粉煤灰改良Q3黃土填料變形特性試驗研究

楊曉松 黨進謙 楊 瑤 徐 镕 楊保存*

(1 塔里木大學水利與建筑工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100)

濕陷性黃土遇水后在自重或者非自重荷載作用下產生的濕陷性變形具有突發性、非連續性和不可逆性，會對其上的各種建、構筑物造成嚴重破壞。黃土濕陷性機理、濕陷性評價方法及其控制技術等關鍵問題是巖土工程界長期的研究熱點[1]。

對于黃土濕陷性機理，井彥林等[2]提出了擊實率的概念，對原狀黃土濕陷性與擊實率等指標的相關性進行挖掘。查甫生等[3]引入電阻率法進行黃土濕陷過程中的微結構變化規律定量分析。朱元青等[4]考慮吸力對黃土濕陷變形的影響，研制了一套可以控制吸力的非飽和土濕陷三軸儀，為深入研究黃土濕陷特性提供了有力的工具。李國玉等[5][6]、谷琪等[7]和王泉等[8]考慮氣候因素影響下的凍融作用，對黃土濕陷原因和機理進行研究，從而將黃土濕陷性的研究范圍拓展到廣大凍土地區。隨著建筑規模日益增大，工程涉及到的濕陷性土層厚度越來越大，常規濕陷性研究成果已無法滿足各種大型工程需求。基于此, 邵生俊等[9]、楊校輝等[10]、姚志華等[11]和馬閆等[12]對大厚度黃土濕陷性變形特征和評價方法進行探討。張愛軍等[13][14]對伊犁某大型渠道工程濕陷性黃土渠基進行現場浸水試驗，分析了伊犁黃土強烈自重濕陷性的歷史原因和內在原因；進一步，結合渠道工程實際，充分考慮渠道工程防滲層的作用，提出了基于增濕變形的渠道工程渠基黃土濕陷性評價方法。這些研究成果從黃土濕陷機理和評價方法方面進行了深入探討，但是尚不能很好的指導工程建設。

傳統意義上認為，黃土經過壓實能很大程度上減少其濕陷性，能夠基本滿足建筑物強度和穩定性要求。然而在實際工程中，仍有不少壓實黃土地基在運行多年以后出現二次或多級濕陷病害。本文從工程性質改良和工業廢料變廢為寶的角度對粉煤灰改良Q3黃土填料的壓縮和濕陷變形特性進行試驗研究，以期更好的指導工程實踐。

1 試驗條件

1.1 試驗材料

粉煤灰取自陜西靖原第二電廠，最大干密度為1. 13 g/cm3，最優含水率為33. 67%，其化學成分見表1。黃土取自西北農林科技大學南區地平面以下2 m處的擾動黃土，土樣為黃褐色，具有較大孔隙，土質均勻，土體疏松，屬馬蘭黃土(Q3)。所用黃土的物理性質指標見表2。

1.2 試驗方案

結合工程實踐，選用粉煤灰摻量為0%、10%、15%、20%和25%(干粉煤灰與風干黃土質量之比)，養護齡期為0 d、7 d、14 d和28 d。根據擊實試驗結果，選用控制干密度1. 60 g/cm3,控制含水率17%。壓縮試驗采用標準固結試驗。濕陷變形試驗采用雙線法，最大垂直壓力為1 600 kPa，分6級加荷，加荷壓力分別為50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa和1 600 kPa。

2 結果與分析

2.1 壓縮變形試驗

試驗結果見表3，壓縮系數與粉煤灰摻量和養護齡期的變化關系曲線見圖1和圖2。

根據圖1，粉煤灰改良Q3黃土填料的壓縮系數隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸減小。以0 d養護為例，當粉煤灰摻量由0%增加到10%時，壓縮系數減小29. 9%；隨著粉煤灰摻量增加至15%、20%和25%時，壓縮系數減小的趨勢減緩，分別減13. 4%、9. 4%和1. 8%。經過7 d、14 d和28 d養護的試樣，壓縮系數隨著粉煤灰摻量的增加呈比較平緩的減小趨勢。以28 d養護為例，隨著粉煤灰摻量由10%逐漸增加到25%，壓縮系數分別減小3. 2%、3. 9%和2. 7%。

表1 粉煤灰化學成分組成

表2 土樣的基本物理性質指標

表3 壓縮系數av0. 1～0. 2/MPa-1試驗結果

圖1 壓縮系數與粉煤灰摻量關系曲線

圖2 壓縮系數與養護齡期關系曲線

圖2表明，粉煤灰改良Q3黃土填料的壓縮系數隨著養護齡期的增加而逐漸減小。粉煤灰摻量為10%和15%時，壓縮系數與養護齡期關系曲線變化趨勢相同，即7 d養護時，減小幅度較大，分別為12. 9%和8. 8%，隨著養護齡期的增加，變化曲線以近似線性規律減小。

未改良Q3黃土填料(粉煤灰摻量0%)在試驗條件下的壓縮系數為0. 298，為中等壓縮性土。摻入適量粉煤灰進行改良以后，壓縮系數雖仍在0. 1～0. 5之間，為中等壓縮性土，但其壓縮系數已大大減小。以粉煤灰摻量25%的改良Q3黃土填料為例，0 d養護時，壓縮系數較未改良時減小46%；28 d養護時，壓縮系數較未改良時減小52. 3%。可見，利用粉煤灰作為添加劑改良Q3黃土填料的壓縮變形特性是可行的。

2.2 濕陷變形試驗

濕陷變形試驗結果見表4和表5。

表4 濕陷系數δ試驗結果

表5 15%-200kPa濕陷系數δ試驗結果

圖3 濕陷系數與垂直壓力關系曲線

圖4 濕陷系數與粉煤灰摻量關系曲線

圖5 濕陷系數與齡期關系曲線

圖3為濕陷系數與垂直壓力關系曲線。關系曲線都具有峰值濕陷壓力和峰值濕陷系數。粉煤灰摻量為0%和10%時較為明顯，峰值濕陷壓力分別為200 kPa和100 kPa，峰值濕陷系數分別為0. 032和0. 028。

濕陷系數與粉煤灰摻量的關系曲線見圖4。在各級垂直壓力作用下，關系曲線表現出相同的變化趨勢。粉煤灰摻量小于15%時，改良Q3黃土填料的濕陷系數隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸減小；粉煤灰摻量大于15%時，改良Q3黃土填料的濕陷系數隨著粉煤灰摻量的增加而增加。15%粉煤灰摻量的改良Q3黃土填料在各級垂直壓力作用下都具有最小的濕陷系數。

進一步將15%粉煤灰摻量的改良Q3黃土填料試樣進行0 d、7 d、14 d和28 d養護，研究濕陷系數改良效果的時間效應。結合工程實際，10米以內土層垂直壓力為200 kPa。根據試驗結果表5、濕陷系數與齡期關系曲線圖5，200 kPa垂直壓力下，15%粉煤灰摻量改良Q3黃土填料的濕陷系數隨著養護齡期的延長逐漸減小。

3 結論與討論

利用粉煤灰作為添加劑能夠很好的改良Q3黃土填料的變形特性。

(1) 壓縮系數隨著粉煤灰摻量的增加和養護齡期的延長呈逐漸減小的變化趨勢，減小的幅度亦隨之逐漸變緩。

(2) 濕陷系數與粉煤灰摻量的關系曲線存在拐點，即15%。15%粉煤灰摻量的改良Q3黃土填料在各級垂直壓力下都具有最小的濕陷系數，且隨著養護齡期的延長，200 kPa垂直壓力下的濕陷系數逐漸減小，具有較好的時效性。

分析認為，粉煤灰自身具有活性和火山灰效應。當粉煤灰與Q3黃土填料在一定含水率條件下充分拌和以后，黃土填料、粉煤灰含有的堿性氧化物如Na2O、K2O和CaO與粉煤灰所含有的難溶酸性氧化物如SiO2、AL2O3和Fe2O3等發生一系列的水解水化反應，如離子交換作用、碳酸化作用、凝膠作用、團粒作用和結晶作用等。這些水解水化反應并不是相互獨立，而是相互聯系、相互影響和同步進行[15][16]。水解水化反應加強了改良Q3黃土填料顆粒間的團聚作用，提高了土體的密實性，加強了土顆粒間的聯結，強化了土體的結構性，從而能夠很好地改良Q3黃土填料的壓縮和濕陷變形特性。由于水解水化反應過程比較緩慢，因而粉煤灰改良Q3黃土填料的改良效果具有時間效應。

最優粉煤灰摻量是特定條件下粉煤灰充分水解水化反應所需的量。當粉煤灰摻量超過最優摻量，多余的粉煤灰將不會參與水解水化反應，而是作為無黏性材料分散在土體中，對改良土體結構起著弱化作用。這種結構弱化作用將隨著粉煤灰摻量的增加逐漸增強。

綜合壓縮和濕陷變形試驗結果與分析，在試驗條件下，粉煤灰改良Q3黃土填料變形特性的最優摻量為15%。

[1] 劉東生.中國的黃土堆積[M].北京:科學出版社,1965:49-53.

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