粉煤灰改良膨脹土強度及膨脹特性試驗研究

2018-01-15 08:45:27鄢黎明

陜西水利 2017年6期

鄢黎明

（江西省水利水電開發有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

膨脹土主要由蒙脫石和伊利石等組成，是一種吸水膨脹、失水收縮的特殊粘性土[1]。我國膨脹土分布廣泛，在工程建設中常遇到膨脹土問題，主要表現為，1）路基濕脹干縮變形導致的路面開裂；2）柔性路面凹凸不平和翻漿冒泥；3）裂縫滲水導致的強度下降，路塹和路堤坍塌、滑坡、縱裂和沉陷等[2]。因此，對膨脹土進行有效處理已成為重要課題。

膨脹土具有脹縮性、崩解性、裂隙性和強度衰減性等性質，其中脹縮性是內在因素[3-4]，因此，脹縮特性是膨脹土的研究重點。譚羅榮等[5]對荊門膨脹土進行研究，探討了其膨脹特性與干密度及飽和度的變化規律；劉特洪[6]對膨脹土的膨脹速率進行了研究，并將其膨脹過程劃分為三個階段，即等速膨脹、減速膨脹和緩慢膨脹。胡瑾等[7]對蕪申航道胥河段原狀膨脹土進行了室內無荷載膨脹率和有荷載膨脹率試驗，研究了不同荷載作用下，膨脹率以及膨脹后干密度、膨脹孔隙比和含水率的變化規律。

目前，膨脹土的改良方法有多種，許多學者對摻水泥、石灰、粉煤灰、風化砂、堿渣和化學試劑[8-12]等方法改良膨脹土已有深入的研究，但研究多集中于外摻料對其力學性能的影響，對摻入外摻劑后膨脹土的脹縮性與強度特性的系統研究尚少。本文通過對粉煤灰摻量和齡期不同的粉煤灰改良膨脹土樣進行擊實、無側限抗壓強度、無荷載膨脹率和有荷載膨脹率試驗，較為系統的研究了，粉煤灰摻量和齡期對粉煤灰改良膨脹土的擊實、強度和膨脹特性的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

膨脹土取樣土料呈灰黃色，主要礦物成分為蒙脫石、伊利石和高嶺土，質量百分比分別為比45%、20%和15%，比重為2.71，液限為67.4%，塑限為34.1%，黏粒含量為48%。粉煤灰密度ρ=2.16 g/cm3，需水量比103%，燒失量12.39%，主要礦物成分為SiO2，Fe2O3，Al2O3和 MgO，CaO 質量百分比分別為 43.41%，8.45%，20.28%，6.50%和3.26%，PH值約為11，小于0.1mm粒徑顆粒占重約28.6%。試驗拌和與養護用水均為蒸餾水。

1.2 試驗方法

將取回天然土體烘干、碾碎后按比例與粉煤灰與混合均勻，粉煤灰摻質量分數為0%、3%、6%、9%、12%和15%。將粉煤灰與膨脹土均勻拌和后，用量筒量取一定量的水摻入粉煤灰改良膨脹土中，混合均勻后悶24 h，進行擊實試驗，得到粉煤灰摻量不同試樣的最大干密度與最優含水率，控制壓實度為0.92，含水率為23%，分別對在標準養護條件下養護0 d、7 d和28 d，摻粉煤灰質量分數為0%、3%、6%、9%、12%和15%試樣，與粉煤灰摻量為 6%，養護齡期為 0 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d和180 d的試樣進行無側限抗壓強度試驗。

無荷膨脹率試驗采用膨脹儀，環刀Φ×H=61.8mm×20mm，裝樣后，向儀器內注水，使液面高出試樣約5mm。有荷膨脹率試驗儀器為高壓固結儀，為保證透水石含水率與土樣含水率一致，試驗前先將烘干透水石置于與土樣含水率相同黏土中埋48 h，環刀樣裝入固結儀后立即加荷，所加荷載依次為25、50、75、100 kPa。為防止試驗過程中土樣水分散失，在試樣周圍纏上濕布條。有荷和無荷膨脹穩定標準分別為2 h內變形不超過0.01mm，試驗土樣膨脹浸水時間不少于2 d。

2 試驗結果與分析

2.1 粉煤灰改良膨脹土擊實特性

為探討不同粉煤灰摻量對粉煤灰改良膨脹土擊實特性的影響，對粉煤灰摻入質量分數為0%、3%、6%、9%、12%和15%共六組試樣進行擊實試驗，不同粉煤灰摻量土樣最大干密度與最優含水率隨粉煤灰摻入量的變化關系如圖1和圖2所示。可知，在本次試驗條件下，粉煤灰摻量為0%~15%。隨粉煤灰摻量增大，試樣最大干密度和最優含水率均減小。這主要是由于，1）粉煤灰相對體積質量比膨脹土低，同體積條件下，膨脹土質量大于粉煤灰；粉煤灰與膨脹土混合形成了新的膠結物質，使得粉煤灰改良膨脹土存在一定的膠結作用，降低了土樣擊實特性,使得土樣干密度減小[13]。2）摻入粉煤灰后，由于膨脹土顆粒與粉煤灰之間的離子交換作用，使得土顆粒周圍的雙電層密度及厚度發生改變，土顆粒間接觸更緊密，更易于被擊實，從而導致土體最優含水量減小[14]。

在本次試驗條件下，粉煤灰摻量為0%~15%。粉煤灰摻量與最大干密度與最優含水率存在良好線性關系，可通過最小二乘法擬合粉煤灰的摻入量與土樣最大干密度與最優含水率關系式如式（1）、式（2）所示。ρs=-0.0087P+1.4733 （1）

式中，ρs為土樣最大干密度，P為粉煤灰摻量，ωsat為土樣最優含水率。

2.2 粉煤灰改良膨脹土膨脹特性的影響

圖1 干密度-粉煤灰摻量關系曲線

圖2 最優含水率-粉煤灰摻量關系曲線

為研究粉煤灰摻量對改良膨脹土膨脹特性的影響，對粉煤灰摻量為0%、3%、6%、9%、12%和15%的試樣進行了界限含水率、自由膨脹率和有荷膨脹率試驗，粉煤灰摻量與塑性指數、自由膨脹率和不同荷載條件下膨脹率關系曲線分別如圖3、圖4和圖5所示。由圖3可知，隨粉煤灰摻量增大，試樣塑性指數逐漸降低。而試樣塑性指數大小與土中結合水含量、黏粒含量、土粒粗細以及水中離子成分等因數有關[15]。塑性指數的降低反映出膨脹土黏粒含量減小和親水性降低，從而弱化了膨脹土的脹縮性[16]。由此，可以初步判斷摻入粉煤灰對膨脹土膨脹性有一定的抑制作用。

圖3 塑性指數-粉煤灰摻量關系曲線

由圖4和圖5可知，1）隨粉煤灰摻量增加，土樣自由膨脹率和有荷膨脹率均減小，這主要是由于，粉煤灰主要由SiO2，Fe2O3，Al2O3等氧化物組成，這些氧化物含有大量高價陽離子Al3+和Fe3+等，通過離子交換作用，這些高價陽離子對粘土顆粒的絮凝起促進作用，減少了土體比表面積和親水性，進而減少因土體吸水膨脹而產生的膨脹力[14]。2）隨上覆壓力增大，土樣膨脹率逐漸減小，當所加上覆壓力較小時，膨脹率變化幅度較大，隨著上覆壓力增大，膨脹率變化幅度逐漸減小。

2.3 粉煤灰改良膨脹土無側限抗壓強度特性

對粉煤灰摻量為0%、3%、6%、9%、12%和15%，養護齡期為0 d、7 d和28 d的粉煤灰改良膨脹土試樣分別進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果如圖6所示，可知，1）試樣未經養護時，隨粉煤灰摻量增大，試樣無側限抗壓強度近似保持不變，這可能是由于，粉煤灰增強膨脹土主要是由于粉煤灰與膨脹土間離子交換作用和火山灰作用，而粉煤灰中高價陽離子置換出膨脹土中的低價陽離子需要一定時間，火山灰作用則主要發生在離子交換作用后期；2）7 d和28 d齡期時，隨粉煤灰摻量增大，試樣無側限抗壓強度逐漸增大最后趨于穩定，這主要是由于，粉煤灰中高價離子促使粘土顆粒的產生了絮凝作用且粉煤灰中的SiO2和Al2O3能與土作用產生硬凝反應，從而提高了土體強度。

圖4 自由膨脹率-粉煤灰摻量關系曲線

圖5 有荷膨脹率-粉煤灰摻量關系曲線

圖6 抗壓強度-粉煤灰摻量關系曲線

為研究齡期對粉煤灰改良膨脹土的影響，對粉煤灰摻量為6%的土樣，在標準養護條件下養護 0 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d和180 d后進行無側限抗壓強度試驗，養護齡期與試樣無側限抗壓強度如圖7所示，可知，隨齡期增長，試樣抗壓強度呈增大趨勢，起始階段隨齡期增長強度增長迅速，而后逐漸趨于平緩，試樣無側限抗壓強度與齡期關系可擬合為：