張偉剛，王瑞虎，朱經(jīng)亮，朱明楊

（1蘇交科集團股份有限公司,江蘇南京210019；2華設設計集團股份有限公司,江蘇南京210014）

膨脹土被認為是影響工程安全性最具威脅性的因素之一,膨脹土主要由強親水性粘土礦物(蒙脫石)組成,它能通過控制土體中的水分變化而產(chǎn)生脹縮行為,這種行為會對高速公路膨脹土邊坡穩(wěn)定性造成威脅甚至破壞[1-2]。工程建設中膨脹土要么需要開挖和更換,要么需要改變其性質以滿足具體的工程要求,但是前者工作量大,經(jīng)濟成本高,因此,通過化學改良增強膨脹土的穩(wěn)定性是研究者們研究的熱點[3-4]。

通過前人的研究及工程實踐,目前常用的幾種典型膨脹土穩(wěn)定劑有熟石灰、硅酸鹽水泥、瀝青和石油磺酸鹽等,其中,熟石灰是全球最常用的穩(wěn)定劑,因為它與粘土礦物具有更好的和易性[5-6],并且石灰在水環(huán)境下會導致周圍環(huán)境pH值升高并分解粘土顆粒,產(chǎn)生SiO32-和Al3+離子等,它們與Ca2+離子等反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝產(chǎn)物,使得土體的強度有所增加[7-8]。但是,目前常用的穩(wěn)定劑普遍存在經(jīng)濟成本高等問題,因此,尋找一種綜合的、低成本的穩(wěn)定劑,如可行的工業(yè)廢料,具有重要的意義。

木質素磺酸鹽(S)是一種以木質素為基礎的有機聚合物,是造紙加工工業(yè)的廢棄副產(chǎn)物,處理不當會對環(huán)境造成嚴重問題,此外,作為世界上最大的造紙國家,木質素磺酸鹽在中國擁有豐富的資源[9-10]。因此,本文研究利用木質素磺酸鹽作為穩(wěn)定劑改善膨脹土的巖土性能的可行性。以往的研究僅通過木質素磺酸鹽改善不同土壤的各種土工性質,且這些研究主要集中在粉砂質土、粉砂質粘性土和低塑性粘土,關于膨脹土的研究很少[11-13]。研究表明木質素磺酸鹽改善土壤性質主要是通過物理作用[14],為了更好地改善膨脹土性質,本研究擬使用熟石灰（M）和木質素磺酸鹽作為復合穩(wěn)定劑,從而增強高速公路膨脹土邊坡穩(wěn)定性。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本研究使用的膨脹土取自河南省南陽市某高速公路邊坡,對其進行XRD測試,得到其主要礦物成分如圖1所示,結果表明,膨脹土中黏土礦物平均占51%,即蒙脫石(47%)、伊利石(4%)和其他非黏土礦物如微斜長石(4%)、鈉長石(7%)和石英(38%),其化學成分見表1。經(jīng)過室內試驗測定了該膨脹土的基礎巖土特性,即土的液限為61.8%,塑性指數(shù)為39.7%,土壤的自由膨脹指數(shù)為85%,土壤活度為1.85。木質素磺酸鹽取自河南省新鄉(xiāng)新亞紙業(yè),其XRD譜圖顯示其為無定形性質；熟石灰中Ca(OH)2含量達84%。

圖1 膨脹土XRD測試結果Fig. 1 XRD test results of expansive soil

1.2 試驗方案及方法

首先通過塑性指數(shù)（PI）對復合穩(wěn)定劑的最佳比例進行優(yōu)選,PI值越低,土體的收縮/膨脹行為越低。復合穩(wěn)定劑的不同組合形式m見表2,每種組合的摻量從0到6%,最后根據(jù)PI值最小確定復合穩(wěn)定劑最佳配合比及摻量。為了探究木質素磺酸鹽和熟石灰改善膨脹土的作用機理,在確定復合穩(wěn)定劑最佳配合比及摻量的基礎之上,通過控制變量法改變單一物質的摻量進行進一步測試,對處理后膨脹土的各種巖土特性,如塑性、膨脹和收縮特性、導水性和強度特性進行了評估。

采用錐形貫入儀進行膨脹土的塑性試驗(GB/T 50123-1999)；采用自由膨脹指數(shù)試驗(GB 50112-2013)來評估土壤的膨脹行為；根據(jù)標準AS 1289-2001對膨脹土進行了線性收縮試驗,以評估土壤樣品的收縮行為；采用無側限抗壓強度評價土樣的力學性能(GB/T 50123- 1999),土樣在95%的最大干密度下被壓實在一個內徑為50 mm、高度為100 mm的圓形模具中,分三層均勻壓實；通過XRD和SEM測試膨脹土的礦物成分和微觀結構變化。

2 試驗結果分析

2.1 穩(wěn)定劑對塑性指數(shù)的影響

塑性指標是土體的主要物理性質之一,它直接反映了土體的體積變化特性。因此,通過塑性指數(shù)來判斷不同配比復合穩(wěn)定劑及其摻量對膨脹土的影響,結果如圖2所示。從圖中可以看出,M、S和復合穩(wěn)定劑等各種摻合料在一定程度上均能降低膨脹土的塑性指數(shù),且當M：S為3：1的復合添加劑摻量為膨脹土質量的3.5%時,即M摻量為2.625%,S摻量為0.875%時改良膨脹土的塑性指數(shù)最低,說明該配比及摻量為最優(yōu)。這是由于外加劑與粘土礦物的相互作用和化學反應,雙擴散層厚度降低,土壤團聚體減少,從而導致了細小的粘土顆粒減少,最終導致塑性降低[15]。

圖2 不同配比穩(wěn)定劑對膨脹土塑性指數(shù)的影響Fig. 2 Influence of different proportion of stabilizer on plastic index of expansive soil

2.2 穩(wěn)定劑對自由膨脹指數(shù)的影響

自由膨脹指數(shù)是控制膨脹土體積變化的一個重要臨界性質。圖3顯示了不同配比穩(wěn)定劑對膨脹土養(yǎng)護7天后自由膨脹指數(shù)的影響。從圖3可以看出,M、S和復合穩(wěn)定劑等各種摻合料在一定程度上均能降低土壤的自由膨脹指數(shù),此外,當S百分比從0.5%增加到1.0%以及M百分比從2%增加到6%時,改良膨脹土自由膨脹指數(shù)急劇降低,當S及M百分比超過1.0%和6%后,改良膨脹土自由膨脹指數(shù)變化趨勢顯著降低?？傮w而言,復合穩(wěn)定劑顯著降低了膨脹土的膨脹指數(shù),且優(yōu)于S和M單獨作用時。

圖3 不同配比穩(wěn)定劑對膨脹土自由膨脹指數(shù)的影響Fig. 3 Influence of different proportion of stabilizer on free expansion index of expansive soil

2.3 穩(wěn)定劑對線性收縮的影響

線性收縮是土體的一個重要特征,是土體干裂的重要標志,主要影響土體的各種力學和水力特性（抗剪強度、滲透性等）。圖4顯示了不同配比穩(wěn)定劑對膨脹土養(yǎng)護7天后線性收縮的影響。

圖4 不同配比穩(wěn)定劑對膨脹土線性收縮的影響Fig. 4 Effects of different proportion of stabilizer on linear shrinkage of expansive soil

從圖4可以看出,M、S和復合穩(wěn)定劑等各種摻合料在一定程度上均能降低土壤的線性收縮率。且效果最為明顯的摻量區(qū)間為S百分比從0.5%到1.0%,M百分比從2%到6%。復合穩(wěn)定劑對膨脹土的補償效果優(yōu)于M、S單獨摻合料。OBA外加劑的優(yōu)良性能主要是由于S和M的共同作用使土壤顆粒具有更好的絮凝性能。

2.4 穩(wěn)定劑對抗壓強度的影響

無側限抗壓強度試驗可以了解土的基礎力學特性。圖5顯示了不同配比穩(wěn)定劑對膨脹土養(yǎng)護28天后線性收縮的影響。從圖5可以看出,未處理土的無側限抗壓強度值為233.15kPa。隨著復合穩(wěn)定劑的改性,膨脹土的強度均有所增長,在M摻量一定的情況下,隨著S摻量從0增加到2%,膨脹土的強度呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢,強度最大時S摻量為1%；在S摻量一定的情況下,隨著M摻量從0增加到10%,膨脹土的強度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,且當摻量超過6%時膨脹土的強度變化值較小。由此可以推斷,與S或者M單獨作用相比,M與S耦合作用可以顯著提高膨脹土的強度,這是因為復合穩(wěn)定劑更有利于土體形成更完整的結構。

圖5 不同配比穩(wěn)定劑對膨脹土抗壓強度的影響Fig. 5 Influence of stabilizer with different proportions on compressive strength of expansive soil

3 改良機理分析

3.1 XRD分析

圖6為不同穩(wěn)定劑處理后膨脹土的XRD測試結果。經(jīng)過與圖1進行對比發(fā)現(xiàn),對于只加入S穩(wěn)定劑的樣品而言,測試結果表明衍射圖中石英等物質的峰強度有所降低,并有輕微的位移。物質峰值強度的降低可歸因于反射礦物中晶粒的平均尺寸減小,說明S穩(wěn)定劑的非晶性對蒙脫石等礦物的結晶過程起了重要作用。同時,衍射圖上沒有新峰的出現(xiàn),說明S穩(wěn)定劑與土壤礦物之間主要存在分子間相互作用,而不是化學反應；對于加入S和M復合穩(wěn)定劑的樣品而言,測試結果表明衍射圖中未出現(xiàn)明顯的膠凝化合物衍射峰,只產(chǎn)生了方解石一種新的礦物成分,但是石英等物質的峰強度有所降低,粘土礦物峰的減少可歸因于S穩(wěn)定性劑的非晶性以及石灰與這些粘土礦物的反應導致其結構的破壞。

圖6 不同配比穩(wěn)定劑改良膨脹土XRD測試結果Fig. 6 XRD test results of expansive soil modified with different proportions of stabilizer

3.2 SEM分析

圖7為不同穩(wěn)定劑處理后膨脹土的微觀結構測試結果。從圖7可以看出,未經(jīng)穩(wěn)定劑處理的原始膨脹土微觀結構較為粗糙,粘土顆粒成團現(xiàn)象明顯,微觀結構具有較為明顯的裂紋,因此原始膨脹土體的穩(wěn)定性較差；經(jīng)過1% S穩(wěn)定劑處理后的膨脹土SEM顯微圖顯示,微觀結構粗糙程度和裂紋數(shù)量有所下降,膨脹土顆粒聚集形成大團簇,這些聚類形成了較厚的土基質,強度值的增加與大團簇聚集體的形成有關,大團簇聚集體提供了抗施加應力的穩(wěn)定土壤結構；而經(jīng)過1% S和6% M復合穩(wěn)定劑處理過的土壤產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象,裂隙數(shù)量顯著降低,形成穩(wěn)定的結構,具有平整的結構和較強的粘結性,從而改善膨脹土的強度特性。因此,這些微觀結構分析為上述已獲得的試驗結果提供了較好的機理論證。

圖7 不同配比穩(wěn)定劑改良膨脹土微觀結構測試結果Fig. 7 Microstructure test results of expansive soil improved by different ratio of stabilizer

4 結論

本文通過室內試驗研究了木質素磺酸鹽(S)、熟石灰(M)和兩者的組合穩(wěn)定劑處理膨脹土的相關巖土特性,并通過XRD和SEM研究了膨脹土的礦物成分和微觀結構變化,以了解其穩(wěn)定機理。根據(jù)試驗結果,得出以下結論：

（1）根據(jù)改良膨脹土的塑性指數(shù)得出復合穩(wěn)定劑的最優(yōu)摻量為膨脹土質量的3.5%,復合穩(wěn)定劑中M與S質量比為3：1,且復合穩(wěn)定劑對膨脹土的塑性、膨脹特性和線性收縮性能改善效果優(yōu)于單一穩(wěn)定劑的改良效果。

（2）復合穩(wěn)定劑對改善膨脹土的強度特性有較好的效果,與單一穩(wěn)定劑相比,不同復合穩(wěn)定劑配比下改良膨脹土的無側限抗壓強度均有明顯提高。

（3）XRD分析結果表明,由于S穩(wěn)定劑的非晶性,S改良膨脹土的粘土礦物峰值強度降低,而M的加入會導致粘土礦物結構的破壞。SEM測試結果表明復合穩(wěn)定劑能使膨脹土形成更穩(wěn)定的團聚體和強粘結的土壤團聚體。