工業(yè)固廢穩(wěn)定膨脹土化學(xué)改良及在高邊坡防護(hù)應(yīng)用

摘要：針對膨脹土高邊坡防護(hù)的不利工程特性，采用工業(yè)固廢進(jìn)行邊坡膨脹土化學(xué)改良試驗(yàn)，研究工業(yè)固廢穩(wěn)定邊坡膨脹土的力學(xué)性能、膨脹率、耐水性等。結(jié)果表明：隨著工業(yè)固廢摻量的增加，利用工業(yè)固廢穩(wěn)定處理后的邊坡膨脹土的剪切強(qiáng)度、承載力、粘聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸增大；土體的膨脹率呈降低趨勢，經(jīng)改性后變?yōu)榉桥蛎浲粒徊煌蓾裱h(huán)后的質(zhì)量和強(qiáng)度損失有了明顯的改善，試件表面濕潤角呈現(xiàn)增大趨勢，由親水性向憎水性開始轉(zhuǎn)變，水穩(wěn)定性得到大幅提升；微觀結(jié)構(gòu)孔隙逐漸減少，形成類似于巖石的密實(shí)結(jié)構(gòu)，與宏觀試驗(yàn)測試結(jié)果相吻合。利用工業(yè)固廢穩(wěn)定處理后的邊坡膨脹土能顯著提高土體的物理特性，可用于天然膨脹土邊坡的土壤性質(zhì)改良，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)固廢；邊坡膨脹土；化學(xué)改良；膨脹率；耐水性能；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TQ172.4+4；U415文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0083-04

Chemical improvement of industrial solid waste stabilized expansive soil and its application in high slope protection

WANG Jie1，YANG Xiaojie2，WANG Fenghua2

（1.Henan Nandeng Expressway Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China；2.China Railway Seventh Bureau Group Zhengzhou Engineering Co.，Ltd.，Zhengzhou 450016，China）

Abstract：Aiming at the unfavorable engineering properties of expansive soil in high slopes，chemical improvement of slope expansive soil using industrial solid waste was conducted through experiments.The mechanical properties，swelling rate，and water resistance of expansive soil stabilized by industrial solid waste were investigated.The re?sults show that with the increase of industrial solid waste content，the shear strength，bearing capacity，cohesion，and internal friction angle of the slope expansive soil treated with industrial solid waste gradually increase.The swelling rate of the soil decreases and it becomes non-expansive after modification.The mass and strength losses af?ter different dry-wet cycles are significantly improved.The wetting angle on the surface of the specimen increases，shifting from hydrophilic to hydrophobic，and the water stability is greatly enhanced.The microstructure shows a gradual reduction in pore space，forming a dense structure similar to rock，which is consistent with the macroscopic experimental results.The expansive soil in the slope treated with industrial solid waste can significantly improve the physical properties of the soil，which can be used for the soil property improvement of natural expansive soil slopes and enhance slope stability.

Key words：industrial solid waste；slope expansive soil；chemical improvement；expansion rate；water resistance；microstructure

膨脹土是一種吸水膨脹軟化和失水收縮開裂，并能反復(fù)發(fā)生濕脹干縮變形的特殊黏土[1]，其粘土顆粒吸水膨脹，失水收縮干裂[2]。膨脹土的工程特性表現(xiàn)為多裂隙性、超固結(jié)性、膨脹性、崩解性、風(fēng)化特性、強(qiáng)度衰減性等[3]，工程界常稱之為災(zāi)害性土。在膨脹土邊坡中，膨脹土由于自身特殊且復(fù)雜的性質(zhì)，常常對邊坡的穩(wěn)定性帶來不良的影響，造成重大損失[4]。

為了克服其膨脹收縮性和軟化崩解性，需要對膨脹土進(jìn)行改良處理，膨脹土性能改良是膨脹土工程處理研究領(lǐng)域中的重要課題[5-8]。

目前采用石灰、水泥進(jìn)行改良的傳統(tǒng)化學(xué)固化方法因具有較好的性價(jià)比而受到人們的廣泛重視[9-11]。然而，傳統(tǒng)固化膠凝材料的生產(chǎn)成本和二氧化碳排放量較高，同時(shí)電石渣，磷石膏、粉煤灰、鋼渣粉等具有膠凝活性的工業(yè)固廢逐漸被應(yīng)用[12-14]。利用工業(yè)固廢改良高邊坡膨脹土的工程性質(zhì)，不僅符合低碳和環(huán)保的綠色發(fā)展理念，還可以提高工業(yè)固廢的利用率，并降低工程處理成本。

本文結(jié)合工業(yè)固廢穩(wěn)定膨脹土高邊坡防護(hù)工程，從宏觀及微觀角度進(jìn)行膨脹土化學(xué)改良高邊坡防護(hù)試驗(yàn)，研究了穩(wěn)定膨脹土的膨脹性、力學(xué)強(qiáng)度、水穩(wěn)定性等，對工業(yè)固廢穩(wěn)定膨脹土高邊坡防護(hù)工程具有參考和借鑒應(yīng)用價(jià)值。

1原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料

（1）試驗(yàn)用土：本試驗(yàn)用土取自豫東平原某高速公路工程，為沖洪積成因膨脹土，膨脹土的物理力學(xué)指標(biāo)：最優(yōu)含水率為17.3%；最大干密度為1.62 g/cm3；液限為56.8%；塑限為25.4%；塑性指數(shù)為31.4%；粘聚力為47.60 kPa；摩擦角為30.09°;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.02 MPa；自由膨脹率為65.1%；

（2）工業(yè)固廢：以電石渣、粉煤灰、鋼渣粉等具有膠凝活性的工業(yè)廢棄物原材料，輔加堿激發(fā)劑按一定比例，經(jīng)過除水、篩分等工藝生產(chǎn)的環(huán)保型固化膠凝材料，主要化學(xué)成分的質(zhì)量含量為：Fe2O3，6.52%；Al2O3，11.34%；CaO，41.53%；MgO，5.24%；SiO2，11.87%；SiO3，9.76%。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]所述步驟進(jìn)行。

1.2.2浸水軟化試驗(yàn)

將成型的無側(cè)限試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，6 d，然后浸水中，觀察不同浸水時(shí)間下試件狀態(tài)。

1.2.3膨脹性試驗(yàn)

將膨脹土樣風(fēng)干，碾碎并使用5 mm圓孔篩過篩，分別摻入相應(yīng)比例的工業(yè)固廢，混合均勻，加水至最佳含水率，拌和均勻，然后密封養(yǎng)護(hù)7 d后再取出進(jìn)行膨脹率測試試件制備，依據(jù)GB/T 50123—2019所述步驟進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)。

1.2.4干濕循環(huán)試驗(yàn)

干濕循環(huán)試驗(yàn)參考（ASTM）D4843-88的試驗(yàn)方法，成型20個(gè)50 mm′50 mm的圓柱型試件，將試件分成2組，每組10個(gè)，一組進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，一組進(jìn)行對照，干濕循環(huán)試件分別在3和9次循環(huán)結(jié)束后取5個(gè)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對照組放入標(biāo)準(zhǔn)條件下的培養(yǎng)箱中繼續(xù)進(jìn)行養(yǎng)，每次同樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.2.5承載力試驗(yàn)

按照GB/T 50123—2019無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所述步驟進(jìn)行。

1.3試驗(yàn)設(shè)備

本研究直接剪切試驗(yàn)使用的儀器是DJY-4電動四聯(lián)直剪儀；干濕循環(huán)試驗(yàn)采用SANS 10 kN壓力試驗(yàn)機(jī)；承載力試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀；濕潤角試驗(yàn)采用KZS-21單點(diǎn)全自動接觸角測量儀。

2結(jié)果與分析

2.1改良前后土體的剪切強(qiáng)度變化

膨脹土試樣中分別摻入0%、2%、4%、6%、8%的工業(yè)固廢，試樣在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 4個(gè)垂直壓力下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，并通過剪切試驗(yàn)測定其強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。

隨著工業(yè)固廢摻量的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸增大。垂直壓力對土樣的破壞強(qiáng)度影響很大，抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出相同的變化趨勢，相同固廢摻量下，隨著垂直壓力的增加而增大；相同垂直壓力下，剪切強(qiáng)度隨工業(yè)固廢摻量增加而增大。經(jīng)過工業(yè)固廢固化穩(wěn)定后的土體，膨脹土內(nèi)摩擦角、粘聚力、剪切強(qiáng)度等各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)大幅度提高。

穩(wěn)定土的內(nèi)摩擦角與土中團(tuán)聚體的滑動摩阻力和咬合力相關(guān)。隨著工業(yè)固廢摻量增加，由于穩(wěn)定土中水化產(chǎn)物膠結(jié)作用加強(qiáng)，穩(wěn)定土團(tuán)聚體粒徑不斷增大，在剪切過程中移動到新的位置需要的能量逐漸增大，受到的滑動摩阻力也相應(yīng)增大，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角逐漸增加。

2.2改良前后土體的浸水軟化試驗(yàn)

工業(yè)固廢不同摻量下的穩(wěn)定邊坡膨脹土試件，在24 h浸水狀態(tài)下完整狀況如圖1所示。

圖1中分別是工業(yè)固廢摻量0%、2%、4%、6%、8%的試件24 h后試件狀態(tài)，可以看出工業(yè)固廢摻量0%、2%的兩個(gè)試件處于完全粉碎狀態(tài)，其中摻量0%的試件浸水后3.5 h發(fā)生崩解為碎屑狀態(tài)，摻量2%試件浸水19 h發(fā)生崩解，相比摻量為0%的素膨脹土試件，有效延長了抵抗崩解時(shí)間。摻量4%試件有大量裂縫和碎屑，摻量6%、8%試件沒有產(chǎn)生裂縫和碎屑，試件幾乎未發(fā)生任何崩解。表明試件耐水性隨著工業(yè)固廢摻量的提高，穩(wěn)定邊坡膨脹土試件的耐水性得到顯著提升。

邊坡膨脹土浸水后能吸收大量水且體積也發(fā)生明顯膨脹，其結(jié)構(gòu)會迅速破壞，在對穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性起負(fù)作用。邊坡膨脹土中工業(yè)固廢摻量達(dá)到一定值，其對土壤的膠結(jié)能力、強(qiáng)度以及水穩(wěn)定性的增加足以保證其能抵消膨脹土的負(fù)作用，滿足水中不崩解的要求。

2.3改良前后土體的膨脹性變化

進(jìn)行工業(yè)固廢摻量0%、2%、4%、6%、8%的邊坡膨脹土膨脹率測試試驗(yàn)，結(jié)果膨脹率分別為65.1%、49.2%、37.7%、28.8%、22.3%。

從而可知，隨著工業(yè)固廢摻量增加，土體的膨脹率呈降低趨勢。工業(yè)固廢摻量超過4%以后，膨脹率分別為37.7%、28.8%和22.3%，均小于40%。這說明膨脹土經(jīng)工業(yè)固廢穩(wěn)定處理后，邊坡膨脹土的膨脹性得到了很好的改善，膨脹土經(jīng)改性后變?yōu)榉桥蛎浲痢?/p>

2.4改良土的干濕循環(huán)試驗(yàn)

進(jìn)行工業(yè)固廢摻量0%、2%、4%、6%、8%的邊坡膨脹土干濕循環(huán)測試實(shí)驗(yàn)，干濕循環(huán)試驗(yàn)參考（ASTM）D4843-88的試驗(yàn)方法，每個(gè)摻量下的工業(yè)固廢邊坡穩(wěn)定土均成型20個(gè)50 mm′50 mm的圓柱型試件，將試件分成2組，每組10個(gè)，一組進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，一組進(jìn)行對照，干濕循環(huán)試件分別在3和9次循環(huán)結(jié)束后取5個(gè)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對照組放入標(biāo)準(zhǔn)條件下的培養(yǎng)箱中繼續(xù)進(jìn)行養(yǎng)，每次同樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，經(jīng)過穩(wěn)定處理后的邊坡膨脹土在3次和9次干濕循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度隨工業(yè)固廢摻量增加顯著增強(qiáng)，且質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失有了明顯改善。

隨著工業(yè)固廢增加，穩(wěn)定邊坡膨脹土質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)減小趨勢，且減小趨勢趨于穩(wěn)定，9次干濕循環(huán)下的質(zhì)量損失大于3次循環(huán)。這主要是由于在干濕循環(huán)過程中，試件內(nèi)部由于干縮濕脹作用，膠結(jié)能力弱顆粒發(fā)生流失導(dǎo)致質(zhì)量損失，且隨著循環(huán)次數(shù)增加質(zhì)量損失越嚴(yán)重；另一方面由于工業(yè)固廢摻量增加，固化作用不斷加強(qiáng)，對膨脹土顆粒的穩(wěn)定作用增強(qiáng)，質(zhì)量損失開始降低。

隨工業(yè)固廢摻量增加，對比試件和干濕循環(huán)試件的抗壓強(qiáng)度均增加，并且干濕循環(huán)試件相對于對比試件的強(qiáng)度損失成降低趨勢且趨于穩(wěn)定；同時(shí)相同工業(yè)固廢摻量下，9次循環(huán)的強(qiáng)度損失明顯大于3次循環(huán)。對比試件持續(xù)處于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)，未經(jīng)歷干濕循環(huán)的高溫和泡水干擾，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于同齡期的干濕循環(huán)試件。隨著干濕循環(huán)次數(shù)進(jìn)行，微裂縫的數(shù)量不斷增多，強(qiáng)度損失增加。工業(yè)固廢摻量增加，水化產(chǎn)物增多，水化產(chǎn)物有效彌補(bǔ)部分干濕循環(huán)導(dǎo)致的強(qiáng)度損失，摻量越高這種現(xiàn)象越明顯。

2.5改性膨脹土的承載力變化

在膨脹土邊坡防護(hù)實(shí)體應(yīng)用中，采用不同摻量工業(yè)固廢進(jìn)行邊坡膨脹土化學(xué)改良試驗(yàn)。每個(gè)摻量都進(jìn)行承載力測定，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，工業(yè)固廢穩(wěn)定邊坡膨脹土的承載力顯著增強(qiáng)，并且隨著工業(yè)固廢摻量的增加，穩(wěn)定邊坡膨脹土的承載力逐步增大，且逐漸趨于穩(wěn)定。使用工業(yè)固廢對邊坡膨脹土進(jìn)行改良穩(wěn)定，對提高膨脹土承載力有明顯效果。邊坡膨脹土改良的承載力測定表明，工業(yè)固廢摻量2%、4%、6%和8%的穩(wěn)定邊坡膨脹土承載力約為未摻加工業(yè)固廢的2.1、2.9、3.4、3.6倍，隨著摻量提高，膨脹土性能雖有改善，但已不明顯。

2.6改良前后土體的濕潤角試驗(yàn)

水滴在試樣表面形成由液體（L）、固體（S）、氣體（G）三相交會的表面形態(tài)如圖2所示，G-L相交面切線與S-L相交面切線之間的夾角為濕潤角，濕潤角的大小可以表明固體材料是否容易被浸潤。將分別摻入0%、2%、4%、6%、8%工業(yè)固廢的穩(wěn)定邊坡膨脹土直剪試件，進(jìn)行直剪試驗(yàn)前，進(jìn)行試驗(yàn)，濕潤角為別為0°、11.2°、24.3°、59.4°、97.7°。

由圖2可知，隨著工業(yè)固廢摻量逐漸增加，試件表面濕潤角呈現(xiàn)增大趨勢，由親水性向憎水性開始轉(zhuǎn)變。圖2中工業(yè)固廢摻量為0時(shí)，水滴在試件表面呈現(xiàn)鋪展?fàn)顟B(tài)，說明素膨脹土的親水性極強(qiáng)，極易容易被濕潤；工業(yè)固廢摻量為8%時(shí)，水滴在試件表面以半球形結(jié)構(gòu)存在，試件親水性極大減弱，具備一定的拒水能力。結(jié)果表明，工業(yè)固廢有利于提高邊坡穩(wěn)定土的憎水能力，減少水與邊坡表面的接觸，降低水對邊坡的侵害，提高邊坡膨脹土的水穩(wěn)定性能。

3改良前后泥巖的微觀分析

通過掃描電子顯微鏡分析工業(yè)固廢摻量分別為0、4%、8%的穩(wěn)定邊坡膨脹土試樣的微觀結(jié)構(gòu)特征。如圖3所示。

由圖3可知，工業(yè)固廢摻量0%時(shí)，邊坡膨脹土顆粒間構(gòu)成骨架，骨架之間缺少填充，孔隙較大，結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)力弱，整體組成結(jié)構(gòu)呈顆粒疏松狀態(tài)。在這種情況下，土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，透水能力強(qiáng)，耐水性差，與宏觀試驗(yàn)測試抗剪強(qiáng)度低、水穩(wěn)定性差、承載力低相吻合。摻加4%的工業(yè)固廢后經(jīng)過固化穩(wěn)定后的邊坡膨脹土空隙大小和數(shù)量大幅減少，顆粒之間開始相互接觸形成了聚合體結(jié)構(gòu)，但聚合體之間的結(jié)構(gòu)相對疏松，起到較小的膠結(jié)作用，對抗剪強(qiáng)度的提升較小。摻量為8%時(shí)，外觀形成一種類似于巖石的物質(zhì)，形成物結(jié)構(gòu)密實(shí)，從而顯著增強(qiáng)了其力學(xué)特性。

4結(jié)語

（1）隨著工業(yè)固廢摻量的增加，利用工業(yè)固廢穩(wěn)定處理后的邊坡膨脹土的剪切強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸增大；承載力同樣有明顯提高，并在達(dá)到一定值后趨于平穩(wěn)；

（2）隨著工業(yè)固廢摻量增加，土體的膨脹率呈降低趨勢，膨脹土經(jīng)改性后變?yōu)榉桥蛎浲粒?/p>

（3）浸水軟化試驗(yàn)表明試件耐水性隨著工業(yè)固廢摻量的提高得到顯著提升，不同干濕循環(huán)后的質(zhì)量和強(qiáng)度損失有了明顯的改善；試件表面濕潤角呈現(xiàn)增大趨勢，由親水性向憎水性開始轉(zhuǎn)變，水穩(wěn)定性得到大幅提升；

（4）試樣隨工業(yè)固廢摻量增加，孔隙結(jié)構(gòu)逐漸減少，形成類似于巖石的密實(shí)結(jié)構(gòu)，與宏觀試驗(yàn)測試結(jié)果相吻合。利用工業(yè)固廢穩(wěn)定處理后的邊坡膨脹土能顯著提高土體的物理特性，可用于天然膨脹土邊坡的土壤性質(zhì)改良，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。

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（責(zé)任編輯：張玉平）