石屑粉煤灰改良膨脹土的脹縮和強度特性*

王和魚，章君飛，黃志成，李 強

（1.浙江韋寧工程審價咨詢有限公司，浙江 杭州 310000；2.卓尚服飾（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000；3.杭州之江城市建設(shè)投資集團有限公司，浙江 杭州 310000；4.中天建設(shè)集團有限公司，浙江 杭州 310000）

隨著我國城鎮(zhèn)化的推進，樓房等建筑物及硬化道路必然會持續(xù)發(fā)展，在樓房等建筑物地基處理及硬化道路路基施工過程中往往會遇到膨脹土的地質(zhì)環(huán)境，易對建筑物及道路造成危害。

膨脹土是種高塑性黏土，通常情況下承載力較高，因吸水膨脹及浸水承載力衰減等特性導(dǎo)致性質(zhì)極不穩(wěn)定[1]。膨脹土中微觀分子“面-面連接”的疊聚體是膨脹土中的一種普遍的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)比團粒結(jié)構(gòu)具有更大的吸水膨脹能力。因此，對膨脹土膨脹特性的研究及浸水后強度性能的改良措施具有重要的工程意義[2-7]。

本文以摻粉煤灰膨脹土為原材料，包括Ι 級粉煤灰膨脹土與Ⅱ級粉煤灰膨脹土，通過改變粉煤灰的品質(zhì)及其摻量，研究粉煤灰品質(zhì)及摻量對膨脹土膨脹特性及力學(xué)強度的改良效果[8-11]，建立不同品質(zhì)的“粉煤灰摻量-膨脹土膨脹率”模型，為改良膨脹土的應(yīng)用提供指導(dǎo)意義，本研究將有利于建筑物地基及公路路基等膨脹土施工環(huán)境的正常運行保障，提高膨脹土利用的安全性，為有效改良膨脹土路基、資源化利用粉煤灰提供科學(xué)依據(jù)[12-15]。

1 實驗部分

1.1 原材料

水：純凈自來水。

粉煤灰：Ι 級粉煤灰，堆積密度為680kg·m-3；Ⅱ級粉煤灰，堆積密度為640kg·m-3。化學(xué)組成見表1，物理指標(biāo)見表2。

表1 試驗用粉煤灰化學(xué)組成成分Tab.1 Chemical composition of fly ash for test

表2 試驗用粉煤灰物理性能指標(biāo)Tab.2 Physical performance index of fly ash for test

膨脹土：本試驗試樣呈現(xiàn)灰黃色，其中主要礦物成分蒙脫石、伊利石和高嶺土的質(zhì)量百分比分別為50%、15%和20%，比重2.78，液限67.8%，塑限為34.6%，黏粒含量為48%。

1.2 實驗方法

（1）抗壓強度 將試樣土體烘干、碾碎后按試驗配合比與粉煤灰混合均勻，兩種品質(zhì)粉煤灰摻入膨脹土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、6%、9%、12%和15%。將粉煤灰與膨脹土均勻拌和后，加入水，混合均勻后悶24h 并擊實，之后將試件移至養(yǎng)護室，分別對在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下7、14 和28d，摻加粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、3%、6%、9%、12%和15%試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗儀器根據(jù)規(guī)范要求選用應(yīng)變控制式無側(cè)限抗壓強度儀。

（2）自由膨脹率 自由膨脹率試驗可用于判定黏性土在無結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹潛勢。該指標(biāo)作為評價膨脹土應(yīng)用性能具有重要意義，具體參照（GB50112-2013）《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》以及（JTJ051-93）《公路土工試驗規(guī)程》進行試驗，試驗儀器根據(jù)規(guī)范要求選用漏斗和支架。

1.3 實驗配合比

本研究以摻粉煤灰膨脹土的自由膨脹率、抗壓強度作為配合比設(shè)計的主要依據(jù)（見表3）。設(shè)置粉煤灰摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、3%、6%、9%、12%和15% 6 組試驗，通過改變粉煤灰摻量，對不同摻量的兩種粉煤灰膨脹土試件的力學(xué)強度指標(biāo)、自由膨脹率和空白組膨脹土的力學(xué)強度指標(biāo)、自由膨脹率進行對比，以便研究Ι 級粉煤灰與Ⅱ級粉煤灰兩種品質(zhì)的粉煤灰在膨脹土中的最佳摻量。此外，研究“粉煤灰摻量-膨脹土膨脹率”模型及“粉煤灰摻量-膨脹土強度”模型，便于施工應(yīng)用。

表3 試驗配合比設(shè)計Tab.3 Test mix design

以空白組膨脹土試樣為基準(zhǔn)，采用等質(zhì)量替代的方法，以兩種不同品質(zhì)的粉煤灰等質(zhì)量取代膨脹土，保證各試驗組試樣總質(zhì)量不變，以排除質(zhì)量因素造成試驗誤差。此外加水量參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為保證試驗順利進行，采用最優(yōu)含水率的方式確定各試驗組需水量，總質(zhì)量相同的情況下，需水量采用相同量，減少變量影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強度

表4 為不同粉煤灰品質(zhì)、不同摻量下用于公路安全施工的膨脹土無側(cè)限抗壓強度數(shù)據(jù)（抗壓強度包括7、14 及28d 數(shù)據(jù)）。

表4 不同粉煤灰品質(zhì)及摻量膨脹土抗壓強度測試結(jié)果Tab.4 Test results of compressive strength of expansive soil with different fly ash quality and content

由表4 可以看出，不同品質(zhì)、不同摻量粉煤灰對用于膨脹土抗壓強度影響不同。在粉煤灰品質(zhì)相同條件下，隨著粉煤灰摻量增加，試件7d 抗壓強度逐漸增加，原因在于粉煤灰與膨脹土間發(fā)生離子交換作用和火山灰作用，粉煤灰中高價離子促使粘土顆粒產(chǎn)生了絮凝作用且粉煤灰中的SiO2和Al2O3能與膨脹土作用生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物（與水泥中硅酸鹽的水化產(chǎn)物相同），從而提高土體強度。在粉煤灰摻量達12%左右時，抗壓強度增幅效果減弱，達到平緩狀態(tài)，試樣14 及28d 抗壓強度增長率有所提高，在達到12%摻量時增長幅度同7d 齡期相似，達到平緩狀態(tài)，繼續(xù)增加粉煤灰摻量無益于膨脹土抗壓強度的增加，因此，粉煤灰的最佳摻量以12%為最佳。

2.1.1 粉煤灰摻量對膨脹土抗壓強度的影響 Ι 級和Ⅱ級粉煤灰摻量與膨脹土抗壓強度變化關(guān)系分別見圖1、2。

由圖1、2 可見，摻入粉煤灰能有效提升膨脹土的強度性能。

圖1 抗壓強度-Ι 級粉煤灰摻量關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve between compressive strength and primary fly ash content

圖2 抗壓強度-Ⅱ級粉煤灰摻量關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between compressive strength and secondaryfly ash content

2.1.2 粉煤灰品質(zhì)對膨脹土抗壓強度的影響 各齡期不同品質(zhì)粉煤灰摻量與膨脹土抗壓強度變化關(guān)系見圖3。

圖3 不同品質(zhì)煤灰膨脹土抗壓強度對比圖Fig.3 Comparison of compressive strength of expansive soil with different quality of coal ash

由圖3 可以看出，Ⅱ級粉煤灰的變化趨勢與Ι級粉煤灰類似，但同齡期、同摻量下作用效果相對較弱，原因在于品質(zhì)較好的粉煤灰顆粒微珠更圓潤規(guī)則，與膨脹土作用時接觸面積更加充分，7d 齡期時，摻Ι 級粉煤灰膨脹土抗壓強度比摻Ⅱ級粉煤灰的高12.3%左右；14d 齡期時，摻Ι 級粉煤灰膨脹土抗壓強度比摻Ⅱ級粉煤灰的平均高15.7%左右；28d 齡期時，摻Ι 級粉煤灰膨脹土抗壓強度比摻Ⅱ級粉煤灰的平均高16.8%左右，因此，改善膨脹土強度性能應(yīng)注意使用品質(zhì)較好的粉煤灰。

2.2 自由膨脹率

2.2.1 粉煤灰摻量對膨脹土自由膨脹率的影響 不同粉煤灰品質(zhì)、不同摻量下用于公路安全施工的膨脹土自由膨脹率見表5，各齡期變化趨勢見圖4、5。

表5 不同粉煤灰品質(zhì)及摻量膨脹土自由膨脹率測試結(jié)果Tab.5 Test results of free expansion rate of expansive soil with different fly ash quality and content

由圖4、5 中可以看出，摻加粉煤灰對膨脹土膨脹特性的改良效果明顯，在粉煤灰品質(zhì)相同條件下，隨著粉煤灰摻量增加，試件自由膨脹率逐漸降低，原因在于粉煤灰主要由SiO2、Fe2O3及Al2O3等氧化物組成，這些氧化物含有大量高價陽離子，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(chǎn)生的膨脹力。在粉煤灰摻量達12%左右時，膨脹土試樣自由膨脹率增幅效果減弱，達到平緩狀態(tài)，繼續(xù)增加粉煤灰摻量對膨脹土膨脹率的抑制效果有所減弱。

圖4 自由膨脹率-Ι 級粉煤灰摻量關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between free expansion rate and primary fly ash content

圖5 自由膨脹率-Ⅱ級粉煤灰摻量關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between free expansion rate andsecondary fly ash content

2.2.2 粉煤灰品質(zhì)對膨脹土自由膨脹率的影響

隨著粉煤灰摻量的增加，膨脹土膨脹率呈現(xiàn)先降低后平緩的趨勢，因此膨脹土中摻加粉煤灰能改良其膨脹特性，但有一定的限值。不同品質(zhì)、不同摻量粉煤灰對用于膨脹土抗壓強度影響不同。

由圖6 可以看出，Ⅱ級粉煤灰的變化趨勢與Ι級粉煤灰類似，但作用效果較弱，原因在于品質(zhì)較好的粉煤灰顆粒微珠更圓潤規(guī)則，粉煤灰中高價陽離子與膨脹土作用時接觸面積更充分，因此，改善膨脹土膨脹特性也應(yīng)注意使用品質(zhì)較好的粉煤灰。

圖6 不同品質(zhì)煤灰膨脹土自由膨脹率對比圖Fig.6 Comparison of free expansion rate of expansive soil with different quality of coal ash

2.2.3 “粉煤灰摻量-膨脹土自由膨脹率”模型 為探究粉煤灰摻量與膨脹土膨脹特性之間趨勢的聯(lián)系，便于確定最優(yōu)摻量，建立Ι 級“粉煤灰摻量-膨脹土自由膨脹率”模型與Ⅱ級“粉煤灰摻量-膨脹土自由膨脹率”模型見圖7、8（模型采用冪指數(shù)函數(shù)）。

圖7 Ι 級粉煤灰摻量對膨脹土自由膨脹率的影響Fig.7 Effects of primary fly ash content on the free expansion rate of expansive soil

圖8 Ⅱ級粉煤灰摻量對膨脹土自由膨脹率的影響Fig.8 Effect of secondary fly ash content on the free expansion rate of expansive soil

本研究以粉煤灰抑制膨脹土膨脹的減縮率與其摻量比值作為一個參考指標(biāo)，簡稱為“膨脹減縮比”，該比值越大，表明粉煤灰作用效率越好，反之越差。本指標(biāo)對判定膨脹土中粉煤灰等用以抑制其膨脹特性物質(zhì)的最優(yōu)摻量具有重要指導(dǎo)意義，通過試驗驗證，本文將膨脹減縮比最低限值定義為0.75（比值參數(shù)，無量綱），大于0.75 時，表明用以抑制膨脹土膨脹特性的物質(zhì)可繼續(xù)增加，小于0.75 時，表明抑制膨脹土膨脹特性的物質(zhì)繼續(xù)增加意義不大，效率較低，繼續(xù)增加粉煤灰摻量造成材料浪費，以Ι 級粉煤灰為例，28d 齡期各試驗組膨脹減縮比見表6。

表6 不同粉煤灰摻量膨脹土膨脹減縮比Tab.6 Expansion reduction ratio of expansive soil with different fly ash content

由圖7、8 可以看出，各齡期模型擬合度均達0.98 以上，擬合度較高，以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護狀態(tài)下28d 齡期摻Ι 級粉煤灰膨脹土自由膨脹率為例，對該模型曲線進行處理，該模型為（2）：

式中 y：28d 齡期膨脹土的自由膨脹率，%；y0=18.80，A=10.54，t=0.0481，x 表示粉煤灰摻量，%。

通過該模型可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，膨脹土28d 膨脹率逐漸呈現(xiàn)下降趨勢，與試驗趨勢吻合，且下降速率依據(jù)數(shù)學(xué)求導(dǎo)方式，得出下降速率隨粉煤灰摻量增加逐漸趨于平緩。此外，摻Ⅱ級粉煤灰膨脹土自由膨脹率模型與Ι 級粉煤灰擬合曲線一致，待定參數(shù)y0、A、t 不同。

曲線上斜率表示該點的“膨脹減縮比”，通過定義，膨脹減縮比擬合公式為（3）：

式中 Ex：膨脹減縮比，代表抑制膨脹土膨脹量的作用效率，無量綱；x：粉煤灰摻量，%。

膨脹減縮比最大時，粉煤灰摻量最值用Xm表示，依據(jù)數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)：Xm=12.9%，與本文試驗結(jié)果基本一致，如表6 所示。在28d 齡期時，粉煤灰摻量12%，膨脹減縮比略大于0.75，粉煤灰摻量存在增加的空間，但增加空間較小，因此，粉煤灰摻量在12%時，對膨脹土膨脹特性的抑制效果可認(rèn)為較好。

3 結(jié)論

本文針對建筑物地基及公路路基存在膨脹土質(zhì)施工環(huán)境，通過對摻粉煤灰膨脹土進行抗壓強度及自由膨脹率試驗，研究粉煤灰品質(zhì)及摻量對膨脹土的強度及膨脹特性的改良效果，主要結(jié)論如下：

（1）摻入粉煤灰可提高膨脹土的無側(cè)限抗壓強度，同摻量下Ⅰ級粉煤灰提高效果優(yōu)于Ⅱ級粉煤灰的混凝土，建議在建筑物地基及公路路基等存在膨脹土質(zhì)環(huán)境的生產(chǎn)施工中應(yīng)用Ⅰ級粉煤灰。

（2）隨著粉煤灰摻量的增加，膨脹土無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)先增加后趨于平緩的狀態(tài)，在粉煤灰摻量12%時，膨脹土試樣的抗壓強度提升效果基本達到最優(yōu)。

（3）隨著粉煤灰摻量的增加，膨脹土自由膨脹率呈現(xiàn)先下降后趨于平緩的狀態(tài)，在粉煤灰摻量12%時，粉煤灰對膨脹土膨脹特性的抑制效果較好，繼續(xù)增大摻量抑制效果不再明顯。

（4）本文提出“膨脹減縮比：參考指標(biāo)，該指標(biāo)以0.75 作為分界值，大于該值則抑制膨脹土膨脹特性的物質(zhì)可繼續(xù)增加，小于該值則無益于膨脹土膨脹特性的改良且浪費材料。