加，主應(yīng)力差呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。與素膨脹土相比，當(dāng)超細(xì)粉煤灰水泥摻量為12%時(shí)，主應(yīng)力差最大，其改良后的膨脹土抗剪強(qiáng)度最大。當(dāng)超細(xì)粉煤灰水泥摻量為15%時(shí)，其土樣的抗剪強(qiáng)度開(kāi)始降低。隨著圍壓的增加，土樣的抗剪強(qiáng)度增加，當(dāng)圍壓100kPa時(shí)，與素膨脹土相比，不同超細(xì)粉煤灰水泥摻量（5%、8%、12%）其改良后的土樣抗剪強(qiáng)度增加了12.64%、21.83%、29.89%。當(dāng)圍壓300kPa時(shí)，與素膨脹土相比，不同超細(xì)粉煤灰水泥摻量（5%、8%、12%）其改良后的土樣抗剪強(qiáng)度增加了20.05%、35.71%、68.45%。其原因是，隨著超細(xì)粉煤灰水泥的摻入，在激發(fā)劑NaOH作用下，土樣內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)發(fā)生了改善，內(nèi)部產(chǎn)生凝膠和鈣質(zhì)化合物，有效提高了改良后膨脹土的強(qiáng)度。

圖6 不同圍壓下的三軸試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Triaxial test results under different confining pressures

3 結(jié)論

（1）當(dāng)激發(fā)劑NaOH摻量為12%，隨著超細(xì)粉煤灰水泥的增加，改良后膨脹土土樣干密度和最佳含水量逐漸降低。

（2）超細(xì)粉煤灰水泥的摻入可以有效改善膨脹土的自由膨脹率，當(dāng)超細(xì)粉煤灰水泥摻量為12%時(shí)，與素膨脹土相比，其自由膨脹率降低了83.06%，而養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)自由膨脹率幾乎沒(méi)有影響。

（3）摻入適量的超細(xì)粉煤灰水泥能有效改善膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，當(dāng)超細(xì)粉煤灰水泥摻量為12%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度最大，摻量超過(guò)12%之后，其抗壓強(qiáng)度有所降低。

（4）摻入適量的超細(xì)粉煤灰水泥能改善膨脹土的抗剪強(qiáng)度，摻量為12%、圍壓100kPa時(shí)，與素膨脹土相比，其改良后的土樣抗剪強(qiáng)度增加了29.89%；圍壓300kPa時(shí)，其改良后的土樣抗剪強(qiáng)度增加了68.45%；

（5）通過(guò)超細(xì)粉煤灰水泥改良后的膨脹土能用作鐵道路基填料，為在實(shí)際工程中應(yīng)用提供了技術(shù)支持。