鐵尾礦砂-水泥改良膨脹土工程特性試驗(yàn)研究*

程 偉 高 峰 胡建林, 鄭瑞海 王曉燕 宋 超

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院 張家口 075000； 2.山西大同大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院 大同 037003；3.河北省瀝青路面工程固廢綜合利用技術(shù)創(chuàng)新中心 張家口 075000)

膨脹土是一種富含親水性礦物成分(如蒙脫石、伊利石)的高塑性黏土。其對(duì)環(huán)境濕度變化敏感，具有干縮濕脹的特點(diǎn)。因?yàn)槠浞磸?fù)脹縮變形會(huì)使膨脹土路基、邊坡等發(fā)生破壞，給項(xiàng)目建設(shè)帶來安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。因此如何有效改良膨脹土成為該領(lǐng)域的重要研究課題。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)膨脹土的改良進(jìn)行了研究，他們的改良效果和改良機(jī)理各有不同。綜合起來可以分成3大類：①物理改良方法，通過使用一些不與膨脹土發(fā)生反應(yīng)的惰性材料(如風(fēng)化砂、石屑、鐵尾礦等)，依靠材料間的嵌擠咬合作用達(dá)到抑制膨脹土膨脹變形的作用[1-3]。②化學(xué)改良法，將水泥、石灰、粉煤灰等材料混入膨脹土中，通過在膨脹土中的化學(xué)反應(yīng)生成新物質(zhì)，從而降低膨脹土的活性，從而抑制膨脹土的脹縮變形[4-6]。③復(fù)合改良，復(fù)合改良可以充分發(fā)揮多種改良方法的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到更好的改良效果。陳偉等[7]采用崩解性砂巖-水泥改良膨脹土，通過常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了崩解性砂巖和水泥的摻入均能有效抑制膨脹土的脹縮性，且復(fù)合改良效果要優(yōu)于單一改良，并從微觀上解釋了其作用機(jī)理；楊俊等[8]進(jìn)行了風(fēng)化砂分別和水泥、石灰、粉煤灰復(fù)合改良的研究，通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，分別得出了3種復(fù)合改良的最佳摻和比。

使用水泥改良膨脹土已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工程實(shí)踐中，其具有較好的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。鐵尾礦砂改良膨脹土與傳統(tǒng)的物理改良法類似。存在一些不足之處，鐵尾礦砂與膨脹土結(jié)合會(huì)使膨脹土的黏結(jié)力下降，使得鐵尾礦砂改良膨脹土的強(qiáng)度提高不太明顯。因此，本文提出了一種新的復(fù)合改良方法，在膨脹土中加入一定比例的鐵尾礦砂，同時(shí)摻入一定量的水泥，摻鐵尾礦砂能改善膨脹土的顆粒級(jí)配，摻入水泥能夠起到很好的膠結(jié)作用，提高改良膨脹土的強(qiáng)度。充分發(fā)揮2種材料的優(yōu)點(diǎn)，提高改良膨脹土的強(qiáng)度。同時(shí)還可以提高鐵尾礦砂的利用率。

本文討論的雙摻改良土用于高速公路路基填土的上路床位置。結(jié)合張家口張尚高速沿線膨脹土，采用水泥和鐵尾礦砂復(fù)合改良的方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d的改良膨脹土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。以研究水泥摻量和鐵尾礦砂摻量對(duì)改良土強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用膨脹土取自河北省張家口市張尚高速公路沿線k5段，土樣呈黃褐色、灰白色，見蠟狀光澤，有很細(xì)的砂粒，表層土干燥時(shí)呈硬塊狀。試驗(yàn)用膨脹土基本性質(zhì)指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)用水泥采用的是張家口金隅水泥有限公司日產(chǎn)的礦渣硅酸鹽水泥P·S·A 32.5。

試驗(yàn)用鐵尾礦砂呈灰黑色，其主要性質(zhì)指標(biāo)見表2。

1.2 試驗(yàn)方案

為研究鐵尾礦砂-水泥改良膨脹土的強(qiáng)度特征，并確定最優(yōu)的鐵尾礦砂摻量，分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

文中鐵尾礦砂摻量是指鐵尾礦砂的干質(zhì)量與膨脹土和鐵尾礦砂干質(zhì)量之和的比率，水泥摻量是指水泥的干質(zhì)量與鐵尾礦砂和膨脹土干質(zhì)量之和的比率。

本試驗(yàn)采用的鐵尾礦摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%；水泥摻量分別為4%、6%、8%、10%、12%；試件采用壓力試驗(yàn)機(jī)靜壓成型，其中試模為直徑×厚度為100 mm×100 mm的圓柱體。根據(jù)JTG D30-2015 《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》按96%的壓實(shí)度制樣。施工時(shí)通過控制土的最優(yōu)含水率、分層壓實(shí)和提高壓實(shí)功的方式來保證其壓實(shí)度。

1.3 試樣制備

試驗(yàn)配料按上述配合比進(jìn)行配料。根據(jù)JTG 3430-2020 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到不同水泥摻量、不同鐵尾礦摻量下的最優(yōu)含水率和最大干密度。試樣制備如下：將膨脹土和鐵尾礦砂充分拌和，根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的最優(yōu)含水率，噴上一定質(zhì)量的水 (預(yù)留2%)，混合均勻后放入塑料袋中放置24 h；在試樣成型前1 h內(nèi)，將預(yù)設(shè)質(zhì)量的水泥和水加入混合物中，混合料攪拌均勻后，根據(jù)其最大干密度和壓實(shí)度計(jì)算所需混合料質(zhì)量，分3次倒入試模內(nèi)，然后在壓力試驗(yàn)機(jī)下以1 mm/min的加載速率成型；在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d后，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組試樣制備3個(gè)平行試樣，取試驗(yàn)結(jié)果滿足精度要求的3組試驗(yàn)的平均值，作為最終的試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

通過重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到了不同水泥摻量、不同鐵尾礦砂摻量下改良膨脹土的最優(yōu)含水率、最大干密度。見表3、表4。限于篇幅，本文只對(duì)單摻水泥、單摻鐵尾礦砂的情況進(jìn)行了分析。

表3 不同摻量鐵尾礦砂、水泥改良膨脹土最優(yōu)含水率試驗(yàn)結(jié)果 %

表4 不同摻量鐵尾礦砂、水泥改良膨脹土最大干密度試驗(yàn)結(jié)果

單摻水泥改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同水泥摻量下的擊實(shí)試驗(yàn)曲線

由圖1可見，改良土最大干密度隨水泥摻量的增加逐漸增大，最優(yōu)含水率隨水泥摻量的增加而逐漸減小。這是由于在外力擊實(shí)作用下，土顆粒不但要克服顆粒間的摩阻力，還要克服水分子形成的黏聚力。隨著水泥摻量的增加，水泥與膨脹土中強(qiáng)親水礦物發(fā)生反應(yīng)，降低了改良土的吸水能力，結(jié)合水膜變化范圍變小，土顆粒間斥力增加而引力相對(duì)減小，顆粒發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的阻力降低，所以在相同的壓實(shí)能下，改良土更容易被壓實(shí)[9]。所以，隨著水泥摻量的增加改良土最大干密度增加，最優(yōu)含水率降低。

單摻鐵尾砂礦改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同鐵尾礦砂摻量下的擊實(shí)試驗(yàn)曲線

由圖2可見，改良土最大干密度隨鐵尾礦砂摻量的增加逐漸增大，最優(yōu)含水率隨鐵尾礦砂摻量的增加而逐漸減小。這是由于鐵尾礦砂為惰性材料，幾乎不與土體發(fā)生反應(yīng)，且吸水率極低，并且鐵尾礦砂的相對(duì)密度比土高，所以改良土最大干密度隨鐵尾礦砂摻量的增加逐漸增大，最優(yōu)含水率隨鐵尾礦砂摻量的增加而逐漸減小。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1改良膨脹土試驗(yàn)結(jié)果

通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到了不同水泥摻量、不同鐵尾礦摻量下改良膨脹土的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表5～表7。

表5 鐵尾礦砂改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表6 水泥改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表7 鐵尾礦砂-水泥改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2改良膨脹土試驗(yàn)結(jié)果分析

限于篇幅，本文對(duì)水泥改良膨脹土鐵尾礦砂-水泥改良膨脹土進(jìn)行分析。

1) 單摻水泥改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析。水泥改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量之間的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 水泥摻量與改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

由圖3可見，隨著水泥摻量的增加，改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，水泥摻量從0%增加到4%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加0.176 MPa,水泥摻量從4%增加到6%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加0.356 MPa，水泥摻量從6%增加到8%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加0.459 MPa，水泥摻量從8%增加到10%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加0.157 MPa，水泥摻量從10%增加到12%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加0.149 MPa。隨著水泥摻量的增加，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)膨脹土中摻入水泥后，水泥發(fā)生水化反應(yīng)、離子交換反應(yīng)、團(tuán)粒作用等一系列化學(xué)反應(yīng)，生成了高強(qiáng)度的凝膠體，改善了膨脹土的受力骨架，從而使膨脹土的強(qiáng)度顯著提高。當(dāng)水泥摻量多時(shí)，需要過多的水，很多水泥物質(zhì)還沒有發(fā)生反應(yīng)，所以改良土的強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩。

李儒天等[10-11]通過研究發(fā)現(xiàn)水泥改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系符合三次多項(xiàng)式關(guān)系。根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果，通過Origin軟件對(duì)水泥改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系分別用多項(xiàng)式和logistic線性回歸方法進(jìn)行擬合,結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 水泥改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的擬合曲線(多項(xiàng)式)

圖5 水泥改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的擬合曲線(Logistic線性回歸)

由圖4、圖5可見，與傳統(tǒng)的多項(xiàng)式擬合相比，logistic線性回歸的R2比多項(xiàng)式擬合的大?；貧w效果更加顯著。

2) 雙摻水泥、鐵尾礦砂改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析。

雙摻水泥、鐵尾礦砂改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量之間的關(guān)系曲線見圖6。

圖6 不同水泥摻量下改良膨脹土鐵尾礦摻量與改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

由圖6可知，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著鐵尾礦砂摻量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)鐵尾礦砂摻量為20%時(shí)，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。

這是由于水泥能與膨脹土發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成了高強(qiáng)度的凝膠體，改善了膨脹土的受力骨架;鐵尾礦砂由于具有一定的棱角和硬度，能產(chǎn)生較大的相互摩擦嵌擠作用，增加了改良土顆粒間的摩擦力。從而使改良土在外力作用下，變形減小，從而增強(qiáng)了改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1) 單摻水泥改良膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)，隨水泥摻量的增加，最大干密度逐漸增加，最優(yōu)含水率逐漸減小。單摻鐵尾礦砂改良膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)，隨鐵尾礦砂摻量的增加，最大干密度逐漸增加，最優(yōu)含水率逐漸減小。

2) 單摻水泥改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加逐漸增大，增長(zhǎng)速率呈先快后慢的趨勢(shì)，且水泥改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量之間的擬合關(guān)系式為

3) 雙摻水泥、鐵尾礦砂改良膨脹土?xí)r，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著鐵尾礦砂摻量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，不同水泥摻量下最優(yōu)鐵尾礦砂摻量均為20%。