摻高爐水渣膨脹土的室內改良試驗研究

孫樹林，唐 俊,，鄭青海,，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.安徽省交通規劃設計研究院，合肥 230088；4.中水顧問集團中南勘察設計研究院，長沙 410014；5.安徽省電力設計院，合肥 230601；6.河海大學 土木工程與交通學院，南京 210098）

1 引 言

膨脹土是顆粒高分散、成分以黏土礦物為主、對環境的濕熱變化非常敏感的高塑性黏土，具有吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特性。膨脹土的這種不良特性使得膨脹土地區房屋建筑、公路橋梁、水利工程以及機場等工程建設產生許多工程病害。

目前膨脹土主要采用石灰進行改性處理[1－4]，但采用石灰進行改性的成本較高，且對公路沿線環境的污染較大。近年來人們逐步開始利用固體廢棄物對膨脹土進行改良[5－8]，如用鑄造廢砂、粉煤灰等摻料來改良膨脹土的工程性質。

本文利用高爐水渣對南京衛崗地區膨脹土進行改性研究，并通過與改性前的物理力學指標、脹縮指標、強度指標的對比，來確定高爐水渣改性效果。

2 高爐水渣的改性原理

水渣是把熱熔狀態的高爐渣置于水中急速冷卻產生的。水渣的主要化學成分是CaO，其改良機制一是將高爐水渣改性劑摻入膨脹土之中后，高爐水渣成分中的高價陽離子能與黏土顆粒表面的低價陽離子發生交換[9]。離子交換對黏土顆粒還能產生絮凝或團聚作用，使土的組織結構發生變化，減小了黏粒含量；二是在膨脹土中摻入高爐水渣，增加粗顆粒含量，通過改變膨脹土原有的顆粒級配，減弱膨脹土的脹縮能力；三是膨脹土中的活性硅、鋁礦物在Ca(OH)2的堿性激發下發生解離，在水的作用下與Ca(OH)2反應生成硅酸鋁和鋁酸鈣。這個過程生成的新化合物是一種水穩性較好的結合材料。

3 試驗材料礦物化學成分及基本物性指標

3.1 膨脹土

膨脹土采集于南京衛崗，取土深度為 1.6～2.0 m，其礦物成分、物理性質指標如表1、2所示。其自由膨脹率δef=51%，液限Lω=48.1%，塑限pω=19.5%，塑性指數Ip=28.6，所取的膨脹土天然含水率大部分接近塑限，自然狀態下呈半堅硬狀態，滑感較強，肉眼可看到少量的鈣質結核。

表1 膨脹土的礦物成分（單位：%）Table1 Mineral compositions of expansive soil(unit:%)

表2 膨脹土物理性質指標Table2 Physical indices of expansive soil

由表2可以看出，土樣自由膨脹率高達51%，塑性指數達28.6，可確定為弱膨脹土[10]。

3.2 高爐水渣

本文試驗所用的高爐水渣取自于馬鞍山鋼鐵公司第二煉鐵廠，其化學成分見表3，顆粒組成見表4。

由表3可以看出，高爐水渣的主要化學成分是CaO和 SiO2，含量都在 30%以上，另外 Al2O3和MgO含量也比較多。這4種化學物質的含量近90%。從試驗高爐水渣級配及粒徑范圍可以看出：試驗所用高爐水渣就其顆粒大小及顆粒組成而言，類似于砂質土；高爐水渣中粒徑小于 0.1 mm 的顆粒重占27%，從顆粒級配來看，不均勻系數K=9.5，級配良好。

表3 高爐水渣化學成分Table3 Chemical components of GBFS

表4 高爐水渣顆粒級配Table4 Particle size distributions of GBFS

4 土樣制備

根據試驗所需土樣數量，將碾散的土樣過2 mm篩（自由膨脹率試驗過0.5 mm篩），過篩后用四分對角取樣法，取出足夠數量的代表性土樣。對風干土測定風干含水率。參考Cokca等[11]所做高爐水渣作添加劑改性膨脹土的研究，選擇高爐水渣的摻量分別為3個水平10%、15%、20%。取過篩后的風干土，平鋪于不吸水的盤內，計算不同摻渣率和不同含水率所需要的渣和水的質量；用噴霧器噴曬預計水量均勻拌合土和渣，然后裝入塑料袋中扎緊，養護一周，讓膨脹土和高爐水渣充分反應作用。

5 改性試驗

針對素土和3種不同摻量的高爐水渣改性土，分別進行基本物理特性、膨脹特性和強度特性對比試驗，以探討高爐水渣改性的效果及其工程特性。

5.1 基本物理特性試驗研究

5.1.1 擊實特性

對素土和改性土分別進行擊實試驗，探討高爐水渣改性前后最大干密度和最優含水率的變化規律。試驗結果見圖1和表5。

由圖1和表5可看出，在相同擊實功下，3種高爐水渣改性土最優含水率相差不大，都在19%左右，但均比素土的小，最大干密度隨著高爐水渣的摻入量的增加變化很小，基本維持在 1.75 g/cm3，均比素土的1.68 g/cm3大，并且改性土峰值區比素土要平緩。隨著高爐水渣摻入量的增加有增強的趨勢，這說明改性土的干密度對含水率的敏感性比素土小。

5.1.2 顆粒分析

對素土、高爐水渣、不同殘渣率改性土進行顆分試驗，如圖2所示。在粒徑分配曲線上，可以看出黏土顆粒明顯減少，小于0.002 mm的膠粒含量明顯減少（分別從24%減至16%、15%、13%），改性后的膨脹土不均勻系數提高到10以上，此種土中細顆粒充填于粗顆粒所形成的孔隙中，使得土質密度較高的力學特性較好。

圖1 改性前后干密度與含水率的變化關系Fig.1 Relationships between dry density and moisture content before and after changing properties

表5 擊實特性指標Table5 Indices for compacted behaviors

圖2 土樣的顆粒級配曲線Fig.2 Particle size distributions of the soil samples

5.1.3 自由膨脹率、界限含水率試驗

自由膨脹率、界限含水率試驗結果見表6。

從表6可以看出，自由膨脹率從改性前的51%下降到30%左右，已不具備膨脹土的基本特性；塑性指標也有明顯改善，液限含水率也有所降低，塑性含水率變化不大，塑性指數從改性前最高32.3降低到19.1，可見其親水性已大幅度下降。

表6 自由膨脹率、界限含水率指標Table6 Free swelling ratios and limited moisture contents

5.2 改性土的脹縮特性

膨脹土的脹縮特性是膨脹土的最基本特性，主要的影響因素為含水率和干密度。所以本文試驗針對膨脹土及其改性土在壓實度分別為93%、94%、96%的情況下，研究膨脹量和含水率之間的變化關系。

5.2.1 無荷膨脹量

膨脹土改性前后無荷膨脹量變化見表7。

表7 無荷膨脹量Table7 Swelling percentages without loading

從表7可以看出，膨脹土改性前后在相同含水率的情況下，壓實度越高，無荷膨脹量越大，而在相同壓實度的情況下，無荷膨脹量又隨含水率的增加而減小。無荷膨脹量同時受擊實含水率與擊實干密度的控制，但含水率對膨脹量的影響比干密度顯著。摻入高爐水渣的膨脹土無荷膨脹量有了明顯的降低，當摻渣率為15%時，無荷膨脹量降到最低，最小的只有原來的40%，可見高爐水渣對膨脹土的膨脹特性能夠起到很好的抑制作用。

5.2.2 50kPa荷載下膨脹量

圖3為50 kPa荷載條件下膨脹土改性前后膨脹量隨含水率變化關系曲線。

由圖3以及表8可以看出，改性前后的膨脹土在50 kPa荷載下的膨脹量與無荷膨脹量變化規律和趨勢基本一致。在50 kPa荷載下素土的最小膨脹量大于 1%，但是摻入高爐水渣后的改性土，50 kPa荷載的膨脹量最小的已經接近0。3種配比的改性土在最優含水率附近，在不同壓實度的情況下，膨脹量均小于 0.7%。摻渣率為 15%和 20%的改性土 3種壓實度的不同含水率的膨脹量都在0.7%以下。通過膨脹量試驗可以看出，高爐水渣對膨脹土的膨脹特性有了顯著的改善。

圖3 膨脹土改性前后50 kPa荷載下膨脹量Fig.3 Swelling percentage versus moisture content relationships for expansive soil before and after improvement

表8 50 kPa荷載下的膨脹量Table8 Swelling percentages under 50 kPa loading

5.3 強度特性

5.3.1 抗剪強度

對素土和改性土抗剪強度特性的研究通過采用壓制樣進行不同垂直壓力下直接快剪試驗（飽水、非飽水狀態）來完成，抗剪強度指標如表9所示，表中c為黏聚力，φ為內摩擦角。

從表9可以看出，改性土的直剪試驗的抗剪強度指標較素土發生明顯變化。素土飽水時強度衰減幅度巨大，黏聚力只有非飽水時的10%左右，內摩擦角也發生銳減。由此說明水穩性很差。改性土非飽水和飽水強度均有顯著提高，黏聚力最高達到216.4 kPa，是素土的兩倍，內摩擦角也小幅增大，而且改性土的飽水強度衰減幅度比素土小得多。試驗結果表明，高爐水渣能夠有效地提高抗剪強度及其水穩定性。

5.3.2 無側限抗壓強度

對素土和3種摻量改性土分別按其最優含水率制備了壓制樣，分別開展飽水和非飽水無側限抗壓強度試驗。表10給出了最優含水率和最大干密度條件下壓制樣的試驗結果。

表9 抗剪強度參數Table9 Shear strength parameters

表10 改性土無側限抗壓強度指標Table10 Indices for uncomfined compressive strength of improved soil

從表10可以看出，飽和膨脹土無側限抗壓強度遠低于非飽和膨脹土無側限抗壓度，軟化系數只有0.01，吸水軟化非常明顯。改性土的無側限抗壓強度比素土的略小，并且3種摻渣率的改性土之間相差不大，但軟化系數都是較大的提高，均大于0.5。

6 結 論

（1）改性后的膨脹土黏粒含量降低，大幅改善了膨脹土的顆分級配。減小干密度對含水率的敏感度。

（2）改性土的自由膨脹率、液限、塑性指數均有不同程度的降低。

（3）膨脹土中摻入高爐水渣可有效抑制膨脹土的膨脹，降低膨脹勢。膨脹土的無荷膨脹量、有荷膨脹量明顯降低。

（4）高爐水渣改性膨脹土的抗剪強度、無側限抗壓強度試驗表明，改性土具有較高的強度，且飽水后其強度衰減較小，具有較高的浸水強度，水穩性得到了提高。

（5）綜合考慮試驗的各項指標，摻入15%高爐水渣時，可以達到最佳改性效果。

[1]徐永福. 非飽和土強度理論及其工程應用[M]. 南京:東南大學出版社,2000: 186－187.

[2]劉松玉,方磊. 擊實膨脹土的循環膨脹特性研究[J]. 巖土工程學報,1999,21(1): 9－13.LIU Song-yu,FANG Lei. Approach to cyclic swelling behavior of compacted expansive clays[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1999,21(1): 9－13.

[3]盧再華,陳正漢,蒲毅彬. 膨脹土干濕循環脹縮裂隙演化的CT試驗研究[J]. 巖土力學,2002,24(4): 412－417.LU Zai-hua,CHEN Zheng-han,PU Yi-bin. A CT study of the crack evolution of expansive soil during drying and wetting cycles[J]. Rock and Soil Mechanics,2002,24(4):412－417.

[4]陳善雄,孔令偉,郭愛國. 膨脹土工程特性及其石灰改性試驗研究[J]. 巖土力學 2002,23(增刊): 9－12.CHEN Shan-xiong,KONG Ling-wei,GUO Ai-guo.Experimental research on engineering properties of expansive soil and lime stabilized soil[J]. Rock and Soil Mechanics,2002,23(Supp.): 9－12.

[5]孫樹林,魏榮耀,張鑫. 廢棄輪胎膠粉改良膨脹土抗剪強度研究[J]. 巖石力學與工程學報,2009,28(1): 3071－3075.SUN Shu-lin,WEI Rong-yao,ZHANG Xin. Research on shear strength of expansive soils reinforced with waste tire powders[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,28(1):3071－3075.

[6]MAHER M,GRAY D. Static response of sands reinforced with randomly distributed fibers[J]. Journal of Geotechnical Engineering,1990,116(11): 1661－1677.

[7]LEE J H,SAIGSDO R,BEMAL A,et al. Shredded tires and rubber-sand as lightweight backfill[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1999,125(2): 132－141.

[8]孫樹林,張鑫,魏榮耀. 摻綠砂改良膨脹土室內試驗研究[J]. 巖土力學,待刊.

[9]劉特洪. 工程建設中的膨脹土問題[M]. 北京: 中國建筑工業出版社,1997.

[10]交通部科學研究院. JTGE40－2007公路土工試驗規程[S]. 北京: 人民交通出版社,2007.

[11]COKCA E,YAZICI V,OZAYDIN V. Stabilization of expansive clay using granulated blast furnace slag(GBFS)and GBFS-cement[J]. Geotechnical and Geological Engineering,2009,27(4): 489－499.