單熠博 王保田 張福海 韓少陽(yáng)

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(guò)程中便形成了膨脹土的多裂隙性，從而導(dǎo)致膨脹土強(qiáng)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(huì)對(duì)工程建設(shè)造成困擾，嚴(yán)重的會(huì)直接帶來(lái)建筑物的破壞，從而直接造成經(jīng)濟(jì)損失，因此膨脹土也常稱(chēng)作災(zāi)害性土．開(kāi)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(duì)膨脹土治理進(jìn)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(yáng)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(shí)，由于膨脹土的工程性質(zhì)指標(biāo)不能滿足工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求，而采用大量的非膨脹土去置換填土，必然會(huì)造成土地資源浪費(fèi)，因而最行之有效的方法便是對(duì)膨脹土進(jìn)行改良；石灰被認(rèn)為是改良膨脹土效果較好的無(wú)機(jī)材料[3],但是在生產(chǎn)石灰的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染，并且會(huì)導(dǎo)致土體的滲透性增加．R.Goodarzi[4]等通過(guò)采用硅灰水泥復(fù)摻來(lái)改良膨脹土，研究了改良劑對(duì)固化時(shí)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(qiáng)度及水穩(wěn)性．黃震[6]通過(guò)膨脹土的脹縮裂隙與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系對(duì)膨脹土改良的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)．

本文通過(guò)不同摻量的硅灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，以不同的判別指標(biāo)研究對(duì)膨脹土的改良效果．試驗(yàn)主要通過(guò)改良土的膨脹性、物理力學(xué)特性及水穩(wěn)性，對(duì)改良效果進(jìn)行評(píng)價(jià)．

1 試驗(yàn)材料與改良機(jī)理

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(jì)規(guī)范的要求[7]，該膨脹土不能作為路堤填料．對(duì)秦淮東河土樣進(jìn)行了基本物理性質(zhì)和膨脹性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1；試驗(yàn)所使用硅灰的特性參數(shù)見(jiàn)表2．

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 試驗(yàn)所用硅灰的特性參數(shù)

1.2 膨脹土改良機(jī)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(shí)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(huì)對(duì)大氣造成污染．硅灰顆粒細(xì)小，硅灰中的SiO2屬無(wú)定型的物質(zhì)，活性高，比表面積大，具有較強(qiáng)的火山灰性質(zhì)．隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)硅灰的研究，使得這種副產(chǎn)品在工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[8]，主要應(yīng)用于制備高強(qiáng)度混凝土、耐火材料、水泥等領(lǐng)域．

硅灰對(duì)膨脹土的改良機(jī)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(jī)理為：硅灰中含有少量的CaO和MgO，摻入膨脹土后會(huì)產(chǎn)生Ca2+、Mg2+，可與粘土顆粒所吸附的低價(jià)K+、Na+等離子置換，使得粘土雙電層厚度變?。?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(tuán)粒．膠體團(tuán)粒附帶的H+被粘粒表面所帶的負(fù)電荷吸引，使團(tuán)粒包圍在粘粒周?chē)纳屏苏惩令w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(qiáng)了土體的水穩(wěn)性．硅灰顆粒細(xì)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(duì)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(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性．

1.3 試驗(yàn)方案

將現(xiàn)場(chǎng)取來(lái)的膨脹土填料拌勻后測(cè)定其初始含水率，將土樣風(fēng)干至其含水率10%以下，并過(guò)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(shí)度92%制樣，將制備好的試樣置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在不同養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)行改良土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)．

2 試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“膨脹土地區(qū)建筑設(shè)計(jì)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(hù)齡期的增加并無(wú)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(qiáng)發(fā)生在養(yǎng)護(hù)前期．圖1、圖2分別為相同養(yǎng)護(hù)齡期不同硅灰摻量及相同硅灰摻量不同養(yǎng)護(hù)齡期線膨脹率隨時(shí)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(yàn)結(jié)果

圖1 不同硅灰摻量線膨脹率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(7 d)

圖2 不同養(yǎng)護(hù)齡期線膨脹率隨時(shí)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(hù)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化如圖3所示，4次干濕循環(huán)后的快剪強(qiáng)度指標(biāo)與改良前后液塑限變化見(jiàn)表4、表5．

圖3 改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)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(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)前，試樣飽和的過(guò)程中，素土樣因浸水破壞而導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)．由圖3可得經(jīng)改良的膨脹土均具有較高的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)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(hù)齡期時(shí)具有較高的強(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)．說(shuō)明硅灰摻量的增加可能導(dǎo)致土體中存在過(guò)多未反應(yīng)的細(xì)小硅灰顆粒，不能與土體形成團(tuán)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(guò)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(yàn)采用同一壓實(shí)度，分別按其最優(yōu)含水率制備的環(huán)刀樣養(yǎng)護(hù)至28 d，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)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(gè)干濕循環(huán)過(guò)程．通過(guò)改良土在干濕循環(huán)過(guò)程中裂隙發(fā)展情況以及絕對(duì)膨脹率、相對(duì)膨脹率來(lái)評(píng)價(jià)硅灰對(duì)膨脹土水穩(wěn)性改良的效果．

通過(guò)觀察摻入硅灰的改良土試樣在干濕循環(huán)過(guò)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(guò)程中，土樣表面無(wú)較大貫穿的裂隙，土樣邊緣沒(méi)有土顆粒掉落的現(xiàn)象，可以認(rèn)為經(jīng)過(guò)改良后的土體在干濕循環(huán)的過(guò)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(guò)程中的絕對(duì)膨脹率及相對(duì)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(duì)膨脹率及相對(duì)膨脹率都趨于穩(wěn)定．這說(shuō)明經(jīng)硅灰改良的土體能有效增強(qiáng)土顆粒之間的粘結(jié)作用而減少水分子對(duì)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(guò)程裂隙發(fā)展情況

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

圖6 相對(duì)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(jìn)行改良，在利用硅灰作為一種新型的無(wú)機(jī)改良劑改良膨脹土的室內(nèi)試驗(yàn)中，有著較好的改良效果．其改良前后的各項(xiàng)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(hù)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(hù)前期．

2)通過(guò)改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可得，經(jīng)硅灰改良的膨脹土具有較高的強(qiáng)度．養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)其后期強(qiáng)度影響不大，且隨著硅灰摻量的增加，其改良土的強(qiáng)度略有減?。?/p>

3)通過(guò)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(guò)程中，試樣表面無(wú)較大貫穿裂隙，其絕對(duì)膨脹率和相對(duì)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．