孫獻(xiàn)國(guó),朱山山,潘 濤,李浩男

(1.安徽省薈資建設(shè)工程有限公司,安徽 蕪湖 241005;2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,合肥 230009)

0 引 言

膨脹土是具有吸水膨脹和失水收縮變形特征的特殊土[1]。當(dāng)土體天然含水率高，則在泡水后的土體膨脹力和膨脹量會(huì)較小，而失水后的收縮力和收縮量相對(duì)較大。其特殊工程性質(zhì)常對(duì)工程建設(shè)造成危害。膨脹土分布廣泛[2]，工程中不可避免會(huì)遇到膨脹土區(qū)域，相關(guān)調(diào)查顯示其危害地基面積達(dá)1 000萬(wàn)平方米左右，鐵路、公路工程的均受到嚴(yán)重影響[3-4]。巖土工程界已經(jīng)對(duì)膨脹土工程性質(zhì)愈加重視。1959年美國(guó)科羅拉多州召開(kāi)了膨脹性粘土學(xué)術(shù)會(huì)議[5]；包括英、美、日在內(nèi)的多國(guó)陸續(xù)將膨脹土相關(guān)的條文內(nèi)容寫(xiě)進(jìn)正式的土工規(guī)范與鐵路規(guī)范等文件中。中國(guó)在20世紀(jì)70年代開(kāi)展了膨脹土普查工作，建立了大量科研基地，并獲得了大量研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[6]。就現(xiàn)階段而言，國(guó)際膨脹土研究與工程會(huì)議已舉辦了七屆[7]，對(duì)于膨脹土的成分、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、膨脹機(jī)理以及變形特征等方面開(kāi)展了深入的研究，并取得了眾多有價(jià)值的成果。

目前，大量學(xué)者對(duì)膨脹土的改良進(jìn)行了研究。如查甫生等[8]研究了擊實(shí)膨脹土的強(qiáng)度特性、水穩(wěn)性能和膨脹土工程處理技術(shù)與施工工藝；張小平等[9]開(kāi)展了石灰改良膨脹土微孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，明確了膨脹土加石灰前后微孔結(jié)構(gòu)的變化及改性機(jī)理；夏瓊等[10]依托實(shí)際工程研究了石灰改良膨脹土的物理性質(zhì)、脹縮性、強(qiáng)度特性和水穩(wěn)定性；陳愛(ài)軍等[11]開(kāi)展石灰改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，報(bào)道了石灰改良膨脹土的強(qiáng)度變化規(guī)律；周葆春等[12]探討石灰改良膨脹土的變形特征與破壞機(jī)制。孫樹(shù)林等[13]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),探討利用堿渣作為添加劑對(duì)膨脹土改良的可行性和改良效果和堿渣改性土的基本物理力學(xué)性質(zhì)和膨脹性。

碳化作用是指空氣中的二氧化碳與土體發(fā)生相互作用，從而影響到土體工程性質(zhì)及結(jié)構(gòu)。研究表明碳化作用能對(duì)混凝土基質(zhì)材料性能有一定的提升效果，同時(shí)，也對(duì)部分化學(xué)改良土性能造成劣化。

綜上所述，當(dāng)前雖對(duì)膨脹土的改良已有一定的研究，但對(duì)于碳化作用對(duì)改良膨脹土的工程性質(zhì)的影響規(guī)律和微觀機(jī)理研究較少。因此，本文采用加速碳化作用試驗(yàn)對(duì)碳化作用后改良膨脹土的宏、微觀物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)變化進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)用土取自合肥市附近施工現(xiàn)場(chǎng)的膨脹土，使用比重瓶法測(cè)定土的比重，采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定含水率，使用50 ml量筒進(jìn)行自由膨脹率和自由膨脹比試驗(yàn)，采用合肥工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心Mastersizer2000激光粒度儀進(jìn)行黏粒試驗(yàn)分析，土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)列于表1。粒徑分布結(jié)果如圖1所示，圖2為土樣X(jué)射線衍射分析結(jié)果。由表1可知，土樣塑性指數(shù)為30，液限56%，自由膨脹率55%，依據(jù)GB/T 50145-2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》[17]該土樣定名為膨脹土，且為中膨脹土。由于土體塑性指數(shù)較大，需采用改良劑進(jìn)行改良，石灰和堿渣對(duì)膨脹土具有較好的改良效果，因此試驗(yàn)所用改良劑為堿渣和石灰。石灰的主要成分為CaO，堿渣作為一種堿性材料主要化學(xué)成分如下：CaCO3為34.33%，MgCO3為30.0%，SiO2為10.0%，CaSCl4·2H2O為6.72%，Al(OH)3為4.27%[9]。

表1 膨脹土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖1 素土的粒度成分累計(jì)曲線

圖2 素土的X射線衍射分析

石灰的最佳摻量為6%～8%[10]，堿渣的最佳摻量在20%以上。為比較碳化作用對(duì)改良劑種類和摻量對(duì)膨脹土基本物理性質(zhì)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)改良劑的配比分別為石灰(L) 6%(L6)；堿渣(AR)20%(AR20)，30%(AR30)，40%(AR40)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試樣制備

將土樣、石灰、堿渣放在烘箱中105 ℃烘干24 h后取出碾碎，分別過(guò)0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩。根據(jù)JTGE 40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》制樣，采用壓樣法，擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度的95%認(rèn)定為壓實(shí)度，試樣含水率按照最優(yōu)含水率配制。采用靜壓法將土樣制成5 cm× 5 cm(直徑×高) 的柱狀試樣，放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20±2℃，相對(duì)濕度95%以上)養(yǎng)護(hù)28 d。

1.2.2碳化土樣

參照混凝土碳化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)試樣進(jìn)行碳化，采用天津市港源試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的TH-B型混凝土碳化試驗(yàn)箱來(lái)模擬碳化條件，以二氧化碳濃度為20±2%，溫度為20±2℃，相對(duì)濕度為75±2%作為碳化的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，碳化養(yǎng)護(hù)3 d。

1.2.3無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)與微觀測(cè)試

依據(jù)JTGE 40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，采用YSH-2型石灰土無(wú)側(cè)限壓力儀對(duì)土樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用德國(guó)產(chǎn)STA449F5型同步熱分析儀進(jìn)行熱重分析試驗(yàn)；采用JSM-6490LV型鎢燈絲掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM試驗(yàn)；使用DX-2700型X射線衍射儀進(jìn)行XRD試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳化作用前后不同固化劑改良膨脹土物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3與圖4分別為石灰改良膨脹土和堿渣改良膨脹土的顆粒級(jí)配曲線圖(C表示碳化后，S表示碳化前，下同)。與圖1對(duì)比可知，摻入堿渣和石灰后膨脹土中的黏粒含量減少，顆粒粒徑總體變大，膨脹性降低。粒徑的增大表明堿渣和膨脹土之間存在離子交換作用，促進(jìn)土顆粒的凝聚作用。從圖3和圖4對(duì)比可知，石灰改良膨脹土碳化后的黏粒含量增多，堿渣改良膨脹土碳化后的黏粒含量減少。

圖3 石灰改良膨脹土的顆粒級(jí)配曲線

圖4 堿渣改良膨脹土顆粒級(jí)配曲線

圖5為石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土pH變化圖。素土的pH值在5.2左右，由圖可知，石灰和堿渣改良膨脹土pH值明顯增加。由于所使用的石灰和堿渣的pH值分別為11.6和9.24，故改良后的膨脹土pH值明顯增大。碳化后相對(duì)于碳化前pH值降低，原因?yàn)楦牧寂蛎浲僚c空氣中的CO2反應(yīng)形成弱鈣碳或鎂碳結(jié)合物質(zhì)，酸堿中和反應(yīng)導(dǎo)致其pH值降低。

圖5 石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土pH變化

圖6 石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土液限變化

圖7 石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土塑限變化

圖6、7和圖8分別為石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土液限、塑限和塑性指數(shù)變化。由圖可知，加入石灰和摻量為30%和40%堿渣的改良膨脹土液限減小，塑限增加，塑性指數(shù)減?。凰苄灾笖?shù)越小，土的膨脹性則越差[11]。隨著堿渣摻量的增加，液限變小而塑限增大，導(dǎo)致其塑性指數(shù)越來(lái)越小。由此可知，摻入堿渣和石灰可達(dá)到降低膨脹土的膨脹性的效果。這是由于Ca2+大量存在于堿渣溶液，對(duì)于黏土顆粒中的Na+與K+可以通過(guò)離子交換作用置換出大幅度降低改性土的液限，而升高塑限，降低了土的塑性指數(shù)，進(jìn)而降低土的膨脹勢(shì)[8,12]。

圖8 石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土塑性指數(shù)變化

圖9生石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土自由膨脹率變化

由圖9可知，摻入石灰改良膨脹土的自由膨脹率為0，摻入堿渣改良膨脹土的自由膨脹率也有明顯的降低，但碳化作用后改良土的自由膨脹率均有所增大。自由膨脹率在一定程度上能反應(yīng)粘土礦物成分、粒度成分、化學(xué)成分和交換陽(yáng)離子等基本特性，可用于評(píng)價(jià)土的膨脹潛勢(shì)[13]。

圖10石灰和不同堿渣摻量下改良膨脹土自由膨脹比變化

由圖10可知，摻入石灰或堿渣的改良膨脹土自由膨脹比都有所減小。隨著摻入堿渣含量的增加，土的自由膨脹比減小，且碳化后自由膨脹比均有一定程度的減??；而摻入6%較少劑量石灰的膨脹土自由膨脹比顯著減小，但碳化后自由膨脹比又有所增大，說(shuō)明碳化后堿渣改良膨脹土的黏粒含量減少，石灰改良膨脹土的黏粒含量增加。

2.2 碳化作用對(duì)改良膨脹土力學(xué)性質(zhì)的影響

為了研究碳化作用對(duì)石灰和堿渣改良膨脹土力學(xué)性質(zhì)的影響，本文開(kāi)展了改良土碳化前后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，摻入石灰和堿渣的改良膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增大；隨著堿渣摻量的增加無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。

圖11不同石灰和堿渣摻量比下改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化

Thompson(1966)認(rèn)為膨脹土在摻入生石灰和堿渣后發(fā)生了表面陽(yáng)離子交換和凝聚、結(jié)塊反應(yīng)。在土體中摻入生石灰(CaO)和堿渣(CaCO3，CaO)后，Ca2+和OH-的含量顯著增加，pH值增大，從而使土體中產(chǎn)生了堿性環(huán)境，堿渣的摻入使得改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著提高，CaO·SiO2·nH2O可由堿渣中的氧化物CaO和SiO2生成，該絡(luò)合物是很好的膠凝材料，并可隨著反應(yīng)的進(jìn)行強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。堿渣中的CaCO3與Ca(OH)2生成絡(luò)合物CaCO3·Ca(OH)2，該絡(luò)合物與膨脹土中含有的SiO2生成新的復(fù)合絡(luò)合物CaSiO3·CaCO3·Ca(OH)2·nH2O,該復(fù)合絡(luò)合物會(huì)影響孔隙的分布，同時(shí)會(huì)減少吸水率、增加密實(shí)度[12]。

同時(shí)，土體顆粒表面的金屬陽(yáng)離子例如K+、Fe2+等會(huì)被Ca2+置換，膨脹土顆粒表面的雙電層厚度會(huì)變薄，導(dǎo)致土體表面的帶電狀態(tài)改變，土中的膠粒相互吸引團(tuán)聚起來(lái)產(chǎn)生絮凝作用，土體中原有的顆粒組成會(huì)“變粗”，從而土的抗水性能和強(qiáng)度得到提高。由于石灰與土中硅、鋁會(huì)生成具有較強(qiáng)黏結(jié)性膠結(jié)物質(zhì)，而膠結(jié)作用的強(qiáng)弱是膨脹土強(qiáng)度的關(guān)鍵，然而碳化作用后石灰改良土樣強(qiáng)度降低，堿渣改良土強(qiáng)度增大。

2.3 微觀試驗(yàn)分析

2.3.1X射線衍射試驗(yàn)( XRD)

圖12和13分別為石灰和堿渣摻量為40%的改良膨脹土 X 射線衍射圖。本次試驗(yàn)檢測(cè)到了6種主要的礦物成分：二氧化硅、方解石、球文石、氫氧化鈣、CSH和原硅酸鈣，在圖譜中所對(duì)應(yīng)的峰的位置分別標(biāo)為 1、2、3、4、5、6。其中灰色曲線為碳化后的膨脹土，黑色曲線為未碳化的膨脹土。摻入石灰改良土碳化前后主要成分為SiO2。因?yàn)閴A渣中含有較多CaCO3，碳化前后主要成分為SiO2和CaCO3。

圖12 石灰改良膨脹土X射線衍射

圖13 堿渣摻量為40%改良膨脹土X射線衍射

2.4 熱重分析(TGA)

圖14和圖15分別為石灰改良膨脹土和堿渣改良膨脹土熱重分析曲線。由圖可知，摻入石灰和堿渣后，堿渣中的氧化物CaO和SiO2可生成水化硅酸鈣(CSH)，CSH也會(huì)由于石灰與土中大量存在的硅、鋁或兩者同時(shí)作用形成。堿渣主要成分有CaCO3，碳化作用前后CaCO3的含量變化不大，碳化后增加的部分由CSH與CO2反應(yīng)轉(zhuǎn)化而來(lái)。石灰的主要成分是CaO，摻入土中后生成CSH，碳化作用后CSH與CO2反應(yīng)生成CaCO3，CSH質(zhì)量減少，CaCO3的質(zhì)量增加很多。

圖14 石灰改良膨脹土熱重分析

圖15 堿渣改良膨脹土熱重分析

2.4.1掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)

為觀察改良土的粒徑，排列和孔隙等微觀結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)改良膨脹土進(jìn)行了掃描電鏡試驗(yàn)，如圖16所示。改良膨脹土的顆粒間排列了大量長(zhǎng)條狀晶體，晶體的尖端插入使其周圍的微顆粒緊密相連，粘合成一個(gè)整體，縮小微孔和微裂隙，降低膨脹土的親水性，有效抑制膨脹和收縮。改性土顆粒邊緣無(wú)卷曲現(xiàn)象表明改性后以膨脹土邊緣卷曲為特征的黏土礦物含量顯著降低，膨脹土親水性減弱，物理力學(xué)性能下降[15]。堿渣本身是一種無(wú)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?jǐn)?shù)，起著降低膨脹勢(shì)的作用[13]。

圖16 石灰和堿渣改良膨脹土碳化前后掃描電鏡

碳化作用后，空氣中的CO2滲透入膨脹土中，與堿性物質(zhì)Ca(OH)2和C-S-H凝膠等發(fā)生反應(yīng)，生成CaCO3和H2O[16]。H+離子與孔液中的OH-離子反應(yīng)生成H2O，CO32-與孔液中微量Ca2+反應(yīng)生成溶解度極低的CaCO3沉淀，導(dǎo)致孔液中Ca2+濃度降低。此時(shí),Ca(OH)2晶體溶解補(bǔ)充消耗的Ca2+，該反應(yīng)一直持續(xù)到Ca(OH)2晶體被完全消耗為止[20]。Ca(OH)2晶體對(duì)土壤顆粒結(jié)合的作用提高強(qiáng)度降低，同時(shí)破壞強(qiáng)堿性環(huán)境，反應(yīng)后改性土的結(jié)合力全部降低。通過(guò)分析掃描電鏡圖片可知石灰改良土碳化后大孔隙增加，堿渣改良土碳化后大孔隙減少。

3 結(jié) 論

(1) 摻入石灰和堿渣后的膨脹土，黏粒含量減少，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，起到了良好的改良效果。

(2) 碳化作用后，水化產(chǎn)物如氫氧化鈣、水化硅酸鈣與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣和水，導(dǎo)致水化產(chǎn)物對(duì)膨脹土顆粒的膠結(jié)作用減弱。

(3) 堿渣改良膨脹土在碳化作用后，膠結(jié)物質(zhì)減少，大孔隙減少，自由膨脹比減小，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加。