水泥+石灰復合改性膨脹土對水質的影響

吳建濤,伍 洋,金科羽,李國維,陳承謙,米帥奇,郭笑彤

(1.河海大學土木與交通學院,江蘇 南京 210098; 2.中設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210014)

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開裂,并能反復發生濕脹干縮變形的特殊黏土,是在長期自然地質歷史作用過程中形成的強親水性礦物地質體[1]。邊坡膨脹土多為非飽和土,土中水分通過地表蒸發,經過干濕循環后易在淺部產生干縮裂隙[2-3]。裂隙的出現破壞了土體的完整性,在形成較大滑動面后,伴隨著降雨等自然現象,容易發生滑坡,使整個工程無法正常發揮作用[4-5]。

引江濟淮是一項以生活供水、船舶通航、農業灌溉為主,以改善巢湖[6]、淮河[7]等水生態環境為輔的大型水利渠道工程。該工程全線輸水總長1 048.68 km,膨脹土渠段55.4 km,從長江安徽段起向北流經巢湖后匯入淮河流域[8-9]。引江濟淮試驗工程(樁號40+700～42+200)位于安徽省合肥市蜀山區,地貌單元為江淮丘陵區,地面起伏較大,膨脹土以弱、中膨脹潛勢為主[10]。

為防止膨脹土對渠道邊坡造成破壞,工程上多通過石灰改性、水泥改性或在邊坡處設置錨桿對膨脹進行處理[11-12],并需要加強對膨脹土力學性質的監測[13]。石灰或水泥改性是在膨脹土中均勻地摻入一定量的石灰或水泥,使其與黏土中的親水礦物進行反應,生成凝膠物質,降低親水礦物的含量,從而提高土體的黏結性與穩定性[14-15]。水泥改性土具有初凝時間短、抗剪強度高[16]、沿坡面變形較均勻[17]以及浸水后完整性顯著提高的特點。但是,改性膨脹土容易因摻拌不均勻而出現改性程度不夠徹底的情況,因此實際工程中需要解決摻拌均勻性的問題。我國江淮地區潮濕多雨,黏土的天然含水率普遍較高,難以破碎,若直接摻入水泥進行改性,水泥無法完全與土體發生反應,從而導致拌和不均勻,影響改性效果。因此,為了保證膨脹土水泥改性效果及工程質量,摻入水泥前土料需要進行翻曬,但是膨脹土受天氣影響較大,水分蒸發速率較慢,最終導致工程進度的延遲以及施工成本的增加。另一方面,石灰資源豐富、成本較低,且已有研究表明,用生石灰改良膨脹土可以迅速降低土體的含水率與膨脹率,使土體的干密度降低,滲透系數增加[11,18]。但將石灰改性土運用于對防滲有較高要求的渠道工程時容易引起渠道水及雨水的滲透,難以起到防滲作用[19]。另外,石灰中的Ca+、Mg2+會隨著水流進入河道,引起水質硬化,從而影響人的健康。硬化的水體結構通常缺乏生態功能,自凈能力變弱,水質難以保證;同時由于循環水系直接與大氣接觸,使細菌、藻類繁殖,造成水質惡化與水生態環境崩潰[20-21]。

為解決石灰改性導致的水質問題以及水泥的摻拌均勻性問題,本文擬采用水泥+石灰復合改性方法對膨脹土進行處理。摻入石灰既可對土體進行初步改性,又可降低土體的含水率,方便拌和。本文通過在石灰改性土中摻入一定量水泥,探究水泥的存在能否抑制石灰改性土中陽離子的浸出,以及不同摻量的石灰、水泥對離子浸出量的影響,并觀察以上不同改性土三軸試樣的浸水后完整性。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

土樣取自合肥引江濟淮試驗工程中區坑二級坡坡中,距地表約7 m。土樣的基本物理參數如下:干密度為1.95 g/cm3,含水率為18.6%～24.0%,土粒的相對密度為2.59,液限為51.2%,塑限為21.6%,自由膨脹率為51.5%,最優含水率為15%。根據GBJ112—1987《膨脹土地區建筑技術規范》[22]，該土樣屬于弱膨脹土。

水泥為普通硅酸鹽水泥,型號為P.C42.5,標準稠度用水量一般在21%～28%之間,初凝時間為4 h。石灰為JC/T 480建筑生石灰粉。浸泡浸出液時所用的水為合肥市普通自來水。

1.2 試驗方案

風干引江濟淮試驗工程邊坡代表性膨脹土,然后分層過20 mm、10 mm、5 mm、2.5 mm篩,按照10～20 mm(質量分數為50%,下同)、5～10 mm(25%)、2.5～5 mm(25%)的級配配制待改性土樣。對配置好的土樣進行2%石灰、4%石灰、2%水泥改性和2%水泥+2%石灰復合、4%水泥+4%石灰復合改性。

取出部分改性土進行不同含水率(11%、12%、13%、14%、15%)配置,并進行重型擊實試驗,得到各改性土的最大干密度,并測得各改性土最大干密度對應的最優含水率均為13%。

將改性土按SL237—1999《土工試驗規程》[23]各制作4個三軸試樣,制樣干密度按最大干密度和壓實度93%計算獲得。將改性土三軸試樣和各類未擊實改性土做好標記,用塑料薄膜密封共同置于25℃恒溫條件下養護不同時間(1 d、3 d、7 d、28 d)。在各養護期,每種改性土取出一個三軸試樣,按照試樣與水質量1∶10的比例放入水中浸泡,浸泡過程中對容器進行密封處理。浸泡不同時間后(1 d、3 d、7 d、28 d)提取并過濾50 mL改性土三軸試樣浸出液,對其進行pH檢測與Ca+的滴定試驗,并在浸水過程中觀察試樣的完整性。浸出液pH采用梅特勒酸度計進行測試;Ca+含量的檢測:根據標準試驗采用0.1 mol/L的EDTA-二鈉(乙二胺四乙酸二鈉)滴定法進行Ca+含量的滴定。當加入鈣紅指示劑的溶液由紫紅色變為藍色時滴定結束,記錄此時滴定管中EDTA標準溶液消耗體積。

考慮到對膨脹土進行復合改性時,需要將石灰與原膨脹土拌和悶料3 d進行沙化,以提高水泥與膨脹土的拌和均勻性。在摻入水泥后再養護1 d,復合改性土前后共需要4 d的養護時間,因此復合改性與石灰、水泥單獨改性在較短的養護齡期內,其自由膨脹率結果不具有可比性。綜上分析，試驗選用養護28 d后的未擊實改性土,按SL237—1999《土工試驗規程》[23]和JTJ051—1993《公路土工試驗規程》[24]進行自由膨脹率試驗,比較分析不同方法的改性效果。

2 試驗結果及分析

2.1 改性膨脹土的自由膨脹率測試

各未擊實改性土養護28 d后進行自由膨脹率試驗。2%石灰改性、4%石灰改性、2%水泥改性和2%水泥+2%石灰復合改性、4%水泥+4%石灰復合改性的自由膨脹率分別為31%、30%、29%、30%、28%。不同改性土養護28 d后的自由膨脹率均在30%左右,都達到了預期改性效果。其中4%水泥+4%石灰復合改性的自由膨脹率最低,但5種改性膨脹土的自由膨脹率均處于同一水平,并且石灰、水泥的材料差異以及不同改性劑的摻量、配比對膨脹土的改性效果影響不大。造成這一現象的主要原因是研究配制待改性土樣的土顆粒較小,各摻量的改性劑與土顆粒能均勻混合,能最大限度地發揮各改性劑的改性效果。

2.2 改性土三軸試樣浸出液水質檢測結果

表1為各改性土三軸試樣浸出液的pH測試結果。由表1可知,每種試樣浸水后,浸出液的pH均隨著浸泡時間的增加而增大。養護齡期、改性方法以及浸泡時間對浸出液pH均有影響,其中不同方法改性土三軸試樣在相同養護齡期下,浸出液pH隨著浸泡時間的增加而增大。在相同的浸泡時間下,浸出液pH隨著養護齡期的增加而減小。當改性方法相同時,改性劑的摻量越高,浸出液在相同條件下的pH越大。

表1 改性土三軸試樣浸出液pH

由表2可知,試樣養護齡期、浸泡時間、改性劑摻量均會影響Ca+析出量。不同改性土三軸試樣浸出液中的Ca+含量均隨著浸泡時間的增加而不斷增加;浸泡時間相同的情況下,改性土三軸試樣的養護齡期越長,試樣浸水后析出的Ca+數量越少;改性劑的摻量越高,浸出液中的Ca+含量越高。

2.3 復合改性土三軸試樣浸出液水質分析

在試樣的養護齡期與浸泡時間一致的條件下,比較石灰改性、水泥改性與復合改性3種改性土三軸試樣浸出液pH與Ca+含量的區別。

2.3.1浸出液pH

圖1為2%石灰、4%石灰、2%水泥+2%石灰、4%水泥+4%石灰、2%水泥等5種改性土三軸試樣在相同的養護天數下浸出液的pH。

表2 改性土三軸試樣浸出液EDTA消耗體積

圖1 改性土三軸試樣浸出液pH

圖1(a)為5種改性土三軸試樣在養護齡期為1 d的pH。由圖1(a)可知,每種改性土三軸試樣浸出液的pH均隨著浸泡時間的增加而增大,當浸泡時間達到28 d時最大。2%水泥+2%石灰復合改性土三軸試樣浸出液的pH在相同的浸泡時間下均小于2%石灰改性土三軸試樣浸出液。同樣的,4%水泥+4%石灰復合改性土三軸試樣浸出液pH在相同的條件下也小于4%石灰改性土三軸試樣浸出液,且均具有明顯的差距。水泥改性土三軸試樣浸出液pH在僅浸泡1 d時為所有試樣中最小的,并且隨著浸泡時間的增加,pH增加的幅度也較小,對水質影響也相對較小。

圖1(b)為養護齡期到3 d時各試樣浸出液的pH。在養護齡期與浸泡時間相同的條件下,復合改性土三軸試樣浸水后浸出液的pH遠低于石灰摻量相同的石灰改性土,水泥的摻入有效地降低石灰改性土對浸出液pH的影響。水泥改性土三軸試樣對浸出液pH的影響依舊最小,2%石灰改性土三軸試樣浸出液pH在剛浸入水中至28 d內始終保持著較高的水平,與2%水泥改性土浸出液的pH差值巨大。綜上,水泥的摻入極大降低了浸出液的pH。

圖1(c)( d)分別為養護齡期7 d、28 d時各試樣浸出液pH。水泥改性土三軸試樣在5種試樣中,對浸出液pH影響最小,石灰改性土三軸試樣土浸水后浸出液的pH在浸泡時間相同的條件下,始終保持著較高的水平,復合改性土三軸試樣極為有效地降低了試樣浸出液的pH。

根據圖1可知,當浸泡時間達到7 d時,不同改性土三軸試樣浸出液的pH相較于初始浸泡時有較大幅度的增長,并且增長速率較快;當浸泡時間達到28 d時,不同改性土三軸試樣浸出液的pH變化曲線開始收斂,雖然浸出液pH仍有較小幅度的增長,但增長速率較慢。特別是水泥改性土三軸試樣和復合改性土三軸試樣,當養護齡期達到7 d后,在浸泡時間達到28 d時其浸出液pH幾乎不再增長。

2.3.2復合改性土三軸試樣浸出液Ca+含量

圖2為試樣浸出液Ca+滴定時消耗的EDTA-二鈉標準溶液的體積。當試樣的養護天數為1 d時,石灰改性土三軸試樣浸水后析出Ca+滴定時消耗的EDTA-二鈉標準溶液的體積最多,Ca+含量最大。水泥改性土三軸試樣浸水后析出的Ca+最少,摻入水泥的復合改性土三軸試樣浸水后析出Ca+的總量明顯降低,整體略高于水泥改性土浸出液,可見水泥可以抑制石灰改性土浸水后Ca+的析出。

圖2 改性土三軸試樣浸出液EDTA消耗體積

圖2(b)為養護齡期為3 d的試樣浸水后浸出液Ca+滴定時消耗的EDTA-二鈉標準溶液的體積。水泥改性土三軸試樣始終保持著較低的Ca+析出量。復合改性土三軸試樣析出Ca+的量明顯低于具有相同摻量的石灰改性土三軸試樣,可見水泥對Ca+的析出具有較強的抑制作用,2%水泥+2%石灰復合改性土三軸試樣析出Ca+的量整體仍高于水泥改性土三軸試樣浸出液。

圖2(c)為養護齡期7 d的試樣浸水后浸出液Ca+滴定時消耗的EDTA-二鈉標準溶液的體積,由圖可知2%水泥+2%石灰復合改性土三軸試樣在初始浸泡的1～3 d內所析出Ca+的量低于水泥改性土所析出的Ca+,但隨著浸泡時間的不斷增加,Ca+析出量逐漸超過水泥改性土三軸試樣。

當試樣養護齡期增加至28 d時,2%水泥+2%石灰復合改性土三軸試樣浸水后所析出的Ca+含量在相同浸泡時間內均小于水泥改性土三軸試樣。由此可見,復合改性土養護28 d后再運用于實際工程中,能在保證浸水后完整性的條件下減小Ca+的析出量。

圖3 不同養護齡期2%水泥+2%復合改性土三軸試樣浸水1 d試樣形狀

與pH相同,在改性土三軸試樣初始浸泡的1～7 d內,改性土三軸試樣浸出液的Ca+含量在短期內有較大幅度的增長;當浸泡時間達到7～28 d時,EDTA消耗體積變化曲線逐漸收斂,改性土三軸試樣浸出液Ca+含量雖仍有一定程度的增長,但是增長速率明顯減慢。

2.4 不同養護齡期試樣浸水后完整性

圖3分別為2%水泥+2%石灰復合改性土三軸試樣在養護齡期分別為1 d、3 d、7 d、28 d時浸水1 d時的試樣形狀。由圖3可知,養護齡期僅為1 d的復合改性三軸土試樣浸水1 d時,試樣發生了較大程度的崩解,最外部發生了不同程度的剝落,崩解的顆粒較小,周圍包裹著一層水泥。當養護齡期增加至3 d時,浸水后試樣的崩解程度略小于養護齡期為1 d的試樣,部分保持了浸泡前的形狀,崩解的顆粒變大,周圍包裹的水泥明顯減少。當養護齡期繼續增加至7 d時,試樣的完整性較之前進一步增強,僅在試樣的中間段發生了一定程度的崩解,但未崩解的部分也產生了較大裂痕。當養護齡期到達28 d時,試樣浸水1 d后仍保持完整的形狀,并未發生崩解,具有較強的浸水后完整性。因此，復合改性土三軸試樣的養護齡期增加時,試樣的浸水后完整性也隨之增強。

通過對不同養護齡期試樣浸出液的pH、Ca+析出量以及浸水后完整性分析可知,石灰改性土三軸試樣在剛浸入水中時,對水質的影響程度隨著養護齡期的增加而降低,但當浸泡時間增加時,石灰改性土三軸試樣對水質的影響程度反而隨著養護齡期的增加而增加。水泥改性土三軸試樣具有著較為穩定的性質,其浸水后的pH、Ca+析出量并未隨著養護齡期的增加而出現較大變化。復合改性土三軸試樣在相同的浸泡時間下,養護齡期越高,試樣浸水后對水質的影響越小。石灰改性與復合改性土三軸試樣的浸水穩定性均隨著養護齡期的增加而增強。因此,當復合改性土運用于實際工程中時,對改性土進行28 d養護并防止其與水分的接觸是極其必要的。

3 結 論

a. 復合改性土在養護28 d后,自由膨脹率均降至30%左右,滿足自由膨脹率的改性要求。

b. 改性劑的摻量對于試樣浸水后的水質也具有重要的影響作用,改性劑的摻量越高,改性土三軸試樣浸水后浸出液的pH與Ca+含量也越高,雖然試樣浸水后完整性也有一定的增強,但考慮到盡可能降低對水質的影響,當改性土運用于實際工程中時,盡可能采用較小摻量改性劑的改性土。對于改性土三軸試樣浸泡28 d以后的水體性質變化還需進一步試驗研究。

c. 改性土三軸試樣的養護齡期對于試樣的性質具有極為重要的影響,試樣的養護齡期越長,浸水后的形狀越完整。復合改性試樣浸水后析出的Ca+含量隨著養護齡期的增加而不斷降低,所以在實際工程中,建議增加改性土的養護齡期至28 d,并且在養護齡期內應當杜絕浸泡或流水沖刷,這樣既可以保證改性土的浸水后完整性,又可以降低復合改性土對水質的影響。

d. 水泥的摻入不僅可以降低石灰改性土浸出液的pH,抑制Ca+的析出,并且能夠降低復合改性土中Ca+的析出速率,增強土體的穩定性。復合改性有效解決了水泥改性在實際工程中摻拌的均勻性問題以及石灰改性對水質的影響和浸水后完整性問題,相對經濟與節約,在膨脹土渠道邊坡工程中具有運用可行性。