皂化殘渣改良膨脹土路基的自由膨脹率試驗研究

王 超 孫路路 黃元德 鄭建波

（山東濱化新型建材有限責任公司，山東 濱州 256600）

0 引言

由于膨脹土具有明顯的脹縮性，使用膨脹土填筑路堤或者作為路塹地基時，在土體含水率發生變化的過程中會產生災害性的變形，導致路面結構層發生破壞，危及行車安全。 因此，許多國家標準技術方法規定不得直接用膨脹土做路基填料，公路建設面臨著要么用大量的非膨脹土對膨脹土進行置換，要么對膨脹土進行改良的問題。 若采用置換膨脹土的方法，往往會使工程造價大幅度增加，而且廢棄不用的膨脹土也會造成環境污染。因此，研究膨脹土改良利用具有重要的社會價值和巨大的經濟效益。

近些年來，隨著膨脹土改良研究的不斷深入，從最開始的換土法，到之后的化學改性法，其改良技術不斷趨于成熟、經濟、環保。其中，化學改性方法從根本上對膨脹土的性質進行改良，效果穩定可靠，具有很好的研究前景。在諸多化學改性方法中，比較成熟和常用的方法是在膨脹土路堤填料中摻入石灰、水泥等，其改良機理都是硅酸鹽和鋁的水化物與土顆粒相互間的膠結作用，膠結物逐漸脫水和新生礦物的結晶作用，從而降低液限，增大土體的抗剪強度。由于膨脹土在中國的很多地區分布廣泛，實際工程中需要用大量的石灰、水泥對其進行改良處理使其達到相關的規范要求。雖然石灰、水泥的價格相對便宜，但是由于用量很大，在工程成本中占有比較大的比重，所以尋找更加經濟、有效的改良劑和改良方法至關重要。

一方面膨脹土在中國廣泛分布，對膨脹土進行經濟、有效的改良處理非常必要，另一方面由于造化殘渣的化學成分主要是氫氧化鈣，我國的造化殘渣在全國不僅分布廣泛而且排出量非常巨大，同時對于此類固體廢棄物的綜合利用程度還遠遠不夠。鑒于以上兩個方面，本文以皂化殘渣應用于膨脹土改良作為研究對象，使工廠排棄的無害固體廢棄物安全而合理合格地使用在膨脹土改良中。

1 自由膨脹率試驗

自由膨脹率作為反映土體膨脹性的一種指標，其與土體的粘粒含量、粘土礦物成分以及化學成分等均有著非常緊密的關系，用它可以對土體在沒有結構力作用下的膨脹潛勢進行測定，使得能夠初步地判定土體的脹縮等級。作為判別膨脹土的指標，想要獲得自由膨脹率指標十分容易。規范的定義為：自由膨脹率是膨脹土經歷烘干粉碎之后，一定體積的松散土粒在水中無任何限制條件下進行充分吸水發生自由膨脹，體積增加趨于穩定之后的體積增量和初始體積的比值，用來判定粘性土在無結構力影響下的膨脹潛勢，以百分比表示。按照下式計算土體的自由膨脹率：

式中：δef—自0由膨脹率(%)；

Vwe—吸水膨脹后體積(cm3)；

V0—烘干土自由堆積狀態下體積(cm3)。

(1)將無頸漏斗放于支架上，漏斗的下口對準量土杯的中心并且保持l0mm 的距離，使用取土匙取適量的土樣倒入漏斗中，一邊倒一邊用細鐵絲攪動，直到量土杯裝滿土樣并且開始溢出時移開漏斗，刮掉杯口的多余土，將量杯中的試樣倒入匙內，再次倒入漏斗中并且落入量土杯中，刮掉多余的土，稱量土杯的質量；

(2)重新取土樣，重復步驟(1)，二次測定的差值不得大于0.1g；

(3) 往量筒內注入30ml 的純水，并且加入5ml 濃度為5%的純Nacl 溶液，將準備好的試樣慢慢倒入量筒內，用攪拌器上下攪拌溶液各l0 次，用純水淋洗攪拌器和量筒壁至懸液50ml，靜置待懸液澄清后每間隔2h 測讀一次土面高度(估讀至0.1ml)，直到6h 內二次讀數值不超過0.2ml 為止，如果土面傾斜讀數取中值。

皂化殘渣摻量(%) 自由膨脹率(%) 0 46 2 35 4 26 6 17

2 皂化殘渣改良膨脹土的機理分析

對于高速公路工程中的膨脹土，一定要對其進行合理的處理才能在實際工程中應用。大量的工程應用反映化學類的處理方法對膨脹土的改良效果十分明顯，它廣泛地應用于工程中。因此，本文從化學處理法這個角度出發來考慮膨脹土的改良。

皂化殘渣對膨脹土的改良機理方面，主要有以下兩個方面：

(1)陽離子交換與絮凝作用：膨脹土中脹縮性的粘土礦物主要為伊利石與蒙脫石，它們大多數是由負電的膠粒與電子層外部的陽離子所構成，皂化殘渣摻入膨脹土后，粘土礦物中吸附在粘土顆粒外面的低價金屬陽離子就會馬上和電石渣所具有的Ca2+產生離子置換，而離子的置換會導致雙電層的厚度發生變化，從而引起粘土礦物表面的電荷增多，顆粒直接互相吸引產生絮凝狀，使土體的初期強度得到加強。粘土礦物的陽離子層中大部分是單價的鉀離子和鈉離子，皂化殘渣加入土中，在水的催化作用下，迅速分解為(OH)-與Ca2+。其中鈣離子和鉀、鈉離子發生離子置換作用，從而使得膠體的吸附層厚度變得很薄，ξ-電位迅速減小，土體的膠粒之間迅速產生凝聚。而離子交換會引起土體變得分散并且使其粘土的塑性減小，同時增強了土體的微粒結構的穩定性與強度，該過程是隨著皂化殘渣中化學成分的離解與鈣離子在土中的擴展而緩慢開展的，在皂化殘渣剛開始摻入土中使反應較迅速，該過程中這種化學作用成為土體初期產生改變的主要因素。

(2)凝硬反應：隨著反應時間的增加，皂化殘渣與土的相互作用發展成為長久的階段，也就是所謂的火山灰反應。它主要是指土體中所包含的活性Si、Al 等礦物成分在皂化殘渣的堿性催化作用下出現離解，在水的外加作用下和氫氧化鈣發生反應形成含水的鋁酸鈣與硅酸鈣的一種化學反應過程。該反應過程中產生的化合物和水泥水解反應后所產生的化合物相似，它的水穩定性良好。在這種反應緩慢發生的過程中連續吸水，因此它的水硬性良好。同時，二氧化碳通過孔隙與水進入土體內部，于是氫氧化鈣和二氧化碳反應生成碳酸鈣，而碳酸鈣較高的水穩定性與強度比較高，它是土體的后期強度能夠較好形成的主要原因之一。