粉煤灰改良氯鹽漬土工程特性試驗研究

楊曉松，劉井強，黨進謙

（1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2.中國水電十一局鄭州科研設計有限公司，鄭州 450001）

粉煤灰改良氯鹽漬土工程特性試驗研究

楊曉松1，劉井強2，黨進謙1

（1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2.中國水電十一局鄭州科研設計有限公司，鄭州 450001）

為研究粉煤灰改良氯鹽漬土工程特性的效果，采用人工配置氯鹽漬土，進行室內改良氯鹽漬土的強度與變形特性試驗。在定性分析的基礎上，定量分析了粉煤灰摻量對改良氯鹽漬土強度及變形特性的影響。結果表明，適量添加粉煤灰能夠很好地改良氯鹽漬土的強度與變形特性。在試驗條件下，粉煤灰改良氯鹽漬土的最優摻量為25%。

粉煤灰；氯鹽漬土；最優摻量

1 鹽漬土特性及改良性研究

鹽漬土指含鹽量（土的含鹽量指土體內鹽分的重量或質量與干土的重量或質量之比，用百分數表示）超過一定數量的土。現行國家標準《巖土工程勘察規范》（GB50021—2001）中的6.8.1條規定：“巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性時，應判斷為鹽漬土”［1］。

鹽漬土屬于特殊土，其三相組成與一般土不同，液相中含有鹽溶液，固相中含有鹽結晶，尤其是易溶的鹽結晶。因此，有些學者認為鹽漬土為四相土體，即固相、液相、結晶鹽相、氣相。鹽漬土相成分的復雜性使得其工程性質亦變得復雜。

我國鹽漬土分布廣泛，隨著社會和經濟建設的發展，大量的資源開發與工程建設越來越多地擴展到鹽漬土地區。綜合鹽漬土地區工程建設過程中及工程后期的安全評價與養護中遇到的問題，可以認為，鹽漬土作為一種特殊土，其工程危害性主要有地基不均勻沉降、墻身泛堿、墻皮脫落、鋼筋銹蝕、混凝土結構構件破壞與鹽脹等［2－5］。為保證鹽漬土地區工程建設的順利進行以及工程建筑物安全、有效地運營，必須深入研究鹽漬土的工程特性，以尋求相應的工程病害解決方案。

在對鹽漬土的基本性質進行大量研究的同時，針對鹽漬土地區具體的施工建設，對鹽漬土的工程性質進行改良性試驗研究。研究鹽漬土改良的可能性與改良效果已成為近年來眾多學者研究的課題，一些相應的施工技術方法也隨之提出。如王生俊［6］利用SH有機高分子材料改良濱海地區鹽漬土用作路基填料，認為經SH改良后的鹽漬土混合料的CBR值和回彈模量都將得到提高，并且具有優越的水穩定性和抗凍性；劉付華等［7］利用二灰（石灰和粉煤灰）對濱海鹽漬土進行改性試驗研究，認為濱海鹽漬土經二灰改良后，無側限抗壓強度和非飽和抗剪強度指標都能得到有效提高；李作恒［8］通過大量的室內試驗研究石灰改良鹽漬土工程特性的可行性，提出經石灰改良后的鹽漬土CBR值增加，抗剪強度增強，改良可行；蒲昌瑜等［9］通過室內試驗，研究電石灰代替石灰改良鹽漬土的可行性，認為電石灰亦能夠很好地改良鹽漬土的工程性質。單一利用粉煤灰對鹽漬土的力學與變形特性進行改良的研究尚未見報道。

因此，本文針對鹽漬土工程特性的復雜性，以及粉煤灰作為改良添加劑在工程上的廣泛應用，采用室內人工模擬配置氯鹽漬土，通過強度與變形試驗，對粉煤灰改良氯鹽漬土工程特性的效果進行試驗研究。

2 試驗條件

2.1 試驗材料

試驗用粉煤灰取自靖原第二電廠，最大干密度為1.13 g／cm3，最優含水率為33.67%，其化學成分組成見表1。

表1 粉煤灰化學成分組成Table 1 Chem ical com position of the fly ash

試驗中所用黃土取自西北農林科技大學南區新宿舍樓工地地平面以下2處的擾動黃土，土樣為黃褐色，孔隙較大，土質均勻，土體疏松，屬馬蘭黃土（Q3）。對黃土進行化學性質測定，測得易溶鹽含量為0.5 g／kg，可以用于人工鹽漬土的配制。所用黃土的物理性質指標如表2所示。

2.2 試驗方案

根據試驗研究，非飽和氯鹽漬土的剪切強度隨著含鹽量的變化曲線以8%為拐點。當含鹽量低于8%時，剪切強度隨著含鹽量的增加而減小；當含鹽量大于8%時，剪切強度隨著含鹽量的增加而增加。因此，試驗選用含鹽量為8%的氯鹽漬土為研究對象，選用粉煤灰的摻量為0%，10%，15%，20%，25%，30%。

根據擊實試驗結果，選用控制干密度為1.60 g／cm3，控制含水率為17%。剪切強度試驗為適用于工程施工較快條件下的非飽和、不固結、不排水三軸剪切試驗，圍壓為100，200，300，400 kPa，剪切速率為0.08 mm／min。壓縮變形試驗采用標準固結試驗，最大垂直壓力為1 600 kPa，分6級加荷，加荷壓力分別為50，100，200，400，800，1 600 kPa。

3 試驗結果

3.1 剪切強度試驗

剪切強度試驗結果見表3。為更加直觀地描述粉煤灰改良氯鹽漬土破壞強度及其指標與粉煤灰摻量的關系，根據表中數據，繪制破壞強度、內摩擦角φ、黏聚力C與摻量的關系曲線，見圖1至圖3。

由圖1中的關系曲線可以得出，粉煤灰改良氯鹽漬土的破壞強度隨著圍壓的增加而增大；在各級圍壓下，粉煤灰改良氯鹽漬土的破壞強度隨著摻量的增加，變化趨勢為先增加，后減小。具體表現為，當粉煤灰摻量小于25%時，粉煤灰改良氯鹽漬土的破壞強度隨著摻量的增加而增加，在摻量為25%時，強度達到最大；繼續增加粉煤灰，粉煤灰改良氯鹽漬土的破壞強度將隨著摻量的增加開始減小。雖然在200 kPa圍壓時，摻量為15%的改良氯鹽漬土強度較10%時有所減小，但是并不影響總體變化趨勢，不排除試驗誤差以及人為因素導致這種現象的可能。此外，關系曲線表明，在粉煤灰摻量小于15%時，隨著摻量的增加，破壞強度增加緩慢；大于15%，小于25%時，破壞強度增加比較迅速。分析試驗數據，以300 kPa圍壓下的試驗結果為例，隨著粉煤灰摻量由0%增加至15%，破壞強度由109 kPa增加至110.3 kPa，僅增加了1.2%；摻量由15%增加至20%，破壞強度增加了43.2%。

表3 剪切強度試驗結果Table 3 Results of shear strength test

圖1 破壞強度與粉煤灰摻量關系曲線Fig.1 Curves of failure strength vs.fly ash dosage

圖2 內摩擦角φ與粉煤灰摻量關系曲線Fig.2 Curve of friction angleφvs.fly ash dosage

圖3 黏聚力C與粉煤灰摻量關系曲線Fig.3 Curve of cohesive force C vs.fly ash dosage

表2 土樣的基本物理性質指標Table 2 Basic physical properties of the soil sample

圖2中的關系曲線表明內摩擦角隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸增加，當粉煤灰摻量小于10%時，曲線平緩，內摩擦角增加緩慢；大于10%，小于25%時，曲線變陡，內摩擦角增加迅速；大于25%時，曲線趨于平緩，內摩擦角增加緩慢。

由圖3中的關系曲線可以得出，破壞強度指標黏聚力隨著粉煤灰摻量的增加呈先增加后減小的變化趨勢，粉煤灰摻量小于15%時，曲線上升平緩；大于15%時，曲線變陡，黏聚力增加迅速，在摻量為20%時黏聚力達到最大。

3.2 壓縮變形試驗

對于土的壓縮性一般用壓縮系數表示其壓縮特性。為便于統一比較，習慣上采用P1＝100 kPa和P2＝200 kPa范圍的壓縮系數av比較以及衡量土的壓縮性的高低。試驗結果見表4。

表4 壓縮系數av0.1～0.2（MPa－1）試驗結果Table 4 Test results of com p ression coefficient av0.1～0.2（MPa－1）

根據表4中試驗數據，繪制壓縮系數與粉煤灰摻量的變化關系曲線，見圖4。

圖4 壓縮系數與粉煤灰摻量關系曲線Fig.4 Curve of compression coefficient vs.fly ash dosage

由圖4中的關系曲線可以得出，粉煤灰的摻入能夠很好地改良鹽漬土的壓縮特性，氯鹽漬土的壓縮系數隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸減小。具體表現為，隨著摻量由0%增加到20%，壓縮系數減小幅度分別為17.28%，6.95%，9.71%，減小緩慢；當配合比由20%增加到25%時，壓縮系數減小明顯，減小幅度為65.11%。

4 成果分析與討論

工程建設中關注的主要問題是地基土體的強度與變形。利用改良添加劑對工程土體的工程性質進行改良，必須保證強度不能降低這一前提。只有在保證強度的前提下才能繼續研究其它工程特性的改良。通過不同粉煤灰摻量改良的氯鹽漬土剪切強度試驗，可以得出，氯鹽漬土在添加適量粉煤灰以后，破壞強度會得到很大的提高。本試驗得出，在試驗條件下，25%為最優粉煤灰摻量，此時，粉煤灰改良氯鹽漬土的破壞強度達到最大值。

在保證強度的前提下進行的壓縮變形試驗得出，利用粉煤灰作為改良添加劑能夠很好地改良氯鹽漬土的壓縮特性，粉煤灰改良氯鹽漬土的壓縮系數隨著摻量的增加而逐漸減小。在摻量為25%時，壓縮系數降低幅度最大。

通過以上對強度與變形試驗結果的分析，可以看出粉煤灰對氯鹽漬土工程特性的改良效果很好。在試驗條件下，最優粉煤灰摻量為25%。

對改良機理的進一步分析可以從粉煤灰本身具有的活性入手。

就化學成分上來講，粉煤灰主要是由硅、鋁、鐵、鈣、碳等元素為主的氧化物和銅、鈷、鉭等微量元素以及鍺、鎵、銦等稀有金屬組成的細粉料。其中SO2，Al2O3，Fe2O33種成分占70%左右，CaO和MgO含量較小，并且隨原煤的組成和產出時代不同而變化［10］。

當粉煤灰與一定含水量的氯鹽漬土充分均勻地拌合以后，在土體內部所含水分的作用下，將發生一系列的水解水化反應，對改良土體的工程性質產生重要影響。這些物理化學作用具體可以概括為［10－11］：

（1）離子交換作用。粉煤灰是一種類火山灰材料，其中的SiO2，Al2O3和Fe2O3是難溶的酸性氧化物，Na2O，K2O和CaO是易溶的堿性氧化物。在摻入到鹽漬土中以后，在土中所含水分的作用下，Na2O和K2O迅速溶解，生成K＋，Na＋，OH－。CaO能夠迅速消解，產生Ca（OH）2，它與反應生成的Mg（OH）2進一步離解出二價鈣、鎂和氫氧根離子。二價鈣、鎂離子很容易置換鹽漬土顆粒所吸附的低價鈉離子和鉀離子等離子。土顆粒吸附二價鈣、鎂離子所形成的擴散層變薄，降低了鹽漬土顆粒的分散性，使得土體比較容易穩定成型，在一定程度上有助于提高改良氯鹽漬土的強度。

（2）碳酸化作用。在離子交換作用進行的同時，Ca（OH）2和Mg（OH）2還會不斷地與空氣中的CO2反應，生成具有較高強度和水穩定性的CaCO3和MgCO3。它們對土粒的膠結作用，加強了土顆粒間的聯結，使得土體結構得到加固，強度進一步提高。

（3）凝膠作用。粉煤灰的水解反應使得土體液相中的OH－大量增加，使得pH值增加，溶液的堿性增強。粉煤灰中難溶的酸性氧化物SiO2，Al2O3和Fe2O3在堿性環境中，其活性得到激發，發生火山灰反應，生成含水硅酸鈣、含水鐵酸鈣和含水鋁酸鈣等凝膠體。隨著火山灰作用的不斷深入，這3種凝膠體不斷吸收水分，導致土體大量失水，膠質凝固結晶，即在水環境下發生硬化，在鹽漬土顆粒的外圍形成穩定的保護膜，具有很強的黏結力，使得鹽漬土在自身結構的基礎上顆粒間形成網狀聯結，從而使改良氯鹽漬土的強度提高并保持長期穩定。同時，凝膠體保護膜還能起到隔離水分的作用，使改良氯鹽漬土獲得水穩定性。

上述這些作用并不是獨立的，而是相互聯系、相互影響、同步進行。綜合上面的分析，可以得出：粉煤灰的水解水化反應加強了改良氯鹽漬土土體顆粒間的團聚作用，提高了土體的密實性，加強了土顆粒間的聯結作用，強化了土體的結構性，從而能夠很好地改良氯鹽漬土的強度與變形特性。

試驗條件下，最優粉煤灰摻量為25%。小于該摻量的范圍內，氯鹽漬土工程特性的改良效果會隨著粉煤灰摻量的增加越來越明顯；大于該臨界摻量，改良氯鹽漬土的強度不再增加，而是開始減小，壓縮系數曲線在降到一定值以后開始趨于平緩。分析其原因可以認為，最優摻量是粉煤灰充分水解水化反應所需的量。當粉煤灰摻量超過最優摻量，多余的粉煤灰將不會參加水解水化反應，作為一種無黏性材料分散在土體中，此時，粉煤灰自身的物理力學性質開始影響改良鹽漬土的物理力學特性，并且這種影響會隨著粉煤灰摻量的增加逐漸增強。當粉煤灰摻量無限增大時，粉煤灰改良氯鹽漬土的物理力學性質將趨于粉煤灰自身的物理力學性質。

5 結 語

為實現鹽漬土的資源化，加快廣大鹽漬土地區的開發與建設，同時響應國家“變廢為寶”的粉煤灰治理方針，本文針對粉煤灰改良氯鹽漬土工程特性的改良效果進行試驗研究。通過強度與壓縮變形試驗可得，試驗條件下，改良效果較好，且粉煤灰最優摻量為25%。粉煤灰改良氯鹽漬土的改良機理與一般一灰土或二灰土的改良機理類似。對于粉煤灰改良氯鹽漬土工程特性變化機理深層次的研究應從物理微結構角度進行分析與探討。

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（編輯：周曉雁）

Experimental Research on the Engineering Property of Chlorine Saline Soil Im proved by Fly Ash

YANG Xiao-song1，LIU Jing-qiang2，DANG Jin-qian1
（College ofWater Resources and Architectural Engineering，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China；2.Zhengzhou Scientific Research and Design Company of the Eleventh Bureau of China Hydropower Ltd.，Zhengzhou 450001，China）

To investigate on the effect of chlorine saline soil’s engineering property improved by fly ash，strength and deformation tests are carried out on artificial chlorine saline soil.On the basis of qualitative analysis，quantitative analysis is performed to research the influence of fly ash mix amount on chlorine saline soil’s strength and deformation characteristics.Result indicates that chlorine saline soil’s strength and deformation characteristic can be improved by adding a proper amountof fly ash.Under the test conditions，the optimum dosage of fly ash in chlorine saline soil is 25%.

fly ash；chlorine saline soil；optimum dosage

TU411.3

A

1001－5485（2012）11－0082－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.11.018

2011－09－22；

2011－10－17

楊曉松（1983－），男，河南信陽人，博士研究生，從事土的工程性質研究，（電話）15829911491（電子信箱）yxsly2010＠163.com。