摻綠砂改良膨脹土室內試驗研究

張 鑫，孫樹林，魏永耀，盤 霞

(1. 勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東 東營 257000；2. 河海大學 地球探測與信息技術研究所，南京 210098)

1 引 言

膨脹土含有較多的親水性黏土礦物，工程性質較差，公路工程中采用膨脹土作為路基填料時，必須采取必要的工程措施，防止其反復脹縮和強度衰減對路基工程造成危害。目前，膨脹土主要采用石灰進行改良[1－2]，但采用這種方法進行膨脹土改良的成本較高，而采用工業(yè)廢棄物既可降低成本，又可以解決廢棄物堆量大、占地多、環(huán)境污染嚴重等問題。因此，粉煤灰[3－4]，膠粉[5]改良土作為筑路材料的性質在近些年進行了廣泛研究。然而，綠砂即工業(yè)廢砂，國內還沒有人進行過這方面的研究。

國外近幾年對于綠砂在土木工程建筑中的研究取得了重大成果，在高速公路地基和擋土結構[6]、填地[7]、瀝青混凝土[8]、軟弱下臥層[9]、路面地基[10]、生物及化學修復[11]等方面都取得了較大進展。本文結合國外研究成果，選取南京燕子磯膨脹土進行系統(tǒng)的綠砂室內改良試驗研究，探討綠砂改良膨脹土的可行性。

2 材料性質

（1）膨脹土

土樣為南京燕子磯地區(qū)的膨脹土，土粒相對密度Gs= 2.677，液限ωl= 40.2%，塑性指數Ip=19.6%，不均勻系數Cu= 8.99，曲率系數Cc= 0.899，干密度ρd為=1.813 g/cm3，最佳含水率ωopt= 17.8%，最大干密度ρdmax= 1.76 g/cm3，見表1，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量為98.83，見圖1。根據《公路路基設計規(guī)范》[12]，判定為該土為弱～中等膨脹土。

表1 膨脹土的有關物理特性Table1 Physical properties of expansive soil

（2）綠砂

綠砂又被稱為鑄造廢砂（waste foundry sand），簡稱為WFS。綠砂產生于砂型鑄造，全國每年的廢砂大約有1000萬t，除少量廢砂再生回用外，大部分以丟棄為主。國外研究表明，綠砂能被有效用于工程建設取決于它的膨潤土-砂混合物結構[13]。試驗中所用綠砂取自南京鑄造總廠場地，為黑色，石英砂與煤粉，陶土混合物，綠砂相對密度Gs= 2.18，液限ωl= 28.7%，塑限ωp= 19.8%，有效粒徑D10=0.091，不均勻系數Cu= 3.19，曲率系數Cc= 0.08，見圖 1，最佳含水率ωopt=13.4%，最大密度ρdmax=1.83 g/cm3，見表2。根據《公路土工試驗規(guī)范》[14]判定，該砂為級配不良的細粒土砂，即SP- SF，如圖 1所示，本次綠砂顆粒級配試驗所得曲線與Tarek Abichou[15]在研究綠砂物理性質時所做篩分試驗得到的級配曲線相似。

表2 綠砂的有關物理特性Table2 Physical properties of waste foundry sand

圖1 膨脹土及綠砂的顆粒級配曲線Fig.1 Grain size distribution of expansive soil and waste foundry sand

3 樣品的制備及試驗

對所取土料進行了物理性質試驗，包括土粒相對密度、液限、塑限、顆粒大小分析試驗，對不摻砂和摻砂后壓實制備試樣進行了力學試驗，包括輕型擊實試驗和無側限抗壓強度等試驗，試驗按照《公路土工試驗規(guī)程》進行。土的液限用100 g圓錐下沉20 mm測定，顆粒分析試驗采用激光粒度分析法及篩分法，輕型擊實試驗采用干土法，力學性試驗的土樣按不同摻砂率和擊實試驗，確定的最佳含水率及左右浮動 5%的不同含水率的最大干密度制備，試驗養(yǎng)護齡期為1 d和28 d。養(yǎng)護時，用塑料袋將制備好的擊實樣密后，放置在養(yǎng)護室中，保持恒溫22 ℃，相對濕度為70%。無側限抗壓強度試驗的試樣高度為100 mm，直徑為40 mm。膨脹土工程地質分類依據《公路路基設計規(guī)范》[3]進行。

4 試驗結果及其分析

4.1 摻綠砂對膨脹土工程性質指標的影響

為研究摻入綠砂對膨脹土基本物理性質指標的影響，根據《公路土工試驗規(guī)程》，本次對綠砂含量為0、10%、20%、30%和100%分別制備試樣進行液塑限試驗，研究不同摻砂率對膨脹土液限及塑性指數的影響，試驗結果如表3、圖2所示。

由表3和圖2可見，隨著摻砂率增大，液限減小，塑性指數降低，這個結果與Mgangira[16]關于摻綠砂改良黏土的試驗結果基本一致，從試驗結果可見不摻砂時試驗土樣的液限和塑性指數分別為40.2和19.6，隨著摻砂率的增加，液限降低，塑性指數也降低。塑性指數作為判別膨脹土的一個重要參數，本試驗中，塑性指數隨摻砂率增加而降低，意味著摻綠砂可以消除膨脹土的脹縮性，而消除膨脹土膨脹性的效果與摻砂率的大小有很大關系。

表3 不同摻砂率下試驗土樣的液限及塑性指數Table3 Liquid limit and plasticity index waste foundry sand content

圖2 不同摻砂率下試驗土樣的液塑限試驗Fig.2 Liquid and plastic limits of expansive soils wit different contents of waste foundry sand

4.2 摻砂對最佳含水率和最大干密度的影響

為比較不摻砂和摻砂對壓實性質的影響以及何種配比對于提高試驗土樣壓實度的效果最好，本次就不同摻砂率的試驗土樣進行了輕型擊實試驗。圖3及表4為不同摻砂率的試驗土樣的輕型擊實試驗結果。由圖表可見，隨著摻砂率從 0%增至 30%時，其最優(yōu)含水率由 17.8%降低為 14.6%，最大干密度由1.76 g/cm3提高為1.81 g/cm3，由此可見，最佳含水率隨摻砂率的增加而降低，最大干密度則隨摻砂率的增加而提高，其中隨摻砂率的增加，最佳含水率顯著減小，最大干密度提高幅度不大。

在 Mgangira[16]所做黏土摻和綠砂作為工程材料的研究中，當摻砂率在小于40%時，其最優(yōu)含水率隨摻砂率的增加而減小，這點在本次試驗中再次得到了驗證。隨摻砂率的增加，最大干密度增大，但增大的幅度不大，與 Mgangira所做試驗結果中在20%摻砂率時最大干密度達到峰值的結論相符。Abichou[15]在綠砂作為軟弱下臥層的研究中，在不同含水率及不同擊實強度下進行擊實試驗，而最大干密度變化范圍不大，從而得出綠砂因其為非黏性砂，故當綠砂達到某一摻量時會出現(xiàn)峰值。

圖3 不同摻砂率的擊實試驗Fig.3 Compaction test on expansive soils with different contents of waste foundry sand

表4 輕型擊實試驗結果Table4 Light compaction test results

4.3 摻砂對膨脹土強度的影響

不同摻砂率在不同含水率以及不同齡期的條件下試驗土樣的無側限抗壓強度試驗結果如圖 4所示。由圖可以看出，無側限抗壓強度在10%摻砂率下較之素土顯著降低；在20%摻砂率時，隨摻砂率的增大其無側限抗壓強度提高，然而，當摻砂率增至30%時，無側限抗壓強度再次降低。另外，全部摻砂試樣的無側限抗壓強度都小于素土，但是10%及30%摻砂率的試驗土樣無側限抗壓強度曲線較之素土和20%摻砂率的試驗土樣平緩，沒有出現(xiàn)明顯的峰值點。可見當摻砂率大于20%時，無側限抗壓強度對于摻砂率的增大不敏感。

本文選取了10%摻砂率的試驗土樣養(yǎng)護30 d進行無側限抗壓強度試驗，強度變化不大，說明試驗用膨脹土與綠砂之間沒有發(fā)生反應導致強度提高，這個結果與 Guney等[12]在碎石摻和綠砂作為高速公路路基填料研究中，分別對1 d及7 d養(yǎng)護期試驗土樣所做無側限強度試驗結果相似。

壓縮條件下試樣含水率明顯影響無側限抗壓強度，在相同壓縮標準下，試樣含水率的增加明顯導致試樣強度的降低，水含量對于強度的影響可以用吸力理論解釋。具體來說，由于在略小于最佳含水率時壓縮，水含量少導致減少的孔隙水壓力，引起了更高的強度值，這個結果與Guney在碎石摻和綠砂作為高速公路路基填料研究中，對同一試樣在不同含水率下所做無側限強度試驗結果相似。

圖4 試驗土樣無側限抗壓強度隨摻砂率變化曲線Fig4 The change curves of unconfined compressive strength of expansive soils with different of content waste foundry sand

5 結 論

（1）膨脹土用作路基填料應作改性處理，否則，其脹縮性不能滿足要求。

（2）摻砂改善膨脹土的脹縮性，液限及塑性指數隨摻砂率增加而降低，綠砂改良膨脹土脹縮性有明顯效果。膨脹土改良后，最優(yōu)含水率較改良前有明顯降低，最大干密度增加幅度較小。摻砂降低了膨脹土的強度,但隨含水率 改變其強度變化較改良前變平緩。

（3）綜合考慮各項指標認為綠砂改性膨脹土的最佳摻合比應為20%。

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