吳建濤,伍 洋,金科羽,李國(guó)維,陳承謙,米帥奇,郭笑彤

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210014)

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開(kāi)裂,并能反復(fù)發(fā)生濕脹干縮變形的特殊黏土,是在長(zhǎng)期自然地質(zhì)歷史作用過(guò)程中形成的強(qiáng)親水性礦物地質(zhì)體[1]。邊坡膨脹土多為非飽和土,土中水分通過(guò)地表蒸發(fā),經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后易在淺部產(chǎn)生干縮裂隙[2-3]。裂隙的出現(xiàn)破壞了土體的完整性,在形成較大滑動(dòng)面后,伴隨著降雨等自然現(xiàn)象,容易發(fā)生滑坡,使整個(gè)工程無(wú)法正常發(fā)揮作用[4-5]。

引江濟(jì)淮是一項(xiàng)以生活供水、船舶通航、農(nóng)業(yè)灌溉為主,以改善巢湖[6]、淮河[7]等水生態(tài)環(huán)境為輔的大型水利渠道工程。該工程全線輸水總長(zhǎng)1 048.68 km,膨脹土渠段55.4 km,從長(zhǎng)江安徽段起向北流經(jīng)巢湖后匯入淮河流域[8-9]。引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程(樁號(hào)40+700～42+200)位于安徽省合肥市蜀山區(qū),地貌單元為江淮丘陵區(qū),地面起伏較大,膨脹土以弱、中膨脹潛勢(shì)為主[10]。

為防止膨脹土對(duì)渠道邊坡造成破壞,工程上多通過(guò)石灰改性、水泥改性或在邊坡處設(shè)置錨桿對(duì)膨脹進(jìn)行處理[11-12],并需要加強(qiáng)對(duì)膨脹土力學(xué)性質(zhì)的監(jiān)測(cè)[13]。石灰或水泥改性是在膨脹土中均勻地?fù)饺胍欢康氖一蛩?使其與黏土中的親水礦物進(jìn)行反應(yīng),生成凝膠物質(zhì),降低親水礦物的含量,從而提高土體的黏結(jié)性與穩(wěn)定性[14-15]。水泥改性土具有初凝時(shí)間短、抗剪強(qiáng)度高[16]、沿坡面變形較均勻[17]以及浸水后完整性顯著提高的特點(diǎn)。但是,改性膨脹土容易因摻拌不均勻而出現(xiàn)改性程度不夠徹底的情況,因此實(shí)際工程中需要解決摻拌均勻性的問(wèn)題。我國(guó)江淮地區(qū)潮濕多雨,黏土的天然含水率普遍較高,難以破碎,若直接摻入水泥進(jìn)行改性,水泥無(wú)法完全與土體發(fā)生反應(yīng),從而導(dǎo)致拌和不均勻,影響改性效果。因此,為了保證膨脹土水泥改性效果及工程質(zhì)量,摻入水泥前土料需要進(jìn)行翻曬,但是膨脹土受天氣影響較大,水分蒸發(fā)速率較慢,最終導(dǎo)致工程進(jìn)度的延遲以及施工成本的增加。另一方面,石灰資源豐富、成本較低,且已有研究表明,用生石灰改良膨脹土可以迅速降低土體的含水率與膨脹率,使土體的干密度降低,滲透系數(shù)增加[11,18]。但將石灰改性土運(yùn)用于對(duì)防滲有較高要求的渠道工程時(shí)容易引起渠道水及雨水的滲透,難以起到防滲作用[19]。另外,石灰中的Ca+、Mg2+會(huì)隨著水流進(jìn)入河道,引起水質(zhì)硬化,從而影響人的健康。硬化的水體結(jié)構(gòu)通常缺乏生態(tài)功能,自凈能力變?nèi)?水質(zhì)難以保證;同時(shí)由于循環(huán)水系直接與大氣接觸,使細(xì)菌、藻類繁殖,造成水質(zhì)惡化與水生態(tài)環(huán)境崩潰[20-21]。

為解決石灰改性導(dǎo)致的水質(zhì)問(wèn)題以及水泥的摻拌均勻性問(wèn)題,本文擬采用水泥+石灰復(fù)合改性方法對(duì)膨脹土進(jìn)行處理。摻入石灰既可對(duì)土體進(jìn)行初步改性,又可降低土體的含水率,方便拌和。本文通過(guò)在石灰改性土中摻入一定量水泥,探究水泥的存在能否抑制石灰改性土中陽(yáng)離子的浸出,以及不同摻量的石灰、水泥對(duì)離子浸出量的影響,并觀察以上不同改性土三軸試樣的浸水后完整性。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

土樣取自合肥引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程中區(qū)坑二級(jí)坡坡中,距地表約7 m。土樣的基本物理參數(shù)如下:干密度為1.95 g/cm3,含水率為18.6%～24.0%,土粒的相對(duì)密度為2.59,液限為51.2%,塑限為21.6%,自由膨脹率為51.5%,最優(yōu)含水率為15%。根據(jù)GBJ112—1987《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[22]，該土樣屬于弱膨脹土。

水泥為普通硅酸鹽水泥,型號(hào)為P.C42.5,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量一般在21%～28%之間,初凝時(shí)間為4 h。石灰為JC/T 480建筑生石灰粉。浸泡浸出液時(shí)所用的水為合肥市普通自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方案

風(fēng)干引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程邊坡代表性膨脹土,然后分層過(guò)20 mm、10 mm、5 mm、2.5 mm篩,按照10～20 mm(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%,下同)、5～10 mm(25%)、2.5～5 mm(25%)的級(jí)配配制待改性土樣。對(duì)配置好的土樣進(jìn)行2%石灰、4%石灰、2%水泥改性和2%水泥+2%石灰復(fù)合、4%水泥+4%石灰復(fù)合改性。

取出部分改性土進(jìn)行不同含水率(11%、12%、13%、14%、15%)配置,并進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn),得到各改性土的最大干密度,并測(cè)得各改性土最大干密度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率均為13%。

將改性土按SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[23]各制作4個(gè)三軸試樣,制樣干密度按最大干密度和壓實(shí)度93%計(jì)算獲得。將改性土三軸試樣和各類未擊實(shí)改性土做好標(biāo)記,用塑料薄膜密封共同置于25℃恒溫條件下養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間(1 d、3 d、7 d、28 d)。在各養(yǎng)護(hù)期,每種改性土取出一個(gè)三軸試樣,按照試樣與水質(zhì)量1∶10的比例放入水中浸泡,浸泡過(guò)程中對(duì)容器進(jìn)行密封處理。浸泡不同時(shí)間后(1 d、3 d、7 d、28 d)提取并過(guò)濾50 mL改性土三軸試樣浸出液,對(duì)其進(jìn)行pH檢測(cè)與Ca+的滴定試驗(yàn),并在浸水過(guò)程中觀察試樣的完整性。浸出液pH采用梅特勒酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)試;Ca+含量的檢測(cè):根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)采用0.1 mol/L的EDTA-二鈉(乙二胺四乙酸二鈉)滴定法進(jìn)行Ca+含量的滴定。當(dāng)加入鈣紅指示劑的溶液由紫紅色變?yōu)樗{(lán)色時(shí)滴定結(jié)束,記錄此時(shí)滴定管中EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗體積。

考慮到對(duì)膨脹土進(jìn)行復(fù)合改性時(shí),需要將石灰與原膨脹土拌和悶料3 d進(jìn)行沙化,以提高水泥與膨脹土的拌和均勻性。在摻入水泥后再養(yǎng)護(hù)1 d,復(fù)合改性土前后共需要4 d的養(yǎng)護(hù)時(shí)間,因此復(fù)合改性與石灰、水泥單獨(dú)改性在較短的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi),其自由膨脹率結(jié)果不具有可比性。綜上分析，試驗(yàn)選用養(yǎng)護(hù)28 d后的未擊實(shí)改性土,按SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[23]和JTJ051—1993《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[24]進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn),比較分析不同方法的改性效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 改性膨脹土的自由膨脹率測(cè)試

各未擊實(shí)改性土養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)。2%石灰改性、4%石灰改性、2%水泥改性和2%水泥+2%石灰復(fù)合改性、4%水泥+4%石灰復(fù)合改性的自由膨脹率分別為31%、30%、29%、30%、28%。不同改性土養(yǎng)護(hù)28 d后的自由膨脹率均在30%左右,都達(dá)到了預(yù)期改性效果。其中4%水泥+4%石灰復(fù)合改性的自由膨脹率最低,但5種改性膨脹土的自由膨脹率均處于同一水平,并且石灰、水泥的材料差異以及不同改性劑的摻量、配比對(duì)膨脹土的改性效果影響不大。造成這一現(xiàn)象的主要原因是研究配制待改性土樣的土顆粒較小,各摻量的改性劑與土顆粒能均勻混合,能最大限度地發(fā)揮各改性劑的改性效果。

2.2 改性土三軸試樣浸出液水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

表1為各改性土三軸試樣浸出液的pH測(cè)試結(jié)果。由表1可知,每種試樣浸水后,浸出液的pH均隨著浸泡時(shí)間的增加而增大。養(yǎng)護(hù)齡期、改性方法以及浸泡時(shí)間對(duì)浸出液pH均有影響,其中不同方法改性土三軸試樣在相同養(yǎng)護(hù)齡期下,浸出液pH隨著浸泡時(shí)間的增加而增大。在相同的浸泡時(shí)間下,浸出液pH隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減小。當(dāng)改性方法相同時(shí),改性劑的摻量越高,浸出液在相同條件下的pH越大。

表1 改性土三軸試樣浸出液pH

由表2可知,試樣養(yǎng)護(hù)齡期、浸泡時(shí)間、改性劑摻量均會(huì)影響Ca+析出量。不同改性土三軸試樣浸出液中的Ca+含量均隨著浸泡時(shí)間的增加而不斷增加;浸泡時(shí)間相同的情況下,改性土三軸試樣的養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng),試樣浸水后析出的Ca+數(shù)量越少;改性劑的摻量越高,浸出液中的Ca+含量越高。

2.3 復(fù)合改性土三軸試樣浸出液水質(zhì)分析

在試樣的養(yǎng)護(hù)齡期與浸泡時(shí)間一致的條件下,比較石灰改性、水泥改性與復(fù)合改性3種改性土三軸試樣浸出液pH與Ca+含量的區(qū)別。

2.3.1浸出液pH

圖1為2%石灰、4%石灰、2%水泥+2%石灰、4%水泥+4%石灰、2%水泥等5種改性土三軸試樣在相同的養(yǎng)護(hù)天數(shù)下浸出液的pH。

表2 改性土三軸試樣浸出液EDTA消耗體積

圖1 改性土三軸試樣浸出液pH

圖1(a)為5種改性土三軸試樣在養(yǎng)護(hù)齡期為1 d的pH。由圖1(a)可知,每種改性土三軸試樣浸出液的pH均隨著浸泡時(shí)間的增加而增大,當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到28 d時(shí)最大。2%水泥+2%石灰復(fù)合改性土三軸試樣浸出液的pH在相同的浸泡時(shí)間下均小于2%石灰改性土三軸試樣浸出液。同樣的,4%水泥+4%石灰復(fù)合改性土三軸試樣浸出液pH在相同的條件下也小于4%石灰改性土三軸試樣浸出液,且均具有明顯的差距。水泥改性土三軸試樣浸出液pH在僅浸泡1 d時(shí)為所有試樣中最小的,并且隨著浸泡時(shí)間的增加,pH增加的幅度也較小,對(duì)水質(zhì)影響也相對(duì)較小。

圖1(b)為養(yǎng)護(hù)齡期到3 d時(shí)各試樣浸出液的pH。在養(yǎng)護(hù)齡期與浸泡時(shí)間相同的條件下,復(fù)合改性土三軸試樣浸水后浸出液的pH遠(yuǎn)低于石灰摻量相同的石灰改性土,水泥的摻入有效地降低石灰改性土對(duì)浸出液pH的影響。水泥改性土三軸試樣對(duì)浸出液pH的影響依舊最小,2%石灰改性土三軸試樣浸出液pH在剛浸入水中至28 d內(nèi)始終保持著較高的水平,與2%水泥改性土浸出液的pH差值巨大。綜上,水泥的摻入極大降低了浸出液的pH。

圖1(c)( d)分別為養(yǎng)護(hù)齡期7 d、28 d時(shí)各試樣浸出液pH。水泥改性土三軸試樣在5種試樣中,對(duì)浸出液pH影響最小,石灰改性土三軸試樣土浸水后浸出液的pH在浸泡時(shí)間相同的條件下,始終保持著較高的水平,復(fù)合改性土三軸試樣極為有效地降低了試樣浸出液的pH。

根據(jù)圖1可知,當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到7 d時(shí),不同改性土三軸試樣浸出液的pH相較于初始浸泡時(shí)有較大幅度的增長(zhǎng),并且增長(zhǎng)速率較快;當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到28 d時(shí),不同改性土三軸試樣浸出液的pH變化曲線開(kāi)始收斂,雖然浸出液pH仍有較小幅度的增長(zhǎng),但增長(zhǎng)速率較慢。特別是水泥改性土三軸試樣和復(fù)合改性土三軸試樣,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7 d后,在浸泡時(shí)間達(dá)到28 d時(shí)其浸出液pH幾乎不再增長(zhǎng)。

2.3.2復(fù)合改性土三軸試樣浸出液Ca+含量

圖2為試樣浸出液Ca+滴定時(shí)消耗的EDTA-二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。當(dāng)試樣的養(yǎng)護(hù)天數(shù)為1 d時(shí),石灰改性土三軸試樣浸水后析出Ca+滴定時(shí)消耗的EDTA-二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積最多,Ca+含量最大。水泥改性土三軸試樣浸水后析出的Ca+最少,摻入水泥的復(fù)合改性土三軸試樣浸水后析出Ca+的總量明顯降低,整體略高于水泥改性土浸出液,可見(jiàn)水泥可以抑制石灰改性土浸水后Ca+的析出。

圖2 改性土三軸試樣浸出液EDTA消耗體積

圖2(b)為養(yǎng)護(hù)齡期為3 d的試樣浸水后浸出液Ca+滴定時(shí)消耗的EDTA-二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。水泥改性土三軸試樣始終保持著較低的Ca+析出量。復(fù)合改性土三軸試樣析出Ca+的量明顯低于具有相同摻量的石灰改性土三軸試樣,可見(jiàn)水泥對(duì)Ca+的析出具有較強(qiáng)的抑制作用,2%水泥+2%石灰復(fù)合改性土三軸試樣析出Ca+的量整體仍高于水泥改性土三軸試樣浸出液。

圖2(c)為養(yǎng)護(hù)齡期7 d的試樣浸水后浸出液Ca+滴定時(shí)消耗的EDTA-二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,由圖可知2%水泥+2%石灰復(fù)合改性土三軸試樣在初始浸泡的1～3 d內(nèi)所析出Ca+的量低于水泥改性土所析出的Ca+,但隨著浸泡時(shí)間的不斷增加,Ca+析出量逐漸超過(guò)水泥改性土三軸試樣。

當(dāng)試樣養(yǎng)護(hù)齡期增加至28 d時(shí),2%水泥+2%石灰復(fù)合改性土三軸試樣浸水后所析出的Ca+含量在相同浸泡時(shí)間內(nèi)均小于水泥改性土三軸試樣。由此可見(jiàn),復(fù)合改性土養(yǎng)護(hù)28 d后再運(yùn)用于實(shí)際工程中,能在保證浸水后完整性的條件下減小Ca+的析出量。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期2%水泥+2%復(fù)合改性土三軸試樣浸水1 d試樣形狀

與pH相同,在改性土三軸試樣初始浸泡的1～7 d內(nèi),改性土三軸試樣浸出液的Ca+含量在短期內(nèi)有較大幅度的增長(zhǎng);當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到7～28 d時(shí),EDTA消耗體積變化曲線逐漸收斂,改性土三軸試樣浸出液Ca+含量雖仍有一定程度的增長(zhǎng),但是增長(zhǎng)速率明顯減慢。

2.4 不同養(yǎng)護(hù)齡期試樣浸水后完整性

圖3分別為2%水泥+2%石灰復(fù)合改性土三軸試樣在養(yǎng)護(hù)齡期分別為1 d、3 d、7 d、28 d時(shí)浸水1 d時(shí)的試樣形狀。由圖3可知,養(yǎng)護(hù)齡期僅為1 d的復(fù)合改性三軸土試樣浸水1 d時(shí),試樣發(fā)生了較大程度的崩解,最外部發(fā)生了不同程度的剝落,崩解的顆粒較小,周圍包裹著一層水泥。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期增加至3 d時(shí),浸水后試樣的崩解程度略小于養(yǎng)護(hù)齡期為1 d的試樣,部分保持了浸泡前的形狀,崩解的顆粒變大,周圍包裹的水泥明顯減少。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期繼續(xù)增加至7 d時(shí),試樣的完整性較之前進(jìn)一步增強(qiáng),僅在試樣的中間段發(fā)生了一定程度的崩解,但未崩解的部分也產(chǎn)生了較大裂痕。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)28 d時(shí),試樣浸水1 d后仍保持完整的形狀,并未發(fā)生崩解,具有較強(qiáng)的浸水后完整性。因此，復(fù)合改性土三軸試樣的養(yǎng)護(hù)齡期增加時(shí),試樣的浸水后完整性也隨之增強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期試樣浸出液的pH、Ca+析出量以及浸水后完整性分析可知,石灰改性土三軸試樣在剛浸入水中時(shí),對(duì)水質(zhì)的影響程度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而降低,但當(dāng)浸泡時(shí)間增加時(shí),石灰改性土三軸試樣對(duì)水質(zhì)的影響程度反而隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加。水泥改性土三軸試樣具有著較為穩(wěn)定的性質(zhì),其浸水后的pH、Ca+析出量并未隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而出現(xiàn)較大變化。復(fù)合改性土三軸試樣在相同的浸泡時(shí)間下,養(yǎng)護(hù)齡期越高,試樣浸水后對(duì)水質(zhì)的影響越小。石灰改性與復(fù)合改性土三軸試樣的浸水穩(wěn)定性均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增強(qiáng)。因此,當(dāng)復(fù)合改性土運(yùn)用于實(shí)際工程中時(shí),對(duì)改性土進(jìn)行28 d養(yǎng)護(hù)并防止其與水分的接觸是極其必要的。

3 結(jié) 論

a. 復(fù)合改性土在養(yǎng)護(hù)28 d后,自由膨脹率均降至30%左右,滿足自由膨脹率的改性要求。

b. 改性劑的摻量對(duì)于試樣浸水后的水質(zhì)也具有重要的影響作用,改性劑的摻量越高,改性土三軸試樣浸水后浸出液的pH與Ca+含量也越高,雖然試樣浸水后完整性也有一定的增強(qiáng),但考慮到盡可能降低對(duì)水質(zhì)的影響,當(dāng)改性土運(yùn)用于實(shí)際工程中時(shí),盡可能采用較小摻量改性劑的改性土。對(duì)于改性土三軸試樣浸泡28 d以后的水體性質(zhì)變化還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

c. 改性土三軸試樣的養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)于試樣的性質(zhì)具有極為重要的影響,試樣的養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng),浸水后的形狀越完整。復(fù)合改性試樣浸水后析出的Ca+含量隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而不斷降低,所以在實(shí)際工程中,建議增加改性土的養(yǎng)護(hù)齡期至28 d,并且在養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)應(yīng)當(dāng)杜絕浸泡或流水沖刷,這樣既可以保證改性土的浸水后完整性,又可以降低復(fù)合改性土對(duì)水質(zhì)的影響。

d. 水泥的摻入不僅可以降低石灰改性土浸出液的pH,抑制Ca+的析出,并且能夠降低復(fù)合改性土中Ca+的析出速率,增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性。復(fù)合改性有效解決了水泥改性在實(shí)際工程中摻拌的均勻性問(wèn)題以及石灰改性對(duì)水質(zhì)的影響和浸水后完整性問(wèn)題,相對(duì)經(jīng)濟(jì)與節(jié)約,在膨脹土渠道邊坡工程中具有運(yùn)用可行性。