硅灰改良膨脹土室內試驗研究

單熠博 王保田 張福海 韓少陽

(1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京 210098； 2. 河海大學 江蘇省巖土工程技術工程研究中心， 南京 210098)

膨脹土是一種含強親水礦物(蒙脫石和伊利石)的高液限粘土，具有顯著的遇水膨脹失水收縮的特性，在這種反復收縮變形的過程中便形成了膨脹土的多裂隙性，從而導致膨脹土強度的降低，膨脹土中裂隙的存在是膨脹土邊坡失穩的主要原因[1]．膨脹土不利的工程特性會對工程建設造成困擾，嚴重的會直接帶來建筑物的破壞，從而直接造成經濟損失，因此膨脹土也常稱作災害性土．開挖后的膨脹土工程邊坡和地基，受地下水、降雨，土壓力、溫度等環境影響較大，故現在有廣泛的學者對膨脹土治理進行了研究[2]．目前主要膨脹土治理方法有：置換法、熟石灰法、水泥法、復摻水泥和石灰法、電極控制陽離子法、加筋法、化學改良劑法等方法．當在膨脹土地區修建建筑物時，由于膨脹土的工程性質指標不能滿足工程設計規范要求，而采用大量的非膨脹土去置換填土，必然會造成土地資源浪費，因而最行之有效的方法便是對膨脹土進行改良；石灰被認為是改良膨脹土效果較好的無機材料[3],但是在生產石灰的過程中會導致環境的污染，并且會導致土體的滲透性增加．R.Goodarzi[4]等通過采用硅灰水泥復摻來改良膨脹土，研究了改良劑對固化時間及滲透性的影響．Umit Calik、Erol Sadoglu[5]等認為珍珠巖粉與石灰復摻使得改良后膨脹土具有更高抗剪強度及水穩性．黃震[6]通過膨脹土的脹縮裂隙與抗剪強度的關系對膨脹土改良的效果進行了評價．

本文通過不同摻量的硅灰對膨脹土進行改良，以不同的判別指標研究對膨脹土的改良效果．試驗主要通過改良土的膨脹性、物理力學特性及水穩性，對改良效果進行評價．

1 試驗材料與改良機理

1.1 試驗材料

試驗土樣取自秦淮東河，其自由膨脹率為61%，液限為51.6%，塑性指數為28%．根據路基設計規范的要求[7]，該膨脹土不能作為路堤填料．對秦淮東河土樣進行了基本物理性質和膨脹性試驗，試驗結果見表1；試驗所使用硅灰的特性參數見表2．

表1 試驗土樣的基本物理性質指標

表2 試驗所用硅灰的特性參數

1.2 膨脹土改良機理

硅灰又名微硅粉，其主要成分是SiO2，含量占90%以上，是冶煉金屬硅和硅鐵時從煙塵中所收集的粉末狀材料．如果不加以回收利用，直接排放到空氣中，將會對大氣造成污染．硅灰顆粒細小，硅灰中的SiO2屬無定型的物質，活性高，比表面積大，具有較強的火山灰性質．隨著國內外對硅灰的研究，使得這種副產品在工程中應用越來越廣泛[8]，主要應用于制備高強度混凝土、耐火材料、水泥等領域．

硅灰對膨脹土的改良機理主要包括離子交換作用，硅灰表面的吸附作用，硅灰的膠結作用與填充作用[9]．具體改良機理為：硅灰中含有少量的CaO和MgO，摻入膨脹土后會產生Ca2+、Mg2+，可與粘土顆粒所吸附的低價K+、Na+等離子置換，使得粘土雙電層厚度變?。斉蛎浲僚c硅灰拌合后，由于硅灰巨大的比表面積，遇水后易形成偏硅酸(H2SiO3)，從而形成膠體團粒．膠體團粒附帶的H+被粘粒表面所帶的負電荷吸引，使團粒包圍在粘粒周圍，改善了粘土顆粒之間的粘接作用，使粘土顆粒之間的結合力增加，從而減少了粘粒的吸水作用，增強了土體的水穩性．硅灰顆粒細小，平均粒徑在0.5～1 μm，能有效地填充膨脹土的孔隙，使土粒之間聯結更加緊密，從而降低土體的滲透性．滲透性的大小將直接影響土體裂隙的發育[10]，土體滲透性的降低將導致降雨入滲的速率減慢及對邊坡的影響深度降低，從而減少邊坡微裂隙的產生和發育，增強邊坡的穩定性．

1.3 試驗方案

將現場取來的膨脹土填料拌勻后測定其初始含水率，將土樣風干至其含水率10%以下，并過2 mm篩，取2 mm篩下土樣分成3份，分別摻入2%、3%、5%的灰劑量的硅灰，加水至最優含水率，將土樣密封24 h以使其含水率均勻．按壓實度92%制樣，將制備好的試樣置于標準養護箱中進行養護，在不同養護齡期進行改良土的物理力學性質試驗．

2 試驗結果分析

2.1 改良前后土體膨脹性變化

硅灰改良膨脹土的自由膨脹率及線膨脹率試驗結果分別見表3、圖1以及圖2所示．由表3可以得出，硅灰改良膨脹土的自由膨脹率均有降低，且都降至30%以下．依照國家標準“膨脹土地區建筑設計規范”[11],自由膨脹率小于40%的粘性土判定為非膨脹土，故改性后的膨脹土為非膨脹土．但是自由膨脹率隨養護齡期的增加并無較大程度降低，主要原因是離子交換反應及土粒表面粘結作用的增強發生在養護前期．圖1、圖2分別為相同養護齡期不同硅灰摻量及相同硅灰摻量不同養護齡期線膨脹率隨時間變化的關系曲線．

表3 硅灰改良膨脹土自由膨脹率試驗結果

圖1 不同硅灰摻量線膨脹率隨時間變化的關系曲線(7 d)

圖2 不同養護齡期線膨脹率隨時間變化的關系曲線(3%硅灰)

由圖1、圖2可以發現，不同摻量硅灰改良膨脹土的線膨脹率較素土有明顯降低，并且隨著養護齡期的增加而降低，具體表現為1～7 d下降幅度較大，7 d后線膨脹率趨于穩定．表明了經硅灰改良的膨脹土的膨脹性得到了明顯的抑制．

2.2 改良前后土體物理力學性質

土樣改良前后無側限抗壓強度隨養護齡期的變化如圖3所示，4次干濕循環后的快剪強度指標與改良前后液塑限變化見表4、表5．

圖3 改良土無側限抗壓強度隨養護齡期變化關系曲線

硅灰摻量/%粘聚力C/kPa內摩擦角φ/°04.67.5218.616.2322.314.8516.814.6

表5 改良前后土體液塑限變化

在進行無側限抗壓強度試驗前，試樣飽和的過程中，素土樣因浸水破壞而導致無法進行無側限抗壓試驗．由圖3可得經改良的膨脹土均具有較高的無側限抗壓強度，無側限抗壓強度隨著養護齡期的增加而增加，但并不隨著硅灰摻量的增加而增加，其中3%的硅灰摻量在28 d養護齡期時具有較高的強度．由表4可以看出改良土在經歷4次干濕循環后內摩擦角與粘聚力較素土有較大提高，但隨著硅灰摻量的增加，5%摻量的改良土的抗剪強度指標呈現出下降的趨勢．說明硅灰摻量的增加可能導致土體中存在過多未反應的細小硅灰顆粒，不能與土體形成團聚體，從而降低了改良土體的內摩擦角與粘聚力．由表5可知，經過硅灰改良的膨脹土，其液限減小，塑性指數明顯降低．這表明經硅灰改良的膨脹土，土中黏粒含量有明顯的減少．

2.3 改良土的水穩性

試驗采用同一壓實度，分別按其最優含水率制備的環刀樣養護至28 d，進行干濕循環試驗研究改良土的水穩定性．在室溫(25±2)℃條件下，將土樣浸泡水中至飽和含水率27%后，從水中取出試樣風干至天然含水率20%，此為一個干濕循環過程．通過改良土在干濕循環過程中裂隙發展情況以及絕對膨脹率、相對膨脹率來評價硅灰對膨脹土水穩性改良的效果．

通過觀察摻入硅灰的改良土試樣在干濕循環過程中裂隙的變化，由圖4可得(取5%硅灰摻量為示例)：試樣在干濕循環過程中，土樣表面無較大貫穿的裂隙，土樣邊緣沒有土顆粒掉落的現象，可以認為經過改良后的土體在干濕循環的過程中表現出較好的水穩性．由圖5、圖6可得：試樣在干濕循環過程中的絕對膨脹率及相對膨脹率較素土均有明顯的降低，其降低幅度隨摻灰量的增加而增加，在第一次干濕循環后的降低幅度在60%～80%之間，并隨著干濕循環次數的增加，絕對膨脹率及相對膨脹率都趨于穩定．這說明經硅灰改良的土體能有效增強土顆粒之間的粘結作用而減少水分子對其連接作用的影響，從而提高了改良土的水穩性．

圖4 改良膨脹土干濕循環過程裂隙發展情況

圖5 絕對膨脹率隨干濕循環次數變化關系曲線

圖6 相對膨脹率隨干濕循環次數變化關系曲線

3 結 論

膨脹土由于其不利的工程性質,在工程建設中需進行改良，在利用硅灰作為一種新型的無機改良劑改良膨脹土的室內試驗中，有著較好的改良效果．其改良前后的各項物理力學性質指標表明：

1)經硅灰改良后的膨脹土，其自由膨脹率均降低到30%以下，其中5%硅灰摻量改良土降至28%．其浸水后線膨脹率較素土降低明顯．隨著養護齡期增加，1～7 d下降幅度較大，7 d后線膨脹率趨于穩定，表明硅灰改良反應主要在養護前期．

2)通過改良土的無側限抗壓強度試驗可得，經硅灰改良的膨脹土具有較高的強度．養護齡期對其后期強度影響不大，且隨著硅灰摻量的增加，其改良土的強度略有減小．

3)通過改良前后土體的界限含水率變化可得，經硅灰改良的膨脹土的液限及塑性指數均有明顯的降低．

4)經硅灰改良的膨脹土具有較好的水穩性，在干濕循環過程中，試樣表面無較大貫穿裂隙，其絕對膨脹率和相對膨脹率較素土均有大幅度的降低，其水穩性表現良好．在經歷4次干濕循環后，改良土較素土仍具有較高的內摩擦角與粘聚力．