摻綠砂改良膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)研究

張 鑫，孫樹林，魏永耀，盤 霞

(1. 勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 東營(yíng) 257000；2. 河海大學(xué) 地球探測(cè)與信息技術(shù)研究所，南京 210098)

1 引 言

膨脹土含有較多的親水性黏土礦物，工程性質(zhì)較差，公路工程中采用膨脹土作為路基填料時(shí)，必須采取必要的工程措施，防止其反復(fù)脹縮和強(qiáng)度衰減對(duì)路基工程造成危害。目前，膨脹土主要采用石灰進(jìn)行改良[1－2]，但采用這種方法進(jìn)行膨脹土改良的成本較高，而采用工業(yè)廢棄物既可降低成本，又可以解決廢棄物堆量大、占地多、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。因此，粉煤灰[3－4]，膠粉[5]改良土作為筑路材料的性質(zhì)在近些年進(jìn)行了廣泛研究。然而，綠砂即工業(yè)廢砂，國(guó)內(nèi)還沒有人進(jìn)行過這方面的研究。

國(guó)外近幾年對(duì)于綠砂在土木工程建筑中的研究取得了重大成果，在高速公路地基和擋土結(jié)構(gòu)[6]、填地[7]、瀝青混凝土[8]、軟弱下臥層[9]、路面地基[10]、生物及化學(xué)修復(fù)[11]等方面都取得了較大進(jìn)展。本文結(jié)合國(guó)外研究成果，選取南京燕子磯膨脹土進(jìn)行系統(tǒng)的綠砂室內(nèi)改良試驗(yàn)研究，探討綠砂改良膨脹土的可行性。

2 材料性質(zhì)

（1）膨脹土

土樣為南京燕子磯地區(qū)的膨脹土，土粒相對(duì)密度Gs= 2.677，液限ωl= 40.2%，塑性指數(shù)Ip=19.6%，不均勻系數(shù)Cu= 8.99，曲率系數(shù)Cc= 0.899，干密度ρd為=1.813 g/cm3，最佳含水率ωopt= 17.8%，最大干密度ρdmax= 1.76 g/cm3，見表1，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量為98.83，見圖1。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，判定為該土為弱～中等膨脹土。

表1 膨脹土的有關(guān)物理特性Table1 Physical properties of expansive soil

（2）綠砂

綠砂又被稱為鑄造廢砂（waste foundry sand），簡(jiǎn)稱為WFS。綠砂產(chǎn)生于砂型鑄造，全國(guó)每年的廢砂大約有1000萬t，除少量廢砂再生回用外，大部分以丟棄為主。國(guó)外研究表明，綠砂能被有效用于工程建設(shè)取決于它的膨潤(rùn)土-砂混合物結(jié)構(gòu)[13]。試驗(yàn)中所用綠砂取自南京鑄造總廠場(chǎng)地，為黑色，石英砂與煤粉，陶土混合物，綠砂相對(duì)密度Gs= 2.18，液限ωl= 28.7%，塑限ωp= 19.8%，有效粒徑D10=0.091，不均勻系數(shù)Cu= 3.19，曲率系數(shù)Cc= 0.08，見圖 1，最佳含水率ωopt=13.4%，最大密度ρdmax=1.83 g/cm3，見表2。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)范》[14]判定，該砂為級(jí)配不良的細(xì)粒土砂，即SP- SF，如圖 1所示，本次綠砂顆粒級(jí)配試驗(yàn)所得曲線與Tarek Abichou[15]在研究綠砂物理性質(zhì)時(shí)所做篩分試驗(yàn)得到的級(jí)配曲線相似。

表2 綠砂的有關(guān)物理特性Table2 Physical properties of waste foundry sand

圖1 膨脹土及綠砂的顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain size distribution of expansive soil and waste foundry sand

3 樣品的制備及試驗(yàn)

對(duì)所取土料進(jìn)行了物理性質(zhì)試驗(yàn)，包括土粒相對(duì)密度、液限、塑限、顆粒大小分析試驗(yàn)，對(duì)不摻砂和摻砂后壓實(shí)制備試樣進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)，包括輕型擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)，試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。土的液限用100 g圓錐下沉20 mm測(cè)定，顆粒分析試驗(yàn)采用激光粒度分析法及篩分法，輕型擊實(shí)試驗(yàn)采用干土法，力學(xué)性試驗(yàn)的土樣按不同摻砂率和擊實(shí)試驗(yàn)，確定的最佳含水率及左右浮動(dòng) 5%的不同含水率的最大干密度制備，試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)齡期為1 d和28 d。養(yǎng)護(hù)時(shí)，用塑料袋將制備好的擊實(shí)樣密后，放置在養(yǎng)護(hù)室中，保持恒溫22 ℃，相對(duì)濕度為70%。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣高度為100 mm，直徑為40 mm。膨脹土工程地質(zhì)分類依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]進(jìn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.1 摻綠砂對(duì)膨脹土工程性質(zhì)指標(biāo)的影響

為研究摻入綠砂對(duì)膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)的影響，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，本次對(duì)綠砂含量為0、10%、20%、30%和100%分別制備試樣進(jìn)行液塑限試驗(yàn)，研究不同摻砂率對(duì)膨脹土液限及塑性指數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖2所示。

由表3和圖2可見，隨著摻砂率增大，液限減小，塑性指數(shù)降低，這個(gè)結(jié)果與Mgangira[16]關(guān)于摻綠砂改良黏土的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，從試驗(yàn)結(jié)果可見不摻砂時(shí)試驗(yàn)土樣的液限和塑性指數(shù)分別為40.2和19.6，隨著摻砂率的增加，液限降低，塑性指數(shù)也降低。塑性指數(shù)作為判別膨脹土的一個(gè)重要參數(shù)，本試驗(yàn)中，塑性指數(shù)隨摻砂率增加而降低，意味著摻綠砂可以消除膨脹土的脹縮性，而消除膨脹土膨脹性的效果與摻砂率的大小有很大關(guān)系。

表3 不同摻砂率下試驗(yàn)土樣的液限及塑性指數(shù)Table3 Liquid limit and plasticity index waste foundry sand content

圖2 不同摻砂率下試驗(yàn)土樣的液塑限試驗(yàn)Fig.2 Liquid and plastic limits of expansive soils wit different contents of waste foundry sand

4.2 摻砂對(duì)最佳含水率和最大干密度的影響

為比較不摻砂和摻砂對(duì)壓實(shí)性質(zhì)的影響以及何種配比對(duì)于提高試驗(yàn)土樣壓實(shí)度的效果最好，本次就不同摻砂率的試驗(yàn)土樣進(jìn)行了輕型擊實(shí)試驗(yàn)。圖3及表4為不同摻砂率的試驗(yàn)土樣的輕型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。由圖表可見，隨著摻砂率從 0%增至 30%時(shí)，其最優(yōu)含水率由 17.8%降低為 14.6%，最大干密度由1.76 g/cm3提高為1.81 g/cm3，由此可見，最佳含水率隨摻砂率的增加而降低，最大干密度則隨摻砂率的增加而提高，其中隨摻砂率的增加，最佳含水率顯著減小，最大干密度提高幅度不大。

在 Mgangira[16]所做黏土摻和綠砂作為工程材料的研究中，當(dāng)摻砂率在小于40%時(shí)，其最優(yōu)含水率隨摻砂率的增加而減小，這點(diǎn)在本次試驗(yàn)中再次得到了驗(yàn)證。隨摻砂率的增加，最大干密度增大，但增大的幅度不大，與 Mgangira所做試驗(yàn)結(jié)果中在20%摻砂率時(shí)最大干密度達(dá)到峰值的結(jié)論相符。Abichou[15]在綠砂作為軟弱下臥層的研究中，在不同含水率及不同擊實(shí)強(qiáng)度下進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，而最大干密度變化范圍不大，從而得出綠砂因其為非黏性砂，故當(dāng)綠砂達(dá)到某一摻量時(shí)會(huì)出現(xiàn)峰值。

圖3 不同摻砂率的擊實(shí)試驗(yàn)Fig.3 Compaction test on expansive soils with different contents of waste foundry sand

表4 輕型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table4 Light compaction test results

4.3 摻砂對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響

不同摻砂率在不同含水率以及不同齡期的條件下試驗(yàn)土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖 4所示。由圖可以看出，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在10%摻砂率下較之素土顯著降低；在20%摻砂率時(shí)，隨摻砂率的增大其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高，然而，當(dāng)摻砂率增至30%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度再次降低。另外，全部摻砂試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都小于素土，但是10%及30%摻砂率的試驗(yàn)土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線較之素土和20%摻砂率的試驗(yàn)土樣平緩，沒有出現(xiàn)明顯的峰值點(diǎn)。可見當(dāng)摻砂率大于20%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)于摻砂率的增大不敏感。

本文選取了10%摻砂率的試驗(yàn)土樣養(yǎng)護(hù)30 d進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，強(qiáng)度變化不大，說明試驗(yàn)用膨脹土與綠砂之間沒有發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致強(qiáng)度提高，這個(gè)結(jié)果與 Guney等[12]在碎石摻和綠砂作為高速公路路基填料研究中，分別對(duì)1 d及7 d養(yǎng)護(hù)期試驗(yàn)土樣所做無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相似。

壓縮條件下試樣含水率明顯影響無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，在相同壓縮標(biāo)準(zhǔn)下，試樣含水率的增加明顯導(dǎo)致試樣強(qiáng)度的降低，水含量對(duì)于強(qiáng)度的影響可以用吸力理論解釋。具體來說，由于在略小于最佳含水率時(shí)壓縮，水含量少導(dǎo)致減少的孔隙水壓力，引起了更高的強(qiáng)度值，這個(gè)結(jié)果與Guney在碎石摻和綠砂作為高速公路路基填料研究中，對(duì)同一試樣在不同含水率下所做無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相似。

圖4 試驗(yàn)土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻砂率變化曲線Fig4 The change curves of unconfined compressive strength of expansive soils with different of content waste foundry sand

5 結(jié) 論

（1）膨脹土用作路基填料應(yīng)作改性處理，否則，其脹縮性不能滿足要求。

（2）摻砂改善膨脹土的脹縮性，液限及塑性指數(shù)隨摻砂率增加而降低，綠砂改良膨脹土脹縮性有明顯效果。膨脹土改良后，最優(yōu)含水率較改良前有明顯降低，最大干密度增加幅度較小。摻砂降低了膨脹土的強(qiáng)度,但隨含水率 改變其強(qiáng)度變化較改良前變平緩。

（3）綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)認(rèn)為綠砂改性膨脹土的最佳摻合比應(yīng)為20%。

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