粉煤灰改性分散性土的變形特性研究

(楊凌職業技術學院水利工程分院，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

分散性土的重要特征是遇水分散并流失從而導致破壞，會對工程的安全性造成嚴重威脅，雖然國內外學者在分散性土的相關工程特性、分散機理以及改性方面做了大量的工作并取得了一定的成果，但是由于分散性土發現較晚，工程實例較少，因而對分散性土的改性以及工程應用等研究都不夠深入[1]。

文獻檢索表明，在我國分散性土的分布較為普遍，新疆、寧夏等西北地區的水利工程、道路工程實踐中均有遇到[2-6]。眾多工程實踐已經表明，工程事故與分散性土之間存在著必然的聯系[2]。分散性土對水利工程、道路工程等工程的危害性極大，一旦發生事故，將會對人類的生命財產安全造成巨大的威脅。由于某些工程施工無法避開有分散性土分布的地區或滿足工程要求的土料場距離施工場地太遠，因此分散性土改性研究就顯得尤其重要和緊迫。

2 研究內容及方法

本研究的內容主要包括以下幾個方面：

在陜西楊凌黃土中加入質量分數為0.16%的碳酸鈉，人工配制分散性土。選取粉煤灰為改性材料，分別配制粉煤灰摻量為0、4%、6%、8%、10%共五組土樣，在每種粉煤灰摻量下制備壓實度為0.88、0.90、0.92、0.94、0.96的五組土樣，每組土樣的含水率均為最優含水率。得到各組土樣的壓縮系數、壓縮指數和壓縮模量等反映土體壓縮性質的參數，并由此研究粉煤灰摻量和壓實度對于改性分散性土變形特性的影響。

3 研究過程

3.1 配置分散性黃土

本文試驗所用的分散性土由陜西楊凌黃土土樣加入質量分數為0.16%的碳酸鈉改性而成，并將土樣放置數月以使Na+充分均勻擴散，配制人工分散性土的碳酸鈉采用無水碳酸鈉。

在分散性土配制完成后，對配制好的分散性土土樣進行針孔試驗，試驗結果表明，該土樣在針孔試驗中在50mm水頭下針孔迅速擴大(見圖1)，水流渾濁(見圖2)，可判定為分散性土。

圖1 人工分散性土針孔試驗典型照片

3.2 人工分散土針孔試驗

對于人工配制的分散性土，選取粉煤灰作為改性材料，分別配制粉煤灰摻量為0、4%、6%、8%、10%共五組土樣，每組土樣3個平行試樣，共15個土樣。在各組樣達到最優含水率狀態下，對各組土樣采用《分散性土研究》中介紹的針孔試驗方法，參照美國材料與試驗協會制定的針孔試驗(ASTM D4647—93)進行，試驗結果表明:粉煤灰摻量為0，在50mm的水頭下針孔迅速擴大，10min后水流非常渾濁，可初步判定為分散性土(D2)；粉煤灰摻量為4%，在180mm的水頭下，水流渾濁，可初步判定為過渡性土(ND3)；粉煤灰摻量為6%，在180mm的水頭下，針孔沖蝕速度較慢，水流渾濁情況肉眼可見，在380mm的水頭下，水流較渾濁，可初步判定為過渡性土(ND3)；粉煤灰摻量為8%，在1020mm的水頭下，5min后水流明顯有些顏色，開始變得較渾濁，可初步判定為非分散性土(ND2)；粉煤灰摻量為10%，在1020mm的水頭下，水流依然清澈，試驗結束時的針孔直徑不擴大，可初步判定為非分散性土(ND1)，如圖2所示。

綜合以上試驗結果，在人工分散性土中加入粉煤灰外加劑后，隨著粉煤灰摻量的增加，人工分散性土的分散性逐漸減小。當粉煤灰摻量為4%時，土樣轉變為過渡性土；當粉煤灰摻量為8%時，土樣轉變為非分散性土。

圖2 針孔試驗典型照片

3.3 分散土擊實試驗

根據粉煤灰摻量不同和壓實度不同對土樣分組進行固結(壓縮)試驗，試驗參照水利部制定的土工試驗規程(GB/T 50123—1999)進行。通過壓縮試驗，計算各組土樣的壓縮系數、壓縮指數和壓縮模量等反映土體壓縮性質的參數，并由此研究粉煤灰摻量和壓實度對于改性分散性土變形特性的影響。

3.3.1 擊實試驗結果

由土樣的擊實試驗結果(見表1)可以看出，不同粉煤灰摻量的土樣最優含水率和最大干密度有所不同，但不同土樣之間最優含水率和最大干密度的差別比較微小，粉煤灰摻量0和10%的土樣最大干密度相差0.1g/cm3，最優含水率相差2.0%。因此在實際試驗中，各土樣的含水率取五種土樣最優含水率的平均值19.8%，各土樣含水率相同；各土樣的最大干密度取五種土樣最大干密度的平均值1.66g/cm3，在同一壓實度下的土樣，各土樣的干密度相同。

表1 不同粉煤灰摻量的土樣擊實試驗結果

3.3.2 不同粉煤灰摻量的改性土壓縮試驗

采用粉煤灰摻量為0、4%、6%、8%、10%的土樣，壓實度分別為0.88、0.90、0.92、0.94、0.96進行變形特性研究時，土樣的e-lgp壓縮曲線見圖3～圖7。

圖3 粉煤灰摻量為0的素土壓縮曲線

圖4 煤灰摻量為4%的改性土壓縮曲線

圖5 粉煤灰摻量為6%的改性土壓縮曲線

圖6 粉煤灰摻量為8%的改性土壓縮曲線

圖7 粉煤灰摻量為10%的改性土壓縮曲線

3.3.3 試驗結果分析

根據壓縮試驗結果，可以計算出各種試驗條件下土樣的壓縮系數和壓縮模量等壓縮性指標。由于土的壓縮系數不是常量，它隨壓力的增加及壓力增量取值的增大而減小，因此本試驗采用100kPa和200kPa范圍的壓縮系數和壓縮模量來衡量土的壓縮性高低。土樣壓縮系數、壓縮模量與粉煤灰摻量及土樣壓實度的關系見表2和表3。由表中數據可以看出：

a.在相同的荷載作用下，同一壓實度的改性土，隨著粉煤灰摻量的增加，改性土的壓縮系數逐漸減小，壓縮模量逐漸增大，說明粉煤灰可以降低分散性土的壓縮性。

b.在相同的荷載作用下，同一粉煤灰摻量的改性土，隨著壓實度的增加，改性土的壓縮系數逐漸減小，壓縮模量逐漸增大，說明提高土體壓實度也可以降低分散性土的壓縮性。

c.人工分散性土，在壓實度0.88～0.96的情況下，土樣的壓縮系數始終很大，壓縮性始終很高，為高壓縮性土或非常接近高壓縮性土，在工程中會對建筑物造成嚴重危害，可以看出只有在分散性土中添加外加劑改性才能有效降低其壓縮性。

d.粉煤灰摻量為4%和6%的改性土情況與素土相似，由于粉煤灰外加劑含量較少，對分散性土的改良效果有限，土體壓縮性很高。

表2 壓縮系數與粉煤灰摻量及壓實度的關系

表3 壓縮模量與粉煤灰摻量及壓實度的關系

e.粉煤灰摻量為8%的改性土，在壓實度0.88～0.92的情況下，土體的壓縮性較高，在壓實度為0.94和0.96時，土體壓縮系數為0.25和0.24MPa-1，壓縮性有很大幅度的降低。

f.粉煤灰摻量10%的改性土，在壓實度為0.88時土體壓縮系數為0.28MPa-1，土體壓縮性很低。隨著壓實度的提高，改性土的壓縮性持續降低，變形特性顯著改善，適合應用于工程中。

4 結論與問題

本文以楊凌黃土為原始土樣，采用加入碳酸鈉的方法人工配制分散性土，選取粉煤灰為改性材料，通過壓縮試驗方法，研究了粉煤灰摻量對改性土變形特性的影響。研究結論如下：

a.不加外加劑的人工分散性土的壓縮性很高，應用于工程中會對建筑物造成危害，粉煤灰作為外加劑對人工分散性土的分散性有顯著的改良效果，隨著粉煤灰摻量的增加，人工分散性土的分散性逐漸降低。當粉煤灰摻量為4%時，分散性土變為過渡性土。當粉煤灰摻量為8%時，分散性土變為非分散性土，分散性顯著降低，消除了其對工程的危害性。

b.隨著粉煤灰摻量的增加，人工分散性土的壓縮性逐漸降低。同時分散性土的壓縮性也受到土體壓實度的影響，4%和6%摻量的粉煤灰外加劑雖然可以降低分散性土的壓縮性，但由于粉煤灰較少，壓縮性降低幅度有限，即使土體壓實度很高，變形特性也很難滿足工程要求。8%摻量的粉煤灰會使分散性土的壓縮性有較大幅度的降低，但同時要保證土體的壓實度不低于0.94，改性土的壓縮性才容易滿足工程的要求。10%摻量的粉煤灰會使分散性土的壓縮性大大降低，顯著改善分散性土的變形特性，保證土體壓實度不低于0.90，改性土的壓縮性非常低，變形特性容易滿足工程要求。

在實際工程應用中，建議分散性土的粉煤灰外加劑摻量不低于8%，并提高土體壓實度，以保證改性效果。目前粉煤灰已在建筑工程方面廣泛應用，未來可以更好地應用于改善分散性土的壓縮性