高速公路膨脹土邊坡化學改良試驗研究

張偉剛，王瑞虎，朱經亮，朱明楊

（1蘇交科集團股份有限公司,江蘇南京210019；2華設設計集團股份有限公司,江蘇南京210014）

膨脹土被認為是影響工程安全性最具威脅性的因素之一,膨脹土主要由強親水性粘土礦物(蒙脫石)組成,它能通過控制土體中的水分變化而產生脹縮行為,這種行為會對高速公路膨脹土邊坡穩定性造成威脅甚至破壞[1-2]。工程建設中膨脹土要么需要開挖和更換,要么需要改變其性質以滿足具體的工程要求,但是前者工作量大,經濟成本高,因此,通過化學改良增強膨脹土的穩定性是研究者們研究的熱點[3-4]。

通過前人的研究及工程實踐,目前常用的幾種典型膨脹土穩定劑有熟石灰、硅酸鹽水泥、瀝青和石油磺酸鹽等,其中,熟石灰是全球最常用的穩定劑,因為它與粘土礦物具有更好的和易性[5-6],并且石灰在水環境下會導致周圍環境pH值升高并分解粘土顆粒,產生SiO32-和Al3+離子等,它們與Ca2+離子等反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝產物,使得土體的強度有所增加[7-8]。但是,目前常用的穩定劑普遍存在經濟成本高等問題,因此,尋找一種綜合的、低成本的穩定劑,如可行的工業廢料,具有重要的意義。

木質素磺酸鹽(S)是一種以木質素為基礎的有機聚合物,是造紙加工工業的廢棄副產物,處理不當會對環境造成嚴重問題,此外,作為世界上最大的造紙國家,木質素磺酸鹽在中國擁有豐富的資源[9-10]。因此,本文研究利用木質素磺酸鹽作為穩定劑改善膨脹土的巖土性能的可行性。以往的研究僅通過木質素磺酸鹽改善不同土壤的各種土工性質,且這些研究主要集中在粉砂質土、粉砂質粘性土和低塑性粘土,關于膨脹土的研究很少[11-13]。研究表明木質素磺酸鹽改善土壤性質主要是通過物理作用[14],為了更好地改善膨脹土性質,本研究擬使用熟石灰（M）和木質素磺酸鹽作為復合穩定劑,從而增強高速公路膨脹土邊坡穩定性。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本研究使用的膨脹土取自河南省南陽市某高速公路邊坡,對其進行XRD測試,得到其主要礦物成分如圖1所示,結果表明,膨脹土中黏土礦物平均占51%,即蒙脫石(47%)、伊利石(4%)和其他非黏土礦物如微斜長石(4%)、鈉長石(7%)和石英(38%),其化學成分見表1。經過室內試驗測定了該膨脹土的基礎巖土特性,即土的液限為61.8%,塑性指數為39.7%,土壤的自由膨脹指數為85%,土壤活度為1.85。木質素磺酸鹽取自河南省新鄉新亞紙業,其XRD譜圖顯示其為無定形性質；熟石灰中Ca(OH)2含量達84%。

圖1 膨脹土XRD測試結果Fig. 1 XRD test results of expansive soil

1.2 試驗方案及方法

首先通過塑性指數（PI）對復合穩定劑的最佳比例進行優選,PI值越低,土體的收縮/膨脹行為越低。復合穩定劑的不同組合形式m見表2,每種組合的摻量從0到6%,最后根據PI值最小確定復合穩定劑最佳配合比及摻量。為了探究木質素磺酸鹽和熟石灰改善膨脹土的作用機理,在確定復合穩定劑最佳配合比及摻量的基礎之上,通過控制變量法改變單一物質的摻量進行進一步測試,對處理后膨脹土的各種巖土特性,如塑性、膨脹和收縮特性、導水性和強度特性進行了評估。

采用錐形貫入儀進行膨脹土的塑性試驗(GB/T 50123-1999)；采用自由膨脹指數試驗(GB 50112-2013)來評估土壤的膨脹行為；根據標準AS 1289-2001對膨脹土進行了線性收縮試驗,以評估土壤樣品的收縮行為；采用無側限抗壓強度評價土樣的力學性能(GB/T 50123- 1999),土樣在95%的最大干密度下被壓實在一個內徑為50 mm、高度為100 mm的圓形模具中,分三層均勻壓實；通過XRD和SEM測試膨脹土的礦物成分和微觀結構變化。

2 試驗結果分析

2.1 穩定劑對塑性指數的影響

塑性指標是土體的主要物理性質之一,它直接反映了土體的體積變化特性。因此,通過塑性指數來判斷不同配比復合穩定劑及其摻量對膨脹土的影響,結果如圖2所示。從圖中可以看出,M、S和復合穩定劑等各種摻合料在一定程度上均能降低膨脹土的塑性指數,且當M：S為3：1的復合添加劑摻量為膨脹土質量的3.5%時,即M摻量為2.625%,S摻量為0.875%時改良膨脹土的塑性指數最低,說明該配比及摻量為最優。這是由于外加劑與粘土礦物的相互作用和化學反應,雙擴散層厚度降低,土壤團聚體減少,從而導致了細小的粘土顆粒減少,最終導致塑性降低[15]。

圖2 不同配比穩定劑對膨脹土塑性指數的影響Fig. 2 Influence of different proportion of stabilizer on plastic index of expansive soil

2.2 穩定劑對自由膨脹指數的影響

自由膨脹指數是控制膨脹土體積變化的一個重要臨界性質。圖3顯示了不同配比穩定劑對膨脹土養護7天后自由膨脹指數的影響。從圖3可以看出,M、S和復合穩定劑等各種摻合料在一定程度上均能降低土壤的自由膨脹指數,此外,當S百分比從0.5%增加到1.0%以及M百分比從2%增加到6%時,改良膨脹土自由膨脹指數急劇降低,當S及M百分比超過1.0%和6%后,改良膨脹土自由膨脹指數變化趨勢顯著降低。總體而言,復合穩定劑顯著降低了膨脹土的膨脹指數,且優于S和M單獨作用時。

圖3 不同配比穩定劑對膨脹土自由膨脹指數的影響Fig. 3 Influence of different proportion of stabilizer on free expansion index of expansive soil

2.3 穩定劑對線性收縮的影響

線性收縮是土體的一個重要特征,是土體干裂的重要標志,主要影響土體的各種力學和水力特性（抗剪強度、滲透性等）。圖4顯示了不同配比穩定劑對膨脹土養護7天后線性收縮的影響。

圖4 不同配比穩定劑對膨脹土線性收縮的影響Fig. 4 Effects of different proportion of stabilizer on linear shrinkage of expansive soil

從圖4可以看出,M、S和復合穩定劑等各種摻合料在一定程度上均能降低土壤的線性收縮率。且效果最為明顯的摻量區間為S百分比從0.5%到1.0%,M百分比從2%到6%。復合穩定劑對膨脹土的補償效果優于M、S單獨摻合料。OBA外加劑的優良性能主要是由于S和M的共同作用使土壤顆粒具有更好的絮凝性能。

2.4 穩定劑對抗壓強度的影響

無側限抗壓強度試驗可以了解土的基礎力學特性。圖5顯示了不同配比穩定劑對膨脹土養護28天后線性收縮的影響。從圖5可以看出,未處理土的無側限抗壓強度值為233.15kPa。隨著復合穩定劑的改性,膨脹土的強度均有所增長,在M摻量一定的情況下,隨著S摻量從0增加到2%,膨脹土的強度呈現出先增大后降低的趨勢,強度最大時S摻量為1%；在S摻量一定的情況下,隨著M摻量從0增加到10%,膨脹土的強度呈現逐漸增大的趨勢,且當摻量超過6%時膨脹土的強度變化值較小。由此可以推斷,與S或者M單獨作用相比,M與S耦合作用可以顯著提高膨脹土的強度,這是因為復合穩定劑更有利于土體形成更完整的結構。

圖5 不同配比穩定劑對膨脹土抗壓強度的影響Fig. 5 Influence of stabilizer with different proportions on compressive strength of expansive soil

3 改良機理分析

3.1 XRD分析

圖6為不同穩定劑處理后膨脹土的XRD測試結果。經過與圖1進行對比發現,對于只加入S穩定劑的樣品而言,測試結果表明衍射圖中石英等物質的峰強度有所降低,并有輕微的位移。物質峰值強度的降低可歸因于反射礦物中晶粒的平均尺寸減小,說明S穩定劑的非晶性對蒙脫石等礦物的結晶過程起了重要作用。同時,衍射圖上沒有新峰的出現,說明S穩定劑與土壤礦物之間主要存在分子間相互作用,而不是化學反應；對于加入S和M復合穩定劑的樣品而言,測試結果表明衍射圖中未出現明顯的膠凝化合物衍射峰,只產生了方解石一種新的礦物成分,但是石英等物質的峰強度有所降低,粘土礦物峰的減少可歸因于S穩定性劑的非晶性以及石灰與這些粘土礦物的反應導致其結構的破壞。

圖6 不同配比穩定劑改良膨脹土XRD測試結果Fig. 6 XRD test results of expansive soil modified with different proportions of stabilizer

3.2 SEM分析

圖7為不同穩定劑處理后膨脹土的微觀結構測試結果。從圖7可以看出,未經穩定劑處理的原始膨脹土微觀結構較為粗糙,粘土顆粒成團現象明顯,微觀結構具有較為明顯的裂紋,因此原始膨脹土體的穩定性較差；經過1% S穩定劑處理后的膨脹土SEM顯微圖顯示,微觀結構粗糙程度和裂紋數量有所下降,膨脹土顆粒聚集形成大團簇,這些聚類形成了較厚的土基質,強度值的增加與大團簇聚集體的形成有關,大團簇聚集體提供了抗施加應力的穩定土壤結構；而經過1% S和6% M復合穩定劑處理過的土壤產生絮凝現象,裂隙數量顯著降低,形成穩定的結構,具有平整的結構和較強的粘結性,從而改善膨脹土的強度特性。因此,這些微觀結構分析為上述已獲得的試驗結果提供了較好的機理論證。

圖7 不同配比穩定劑改良膨脹土微觀結構測試結果Fig. 7 Microstructure test results of expansive soil improved by different ratio of stabilizer

4 結論

本文通過室內試驗研究了木質素磺酸鹽(S)、熟石灰(M)和兩者的組合穩定劑處理膨脹土的相關巖土特性,并通過XRD和SEM研究了膨脹土的礦物成分和微觀結構變化,以了解其穩定機理。根據試驗結果,得出以下結論：

（1）根據改良膨脹土的塑性指數得出復合穩定劑的最優摻量為膨脹土質量的3.5%,復合穩定劑中M與S質量比為3：1,且復合穩定劑對膨脹土的塑性、膨脹特性和線性收縮性能改善效果優于單一穩定劑的改良效果。

（2）復合穩定劑對改善膨脹土的強度特性有較好的效果,與單一穩定劑相比,不同復合穩定劑配比下改良膨脹土的無側限抗壓強度均有明顯提高。

（3）XRD分析結果表明,由于S穩定劑的非晶性,S改良膨脹土的粘土礦物峰值強度降低,而M的加入會導致粘土礦物結構的破壞。SEM測試結果表明復合穩定劑能使膨脹土形成更穩定的團聚體和強粘結的土壤團聚體。