孫樹林 ，鄭青海， ，唐 俊， ，張淦鈺， ，周立國， ，尚文濤

（1. 河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098；2. 河海大學 地球科學與工程學院，南京 210098；3. 中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，長沙 410014；4. 安徽省交通規(guī)劃設計研究院，合肥 230088；5. 江蘇省國土資源信息中心，南京 210029； 6. 安徽省電力設計院，合肥 230601；7. 河海大學 土木工程與交通學院，南京 210098）

1 引 言

膨脹土是一種具有超固結(jié)性、裂隙性、吸水顯著膨脹軟化和失水收縮開裂特性的高塑性黏土，常常使得公路、鐵路、機場、水利工程等工程建筑遭到巨大的破壞。因此，如何改良膨脹土成為該領域的突出問題。目前特殊土的改良方法[1－4]已有多種，特別是利用固體廢棄物改良特殊土[5－7]及其對環(huán)境影響的研究[8－9]成為熱門話題，但利用堿渣改良膨脹土的研究成果還鮮有報道。

堿渣是一種工業(yè)廢料，是氨堿法制堿生產(chǎn)過程中排放的廢棄物，據(jù)統(tǒng)計每生產(chǎn)1 t 純堿，排放大約10 m3廢液，其中含廢渣約300～600 kg。堿渣的排放堆積不僅占用了大量的土地，還造成了環(huán)境和水體的污染。但堿渣中含有大量的CaCO3、CaO 可作為改良膨脹土的有效礦物成分，且堿渣在路基填墊方面已做出成功的研究。因此，本文考慮利用堿渣對膨脹土的基本物理力學性質(zhì)、膨脹性等進行改良研究，探討堿渣改良膨脹土的可行性，為今后的工程應用提供參考。

2 試驗材料和試驗方法

土樣采集于南京市衛(wèi)崗地區(qū)，取土深度為1.6～2.0 m，棕黃色粉質(zhì)黏土，呈硬塑狀態(tài)，其基本物理特性見1，礦物成分全量化學分析結(jié)果見表2。

表1 膨脹土的物理性質(zhì)指標 Table 1 Indexes for physical characteristics of expansive soils

從表1 可以看出，素土的液限為48.1%，自由膨脹率為51%，按文獻[10]推薦的判別方法進行分類，屬于弱膨脹土。

堿渣取自天津堿廠，主要礦物成分為CaCO3、CaO、SiO2等，將堿渣浸泡在溶液24 h 后進行化學成分測試，其主要離子成分是Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-、Cl-，pH 值為9.2。其化學成分見表2。

表2 膨脹土和堿渣的化學成分 Table 2 Chemical components of expansive soil and soda residue

從圖1 中堿渣的顆粒級配曲線可以看出，試驗所用的堿渣就其顆粒大小和顆粒組成而言，堿渣中0.005～0.075 mm 占60%左右，類似于粉土。

試驗按照《公路土工試驗規(guī)程》[11]進行。文中摻堿渣率wJ是指堿渣質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。進行膨脹土改良試驗時，先按比例稱一定的堿渣和膨脹土土樣，均勻混合后，用量筒稱取一定量的水摻入渣土混合物，均勻攪拌后悶料24 h 后再進行制樣，然后按照規(guī)程進行改良試驗，力學試驗均是采用經(jīng)過7 d 養(yǎng)護齡期的土樣。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 摻堿渣對膨脹土物理性質(zhì)指標的影響

為了將堿渣改性土與素土進行物理性質(zhì)指標的對比，本文進行了顆粒分析試驗、阿太堡界限試驗以及相對密度試驗，試驗結(jié)果如圖1～3 所示。

圖1 改性土的顆粒級配曲線 Fig.1 Particle size distributions of improved soils

圖2 摻渣率與阿太堡界限的關(guān)系 Fig.2 Relations between Atterberg limits and soda residue content

圖3 摻渣率與相對密度的關(guān)系 Fig.3 Relation between relative density and soda residue content

從圖1 可以看出，隨著摻渣率的增加，堿渣改性土中黏粒質(zhì)量分數(shù)不斷降低，而粉粒和砂粒質(zhì)量分數(shù)顯著增加。從顆粒級配曲線來看，改性土的不均勻系數(shù)Cu=11.67～18.00，曲率系數(shù)Cc=1.24～1.56，級配良好。粉粒和砂粒質(zhì)量分數(shù)的增加驗證了堿渣和膨脹土之間存在離子交換作用，生成絡合物使土粒凝聚，顆粒變粗，并且堿渣本身就是一種無黏性的類似于粉土的材料，堿渣含量的增加可有效降低黏粒的質(zhì)量分數(shù)，起著降低膨脹勢的作用。

圖2 為摻堿渣后阿太堡界限的變化曲線，隨著摻渣率的增加，改性土的液限降低，塑限增加，導致其塑性指數(shù)不斷減小。當摻渣率為30%時，液限降低到40%以下，塑性指數(shù)遠小于18。此時可認為摻渣率為30%的改性土顆粒的膨脹性大大降低。因此，摻堿渣對膨脹勢的降低和膨脹的抑制作用是顯而易見的。

從圖3 可以看出，堿渣改性土的相對密度隨著摻渣率的增加而降低，這是因為堿渣的相對密度比膨脹土的相對密度小。

3.2 摻堿渣對膨脹土膨脹性的影響

針對膨脹土的膨脹特性，本文對不同摻渣率的改性土進行了自由膨脹率試驗和有荷膨脹量試驗，以探討改性前后膨脹性的變化。

從圖4 可以看出，隨著摻渣率的增加，改性土的自由膨脹率顯著降低。當摻渣率為30%時，改性土的自由膨脹率為7%，遠低于40%，因此，可認為摻渣率為30%的改性土顆粒膨脹性大大降低。

膨脹土的膨脹總率反應了膨脹土的黏土礦物成分和結(jié)構(gòu)特征，一般近似認為，膨脹總率為50 kPa壓力下的膨脹量。由圖5 可知，同一摻渣率的改性土，隨著上覆壓力的增大，膨脹量逐漸減小；同一壓力下，隨著摻渣率的增加，膨脹量也顯著降低。當摻渣率為30%時，膨脹總率為0.13%，遠小于0.7%，此時可認為摻渣率為30%的改性土滿足規(guī) 范[12]對路基填料的要求：“若采用弱膨脹土作為路床填料時應經(jīng)改性處理后方可填筑，改性后的膨脹總率不得超過0.7%”。

3.3 摻堿渣對膨脹土力學性質(zhì)的影響

3.3.1 擊實特性

從圖6 可知，改良前素土的擊實曲線比較陡，峰值明顯，若使壓實度達到95%，含水率必須控制在18%～21%；而堿渣改性土的擊實曲線比較平緩，峰值不明顯，若使壓實度達到95%，含水率可控制在15%～23%。這說明了堿渣改性土的水穩(wěn)定性較素土明顯增強，可以在相當大的一個含水率范圍內(nèi)碾壓至最大干密度，減小了施工難度。

圖4 摻渣率與自由膨脹率的關(guān)系 Fig.4 Relation between free swell index and soda residue content

圖5 摻渣率與有荷膨脹量的關(guān)系 Fig.5 Relations between swelling capacity and soda residue content

圖6 摻渣率與擊實曲線的關(guān)系 Fig.6 Relations between compaction curves and soda residue content

從圖6 還可以看出，最大干密度隨著摻渣率的增加逐漸降低；最優(yōu)含水率隨著摻渣率的增加先降低后升高。最大干密度的降低是由于堿渣的相對密度比膨脹土的相對密度小。最優(yōu)含水率變化是因為在摻渣率小于30%時，土顆粒與堿渣的離子交換作用，使得改性土在外界擊實功的作用下更容易密實，導致改性土的最優(yōu)含水率減??；當堿渣量超過30%以后，因為堿渣的本身的膠凝性不高，過多地摻入堿渣反而使得改性土難以擊實，導致最優(yōu)含水率升高。

3.3.2 無側(cè)限抗壓強度

如圖7 所示，同一摻渣率下，隨著壓實度的增加，無側(cè)限抗壓強度不斷增加；同一壓實度下，隨著摻渣率的增加，無側(cè)限抗壓強度先增加后降低，在摻渣率為30%時出現(xiàn)峰值。這表明膨脹土路基的無側(cè)限抗壓強度要滿足規(guī)范[13]要求的800 kPa，必須要有足夠的壓實度。無側(cè)限抗壓強度存在峰值點是因為，在達到最佳摻渣率之前，堿渣和膨脹土之間發(fā)生硬凝反應，增加了膨脹土的無側(cè)限抗壓強度；當摻渣率超過30%后，過多的堿渣反而是相當于增加了本身無黏聚力的粉土材料。

圖7 摻渣率與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系 Fig.7 Relations between the content of soda residue and unconfined compression strength

3.3.3 抗剪強度

通過直接剪切試驗做出的抗剪強度指標如圖8所示?？梢钥闯鲳ぞ哿﹄S著摻渣率的增加先增加后減小，在摻渣率為30%時出現(xiàn)峰值；而內(nèi)摩擦角變化不大。

黏聚力由素土時的87 kPa增加到摻渣率為30%改性土的123 kPa，增加了41%，得到了顯著提高，這是堿渣和膨脹土發(fā)生化學反應產(chǎn)生新的絡合物增加了密實度的結(jié)果。而內(nèi)摩擦角隨摻渣率的變化一直在30°左右，變化不大，是因為素土顆粒的摩擦以及鑲嵌作用產(chǎn)生的摩阻力和改性土顆粒之間產(chǎn)生的摩阻力大致相等。

3.3.4 養(yǎng)護齡期

從圖9 中可以看出隨著養(yǎng)護齡期的增加，無側(cè)限抗壓強度僅增加了3%～5%，這表明了隨著養(yǎng)護齡期的增加，堿渣對改性土的后期強度貢獻不大，僅僅是堿渣顆粒內(nèi)的文石向方解石的轉(zhuǎn)變逐漸趨于穩(wěn)定，強度稍有增加。

圖9 養(yǎng)護齡期與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系 Fig.9 Relations between curing age and unconfined compression strength

4 堿渣改性膨脹土原理的探討

堿渣是一種孔隙大、顆粒細的固體材料，由表1 可知，堿渣的主要成分是CaCO3、CaO 和SiO2，其中CaCO3成分占43.65%，可作為改性土的骨架。由圖7、8 可見，堿渣的摻入使得改性土的無側(cè)限抗壓強度顯著提高，抗剪強度也增加了41%，且堿渣中細分散的 CaCO3與 Ca(OH)2生成絡合物CaCO3Ca(OH)2，該絡合物與膨脹土中含有的SiO2生成新的復合絡合物CaSiO3?CaCO3?Ca(OH)2?nH2O，該復合絡合物的存在影響了孔隙的分布，具有減少吸水率、增加密實度的作用。

堿渣中的氧化物CaO 和SiO2可生成水化硅酸鈣CaO?SiO2?nH2O，該絡合物在土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中是很好的膠凝材料，可以在空氣中硬化而獲得較高的強度，隨著反應的進行強度逐漸增強。

從圖2 可以看出，堿渣溶液中存在大量的Ca2+通過離子交換作用置換出黏土顆粒中的Na+與K+，使得改性土的液限大幅度降低，塑限升高，有效降低土的塑性指數(shù)，進而降低土的膨脹勢；并且堿渣的pH 值為9.2，土的pH 值的上升也相應增加了離子的交換量。

5 結(jié) 論

（1）隨著摻渣率的增加，堿渣改性土中粉粒和砂粒的含量不斷增加，黏粒的含量不斷減少，進而有效降低液限和塑性指數(shù)，從而降低膨脹土的膨脹勢。

（2）膨脹土中摻入堿渣，可有效抑制膨脹土的膨脹性，膨脹土的自由膨脹率和膨脹總率隨著摻渣率的增加而顯著降低。試驗表明，在摻渣率為30%時，膨脹土顆粒的膨脹性大大降低。

（3）堿渣改性土的擊實曲線較素土平緩，可擊實含水率范圍較之素土寬，水穩(wěn)定性較素土顯著提高，大大降低了施工難度。堿渣改性土的最大干密度隨摻渣率的增加而降低；最優(yōu)含水率隨著摻渣率的增加先降低后升高，在摻渣率為30%時取得最小值。

（4）改良后的膨脹土無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度都顯著提高，在摻渣率為30%時取得峰值點；抗剪強度的增長，主要體現(xiàn)在黏聚力增長了41%，而內(nèi)摩擦角變化不大。

（5）堿渣改性土的養(yǎng)護齡期效果不大，表明堿渣對改性土的后期強度貢獻不大。

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