張新雨

(1.甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省道路材料工程實驗室，甘肅 蘭州 730050)

膨脹土是一種富含蒙脫石和伊利石，具有吸水體積膨脹、失水體積收縮的特殊黏性土，其脹縮作用常常導(dǎo)致修筑在膨脹土地基(路基)上的建筑物(構(gòu)筑物)、公路、鐵路等工程建筑遭到破壞[1]。給人民生命及財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。因此，如何改良膨脹土已成為該領(lǐng)域亟待解決的問題[2]。膨脹土改良主要是通過膨脹土與添加劑之間的物理化學(xué)反應(yīng)來降低膨脹土的脹縮性，提高膨脹土的強(qiáng)度。常用的改良方法很多，有物理方法和化學(xué)方法。目前最常用的為化學(xué)方法，主要是在膨脹土中摻入一定比例的粉煤灰、石灰和水泥等進(jìn)行改良，特別是利用工業(yè)廢料進(jìn)行膨脹土改良，這已成為熱點話題。

對于工業(yè)廢料粉煤灰改良膨脹土的研究，國內(nèi)外已經(jīng)有很多且相當(dāng)成熟：查甫生等研究了石灰和粉煤灰對膨脹土的改良性能[3]、惠會清等研究了石灰和粉煤灰改良膨脹土的性質(zhì)機(jī)理[4]、Amu等研究了水泥和粉煤灰混合料對膨脹土穩(wěn)定潛力的影響[5]及Sivapullaiah等詳細(xì)分析了粉煤灰和石膏改良膨脹土后的各項性能等[6]。而對于稻殼灰這一工業(yè)廢料，國內(nèi)還沒有相關(guān)研究，對它的反應(yīng)機(jī)理、摻合比例和改良性能等還未知。

針對國內(nèi)稻殼灰改良膨脹土方面的空白，以及改良膨脹土的方法單一等問題，本文探討利用鋼渣(SS)、稻殼灰(RHA)和生石灰(L)改良膨脹土(C)，通過室內(nèi)試驗研究了摻加鋼渣、稻殼灰和生石灰對膨脹土的脹縮性能的影響，以及養(yǎng)護(hù)時間對強(qiáng)度的影響，為膨脹土路基的處理提供依據(jù)。本文的研究成果進(jìn)一步豐富了膨脹土的改良方法，并為稻殼灰引入我國膨脹土改良提供了參考和理論指導(dǎo)。

1 試驗材料和方案

1.1 試驗材料

膨脹土來自印度北方邦的班達(dá)，從圖1可以分析出，該黏土主要成分是蒙脫石[7]。根據(jù)統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)(USCS)、美國國家公路和運(yùn)輸官員協(xié)會(AASHTO)分類系統(tǒng)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，該黏土屬于高膨脹土；生石灰(CaO)來自印度北方邦的坎普爾地區(qū)。

RHA來自印度西孟加拉邦，其氧化物組成見表1，X射線衍射圖像見圖2；根據(jù)表1和圖2分析RHA化學(xué)成分可知，活性SiO2含量超過80%。從礦物成分來看，RHA是一種火山灰材料，且表面含有大量光滑的玻璃微珠，存在滾珠效應(yīng)，使RHA具有其他火山灰材料沒有的優(yōu)異性能，從而可以明顯改善膨脹土的和易性。

表1 SS和RHA的氧化物組成表

SS來自印度泰米爾納德邦的Vinayaka Alloys，從表1可知，SS中含有大量的SiO2和Al2O3，經(jīng)過反應(yīng)之后有一定成分的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣生成，它們是水泥熟料產(chǎn)物，水硬性和活性比較好，并且鋼渣經(jīng)過水化反應(yīng)后有膠凝性的水化產(chǎn)物C-S-H、Ca(OH)2、水化鋁酸鈣等新礦物成分生成，這些物質(zhì)會隨著該反應(yīng)繼續(xù)發(fā)展，慢慢貫穿整個體系，因此可以讓混合體系具備更高的強(qiáng)度。

圖1 黏土X射線衍射(XRD)示意圖

注:1.伊利石(Al2Si3(OH)2)；2.高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)；3.蒙脫石(Al2O34SiO2·H2O)；4.石英(SiO2)；5.方解石(CaCO3)

圖2 RHA X射線衍射(XRD)示意圖

注:1.蒙脫石(Al2O34SiO2·H2O)；2.高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)；3.伊利石(Al2Si3(OH)2)；4.石英(SiO2)；5.方解石(CaCO3)

1.2 試驗方案

用膨脹土(C)與不同比例的RHA、L和SS混合，基于最大UCS值發(fā)現(xiàn)改良膨脹土的最優(yōu)組合；在此基礎(chǔ)上依照ASTM D4318(ASTM 2010)、ASTM D4943(ASTM 2002)、ASTM D421/422(ASTM 2007 a，b)和ASTM D698(ASTM 2012)分別對改良土的液限、塑限、縮限、粒度分布和標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督進(jìn)行測試[8-12]，同時對改良土的物理性質(zhì)進(jìn)行分析；然后通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、三軸試驗和加州承載比試驗測試了最佳組合土的力學(xué)性質(zhì)，最后對最佳組合土作為路基路面材料的性能進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果

首先用C與不同比例的RHA進(jìn)行混合，當(dāng)UCS值最大時，RHA的摻量為10%；其次用C與不同比例的L進(jìn)行混合，當(dāng)UCS值最大時L為5%；最后在此基礎(chǔ)上用C+10%RHA+5%L+不同比例SS進(jìn)行混合，當(dāng)UCS值最大時，改良土最佳組合土比例為65%C+20%SS+5%L+10%RHA。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)壓實試驗結(jié)果

表2 膨脹土與改良土的性質(zhì)表

根據(jù)試驗結(jié)果可知：改良土的塑性指數(shù)為11.13%，比膨脹土低66.27%左右，收縮極限為41.5%，比膨脹土高出73.5%左右(見表2)。這種組合減少了收縮在土壤中引起的縱向和橫向開裂。

養(yǎng)護(hù)6 d(144 h)后膨脹土和改良土的最大膨脹壓力分別為27.4 kN/m2和4.94 kN/m2。由試驗結(jié)果可知：附加SS、L和RHA可以減少膨脹土膨脹和膨脹壓力。

在添加5%L和10%RHA的標(biāo)準(zhǔn)壓實測試中，添加SS時改良土的最大干密度有所降低，最佳含水量(OMC)有所增加。與膨脹土相比改良土的最大干密度從16.1 kN/m3減少到15.68 kN/m3時，最佳含水率從22%增加到24%。產(chǎn)生這種變化的原因是改良土的絮凝作用，使土顆粒之間的阻力增加，減小了改良土的最大干密度。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

圖3 抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時間關(guān)系曲線圖

在零養(yǎng)護(hù)期時，膨脹土和改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS))值分別為359 kN/m2和657 kN/m2。與零養(yǎng)護(hù)期膨脹土的強(qiáng)度相比改良土的強(qiáng)度增加約45.35%。當(dāng)固化時間為7 d、14 d和30 d時，改良土UCS值從657 kN/m2增加到1 974 kN/m2、2 395 kN/m2和3 628 kN/m2(如圖3所示)。當(dāng)固化時間為30 d時，本試驗所研究的改良土UCS值高于Poh對ECC+10%BOS+1.5%硅酸鈉的組合研究[13]、Hossain對土+5%CKD+15%的混合研究[14]、布魯克斯對土+25%粉煤灰+12%RHA的研究等[15]。當(dāng)固化時間分別為0 d、7 d、14 d和30 d時破壞的應(yīng)變值為2.3%、4.2%、4.6%和5.9%。分析原因，抗壓強(qiáng)度的增加可能是來自SS、L和RHA的摩擦阻力。

2.3 三軸試驗結(jié)果

在100 kPa、200 kPa和300 kPa的有效圍壓下進(jìn)行固結(jié)不排水靜態(tài)三軸試驗，研究其最佳組合的剪切強(qiáng)度特性。發(fā)現(xiàn)當(dāng)有效圍壓為100 kPa、200 kPa和300 kPa時所對應(yīng)的最大破壞應(yīng)力分別是1 196 kPa、1 275 kPa和2 155 kPa，對應(yīng)的破壞應(yīng)變分別為3%、3.9%和4.6%。

循環(huán)三軸試驗的結(jié)果表明：最初的超孔隙水壓力穩(wěn)步發(fā)展的膨脹土樣本和最佳混合土樣本都達(dá)到50%～60%應(yīng)變振幅和頻率；偏應(yīng)力隨荷載的循環(huán)次數(shù)的增加而減小；平均有效應(yīng)力路徑移動到所有應(yīng)變振幅和頻率的左邊，表明平均有效應(yīng)力隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而減少。

應(yīng)變振幅從0.4%到1%變化時，阻尼比(D)隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低(如圖4所示)。當(dāng)頻率為0.2 Hz、0.5 Hz和1Hz時阻尼比下降分別為28.33%～32.11%、9.81%～12.97%和18.78%～31.7%。相比膨脹土，組合土的阻尼比減少約25%～38%。

圖4 阻尼比(D)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線圖

圖5 剪切模量與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線圖

剪切模量(G)和降解指數(shù)(δ)在25～70次循環(huán)時間內(nèi)迅速下降，然而其降低所帶來的影響是可以忽略不計的(如圖5和圖6所示)。當(dāng)頻率為0.2 Hz、0.5 Hz和1 Hz時，剪切模量減少，分別為28.53%～82.63%、45.68%～55.38%和43.51%～77.5%；降解指數(shù)整體下降，分別為76%、20.3%和60.7%。相比膨脹土，改良土的剪切模量增加約58%～78%。

圖6 降解指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線圖

2.4 加州承載比試驗結(jié)果

圖7 未浸泡CBR值與SS比例關(guān)系曲線圖

零養(yǎng)護(hù)期膨脹土和改良土的CBR值分別是8.85%和18.37%(如圖7所示)。與零養(yǎng)護(hù)期的膨脹土相比，改良土在最佳組合情況下CBR值增加約51.82%。改良土先固化7 d、14 d和30 d，然后浸泡4 d，進(jìn)行CBR測試，浸泡CBR試驗結(jié)果表明：固化時間從7～30 d變化時，CBR值從28.8%提高到35.56%。分析表明：CBR的增加是由于火山灰與SS、RHA和L的相互膠結(jié)作用引起的。

圖8顯示了柔性路面的典型路面結(jié)構(gòu)。路面設(shè)計按照CBR方法的IRC設(shè)計過程，設(shè)計預(yù)期的交通量每天逾4 500輛。路面A和路面B分別指的是膨脹土路面和最佳組合土路面。對于路面A，路基的CBR值是2.96%，顆粒底基層材料的CBR值是50%；路面B中的路基CBR值是28.8%，顆粒底基層的CBR值是50%。用改良土做路基，基礎(chǔ)鋪筑厚度為65 mm；而用膨脹土做路基，基礎(chǔ)的鋪筑厚度為570 mm，相比之下，用改良土鋪筑路基可以明顯減小鋪筑厚度。改良土路面材料與傳統(tǒng)的路基路面材料CBR試驗比較結(jié)果表明：膨脹土與SS、L和RHA混合能有效地治理軟土路基，使其達(dá)到良好的效果。本研究還將改良土的材料成本與傳統(tǒng)的路基路面材料進(jìn)行比較，結(jié)果表明：最佳組合土進(jìn)行路基的鋪筑可以大大減少材料的用量，節(jié)省工程成本。

圖8 典型的路面結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)語

(1)基于最大UCS值，C、SS、L和RHA最佳組合百分比為65%C+20%SS+5%L+10%RHA。

(2)與膨脹土相比，最佳組合土的可塑性降低了66.2%，強(qiáng)度增加了96%。

(3)與膨脹路基土相比，最佳組合土的CBR值增加了97.5%?；趶?qiáng)度、CBR值和塑性值，將試驗所得的最佳組合土作為路基材料，具有堅固耐用的優(yōu)點。

(4)動態(tài)屬性分析表明，改良土作為路基材料，其土壤剛度(剪切模量)增加為58%～78%。C-SS-L-RHA的組合與傳統(tǒng)的穩(wěn)定系統(tǒng)相比可以更好地節(jié)約成本。

[1]查甫生，劉松玉，杜延軍.石灰-粉煤灰改良膨脹土試驗[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，37(2)：339-344.

[2]蘭常玉，薛 鵬，周俊英.粉煤灰改良膨脹土的動強(qiáng)度試驗研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2010(30)：79-81.

[3]查甫生，廖 斌，崔可銳.摻粉煤灰-石灰對膨脹土脹縮性的影響試驗研究[J].上海地質(zhì)，2010(31)：73-76.

[4]惠會清，胡同康，王新東.石灰、粉煤灰改良膨脹土性質(zhì)機(jī)理[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，26(2)：34-37.

[5]Amu，A.B.Fajobi，S.O.Afekhuai.Stabilizing Potential of Cement and Fly Ash Mixture on Expansive Clay Soil[J].Journal of Applied Sciences，2005，5(9)：1669-1673.

[6]P.V.Sivapullaiah，Arvind Kumar Jha.Gypsum Induced Strength Behaviour of Fly Ash-Lime Stabilized Expansive Soil[J].Geotechnical and Geological Engineering，2014，32(5)：1261-1273.

[7]Argaw Asha Ashango，Nihar Ranjan Patra.Static and cyclic properties of clay subgrade stabilised with rice husk ash and Portland slag cement[J].International Journal of Pavement Engineering，2014，15(10)：906-916.

[8]ASTMD4943，Standard test method for shrinkage factor of soils[S].

[9]ASTM D421，Standard practice for dry preparation of soil samples for particle-size analysis and determin-ation of soil constants[S].

[10]ASTM D422，Standard practice for particle-size analysis of soil constants[S].

[11]ASTM D5102，Standard test methods for unconfined compressive strength of compacted soil-lime mixture[S].

[12]ASTM D4318，Standard test methods for liquid limit，plastic limit，and plasticity index of soils[S].

[13]Poh，H.Y.，Gurmel，S.G.，and Nizar，G.(2006).Soil stabilization using basic oxygen steel slag fines[J].Mater.Civ.Eng.2006，18(2)：229-240.

[14]Hossain，K.M.A.(2011).Stabilized soils incorporating combinations of rice-husk ash and cement kiln dust[J].Mater.Civ.Eng.2011，23(9)：1320-1327.

[15]Brooks，R.M.Soil stabilization with fly ash and rice husk ash[J].Res.Rev.Appl.Sci.2009，1(3)：209-217.