劉國華，田 軍，田茂勤

(1.濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心大冶水庫服務(wù)處，山東 濟(jì)南 271100；2.濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心喬店水庫服務(wù)處，山東 濟(jì)南 271100)

0 引言

分散性土具有抗沖蝕能力低、滲透系數(shù)小、強(qiáng)度小、破壞過程隱秘且迅速等特點(diǎn)，廣泛分布在我國北方地區(qū)[1-2]。隨著水利工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，將分散性土作為填筑材料進(jìn)行堤防、土石壩的建設(shè)的情況不可避免，但在應(yīng)用之前，需對分散性土作合理的特殊處理，改善其工程特性，才能確保水利工程建筑物的長期穩(wěn)定與安全[3-7]。

當(dāng)前，對分散性土進(jìn)行改性的主要手段包括以下幾類：一是利用石灰、水泥及其它固化劑材料對分散性土進(jìn)行改性；二是利用土工布、膜料、非分散性土等將分散性土進(jìn)行包裹處理，隔斷或者減少分散性土與水直接接觸；三是利用砂、土工布對分散性土建筑物進(jìn)行被動保護(hù)，防止發(fā)生滲透破壞。粉煤灰作為一種最常見的工業(yè)廢渣，具有顆粒細(xì)、壓縮性小、 強(qiáng)度高、水穩(wěn)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是最為常用的一種不良地質(zhì)改良材料，在膨脹土、軟土、濕陷性黃土中應(yīng)用較為廣泛，在分散性土改良中也有一些研究，但仍顯不足，因此，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探討[8-14]。

本文設(shè)計(jì)開展了不同粉煤灰摻量下的分散性土改性試驗(yàn)，并對改性土的力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行了分析，以期能為分散性土在水利工程中的合理應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

分散性土：試驗(yàn)土樣取自山東某堤防工程現(xiàn)場，土樣的顆粒相對密度為2.7，液限為36.2%，塑限為20.3%，塑性指數(shù)為15.9%，最大干密度為1.72 g/cm3，最優(yōu)含水率為18.5%，pH值為9.8，粉粒和黏粒占比分別為59.3%和40%，屬低液限黏土，主要礦物成分為石英、鈉長石、方解石、伊利石等，易溶鹽、中溶鹽、難溶鹽和有機(jī)質(zhì)的含量分別為2.2g /kg、1.8 g/kg、114 g/kg以及6.6 g/kg。該土體在5 cm水頭作用下沖蝕5 min后，孔徑增大至原來3.5倍，且水流渾濁；通過碎塊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在崩解的土塊周圍存在大量呈“云霧狀”的土壤懸液；土樣分散度D為67.6%≥50%，鈉百分比Ps值為87%≥60%，交換性鈉離子百分比為22.3%≥15%。故經(jīng)綜合判定，試驗(yàn)所用土樣為分散性土[15]。分散性土的顆粒級配曲線見圖1。

粉煤灰：顆粒相對密度為 2.06，不均勻系數(shù)11.0，曲率系數(shù)1.2，主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，占比分別為61.6%和22.9%。試驗(yàn)用粉煤灰需先烘干24 h，然后再過0.5 mm篩以保證粉煤灰顆粒的均勻性。

圖1 分散性土顆粒級配曲線

1.2 試驗(yàn)方案

共設(shè)計(jì)6種不同粉煤灰摻量下的分散性改性試驗(yàn)，其中試驗(yàn)1組為對照試驗(yàn)組，粉煤灰摻量為0，其余五組為粉煤灰改性試驗(yàn)組，粉煤灰摻量分別為2%、4%、6%、8%和10%，養(yǎng)護(hù)齡期分別為0 d、1 d、3 d、5 d和7 d，壓實(shí)度均為96%，通過分散性試驗(yàn)獲得粉煤灰最佳摻量后，對比改性前后的力學(xué)性能和耐久性，改性試驗(yàn)方案見表1。通過擊實(shí)試驗(yàn)得到不同粉煤灰摻量下對應(yīng)的改性分散性土的最大干密度和最優(yōu)含水率情況見表2。

表1 土體改性試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

分散性試驗(yàn)：利用針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)等對不同粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期下的改性土進(jìn)行分散性試驗(yàn)，獲取粉煤灰最佳摻量。

力學(xué)性能試驗(yàn)：包括壓縮試驗(yàn)、單軸抗壓試驗(yàn)以及滲透試驗(yàn)，獲取改性前后分散性土的工程力學(xué)參數(shù)。

凍融循環(huán)-降雨沖刷試驗(yàn)：按比例制作堤防工程模型，在堤防工程模型表面填筑30 cm厚的改性分散性土，先對模型進(jìn)行凍融損傷(凍融循環(huán)7次)，然后模擬在降雨作用下的抗沖蝕性能。按照大暴雨等級進(jìn)行降雨沖刷，每次降雨量為70 mm，降雨強(qiáng)度為3.5 mm/min，降雨完成之后，干燥24 h，然后再進(jìn)行下一次降雨沖刷，如此往復(fù)10次，收集沖刷下來的泥漿，經(jīng)干燥處理后統(tǒng)計(jì)降雨重畫堤防工程的土體流失情況。

表2 分散性和改性土擊實(shí)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 分散性試驗(yàn)結(jié)果

為方便分析，將分散性土定義為1，過渡性土定義為2，非分散性土定義為3，首先得到了在不同粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期下(壓實(shí)度為96%)試驗(yàn)組對應(yīng)的分散性試驗(yàn)結(jié)果，見圖2。從圖中可以看到：隨著粉煤灰摻量的增加，分散性土逐漸向過渡性土轉(zhuǎn)變，并最終演變?yōu)榉欠稚⑿酝粒?dāng)粉煤灰摻量為2%時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)齡期下改良土體仍然是分散性土；當(dāng)粉煤灰摻量為4%，養(yǎng)護(hù)齡期為0～1 d下，改良土體為分散性土，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為1～5 d時(shí)，改良土體為過渡性土，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7 d后，改良土體為非分散性土；當(dāng)粉煤灰摻量為6%時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期為0～3 d時(shí)，改良土體為過渡性土，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到5 d后，改良土體均為非分散性土；當(dāng)粉煤灰達(dá)到8%之后，改良土體的分散性受養(yǎng)護(hù)齡期的影響較小，均表現(xiàn)為非分散性土。從試驗(yàn)結(jié)果可知，粉煤灰摻量以及養(yǎng)護(hù)齡期均對粉煤灰改性分散性土的改性效果有較大的影響，增加粉煤灰摻量和適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)齡期，能夠使土體的分散性大大降低，由于在實(shí)際施工過程中，一般會預(yù)留3～7 d的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，因此，從節(jié)約粉煤灰成本來講，粉煤灰的最佳摻量應(yīng)在4%～6%。

圖2 分散性試驗(yàn)結(jié)果

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

取粉煤灰摻量為5%，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，壓實(shí)度為96%情況下的分散性土進(jìn)行了室內(nèi)力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表3。從表中可以看到：土體改良前，壓縮模量和壓縮系數(shù)分別為4.32 MPa和0.19 MPa-1，摻入粉煤灰進(jìn)行改性后，壓縮模量提升至11.66 MPa，提升幅度達(dá)到170%，壓縮系數(shù)降低為0.14 MPa-1，表明粉煤灰可以有效改善分散性土體的壓縮特性，這是因?yàn)閾饺敕勖夯液螅瑫ㄟ^離子交換和硬凝反應(yīng)，從而改變土體的骨架單元連接方式，從點(diǎn)接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，土體內(nèi)部架空的孔隙數(shù)量大大降低，因而壓縮性得到有效改善；改良前土體的單軸抗壓強(qiáng)度僅為383.2 kPa，而摻入粉煤灰改良后，分散性土的抗壓強(qiáng)度提升至590.5 kPa，提升幅度為54.1%，這是因?yàn)榉勖夯覔饺牒?，會迅速與土體中水分發(fā)生水解反應(yīng)，隨著齡期增大，粉煤灰會與分散性土發(fā)生離子交換和硬凝反應(yīng)，生成強(qiáng)度較高且不同于水的膠結(jié)物質(zhì)，這些膠結(jié)物質(zhì)能夠增強(qiáng)土顆粒之間的黏結(jié)力，從而能抵抗更高的應(yīng)力作用；土體改良前，分散性土的抗?jié)B坡降為15.98，而經(jīng)粉煤灰改良后，抗?jié)B坡降提升至32.05，提升幅度為100.6%，表明改良后土體的抗?jié)B性能有大幅提升，相對更不易發(fā)生滲透破壞，這是因?yàn)榉勖夯遗c土顆粒發(fā)生膠凝發(fā)硬。增強(qiáng)了土體之間的黏結(jié)力，同時(shí)，部分膠凝物質(zhì)填充包裹在土顆粒之間，減少了滲流通道，因此，粉煤灰能夠顯著改善分散性土的抗?jié)B能力，能夠提升堤防工程的安全性。

表3 改性前后分散土力學(xué)性能參數(shù)

2.3 凍融循環(huán)-降雨沖刷試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到的凍融循環(huán)-降雨沖刷作用下的泥沙流失情況見圖3。從圖中可以看到：土體改良前，泥沙累計(jì)流失量近似呈線性增加，經(jīng)改性后，泥沙累計(jì)流失量呈對數(shù)型增加，泥沙顆粒流失率在逐漸減小，經(jīng)10次降雨沖刷后，改性土的累計(jì)泥沙流失量為7 902 g，改良前分散性土的累計(jì)泥沙流失量為13 062 g，泥沙受雨水沖刷的流失量相對降低39.5%，表明改性后的分散性土的抗雨水沖刷能力得到較大幅度提升，且隨著降雨次數(shù)的增加，土壤抗沖蝕能力逐漸增加，這是因?yàn)椋涸诮涤昵捌?，改良土體內(nèi)的水分(含水率)較低，粉煤灰與土顆粒之間的硬凝反應(yīng)需要充足的水分支持，隨著降雨次數(shù)增加，粉煤灰與土體硬凝反應(yīng)得到完全發(fā)揮，因而抗雨水沖蝕能力在后期顯著強(qiáng)于改性前的分散性土體。在實(shí)際施工過程中，為了提高前期改性土的抗雨水沖刷能力，建議適當(dāng)增加改性土的含水率，同時(shí)重視后期養(yǎng)護(hù)工作，可以在很大程度上減少雨水對堤防的沖蝕。

將粉煤灰摻量為5%，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，壓實(shí)度為96%的改良土首先在室內(nèi)進(jìn)行凍融。

圖3 凍融循環(huán)-降雨沖刷試驗(yàn)結(jié)果

3 改性機(jī)理探討

通過上文分析可知：粉煤灰對黏性分散性土的改性作用主要通過離子交換反應(yīng)和硬凝反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，兩種反應(yīng)的改性機(jī)理為：(1)離子交換：在改性初期，粉煤灰中的活性物質(zhì)，如SiO2和Al2O3等會與水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等，可以起到一定的絮凝膠結(jié)作用，而后粉煤灰中所攜帶的高價(jià)陽離子Fe2+、Mg2+通過與土體原有的低價(jià)鈉離子進(jìn)行交換(離子交換能力取決于化合價(jià)和離子水化半徑)，使得土顆粒間的雙電層厚度減小，土顆粒之間的斥力減小、引力增大，從而使土體產(chǎn)生絮凝，降低土體分散程度。(2)硬凝反應(yīng)：隨著水化水解反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，析出的鈣離子超過自理交換所需的量后，在堿性環(huán)境下，會與土體中的礦物成分(SiO2和Al2O3)等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的結(jié)晶化合物，并逐漸在水和空氣驅(qū)動下硬化，填充在土顆粒之間并促進(jìn)顆粒之間膠結(jié)，從而降低分散土的壓縮性，提高強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗沖刷能力。

4 結(jié)語

(1)隨著粉煤灰摻量和齡期的不斷增加，分散性土?xí)饾u向過渡性土轉(zhuǎn)變，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠稚⑿酝?，從?jié)約工程成本講，粉煤灰最佳摻量應(yīng)在4%～6%。

(2)經(jīng)粉煤灰改性后，分散性土的抵抗壓縮變形的能力、強(qiáng)度以及抗?jié)B性能均得到有效提升，提升幅度分別達(dá)到170%、54.1%和100.6%。

(3)改性后的分散性土在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)-降雨沖刷作用后，其表面抗沖蝕能力較分散性土得到顯著增強(qiáng)，建議在實(shí)際工程中，適當(dāng)增加改性土前期的含水率以提升堤防的抗沖蝕能力。

(4)粉煤灰在分散性土中的研究應(yīng)用仍相對較少，受試驗(yàn)條件限制，并未對壓實(shí)度等其他因素進(jìn)行充分分析，這將在今后做進(jìn)一步補(bǔ)充。