堿渣膨脹土混合填料路用性能測試

張少波 許斌 高奧東

（1.河北雄安京德高速公路有限公司，北京 100000；2.中路高科（北京）公路技術有限公司，北京 100000）

一、引言

膨脹土在中國分布面積非常廣泛，至少存在25個省份中。膨脹土富含蒙脫石、伊利石等強親水性礦物，具有裂縫、收縮、超固結等特殊工程性質[1]。如果膨脹土含水量發生變化，其體積就會發生變化，進而出現膨脹或收縮裂縫，對公路、鐵路等工程造成破壞，同時，膨脹土引起的危害具有長期性和重復性，膨脹土被稱為“工程癌癥”[2]。因此，如果在膨脹土地區建設項目，膨脹土應通過技術處理，然后用作填料。

膨脹土改性措施很多，例如土壤置換、濕度控制、物理改性和化學改良。不同修改方法有不同原理和特點。近年來，由于環境保護越來越受到人們的重視，學者們開始使用各種固體廢棄物作為膨脹土改良劑，如粉煤灰、高爐礦渣、水泥窯灰、稻殼[3]。

堿渣是堿廠排放的廢渣，我國氨堿法年產堿渣5億噸。因此，它成為堿廠一個急需解決的嚴重問題[10]。堿渣由碳酸鈣、硫酸鈣、氯化鈣等鈣鹽組成，可用作土壤養護材料。

本文針對中等膨脹性膨脹土，分析了堿渣與膨脹土混合填料在不同養護期和不同配比下的膨脹率、抗壓強度、抗剪強度和加州承載比。研究結果將為今后工程實踐提供一些參考。

二、材料

（一）堿渣

在自然狀態下，堿渣呈灰色，非常刺鼻。本文所用堿渣基本物理性質如表1所示。可以看出，堿渣天然含水量、液限、塑限相對較高，但塑性指數較低，不存在膨脹。用多晶X射線熒光光譜儀分析堿渣的化學成分，如表2所示。主要陽離子為Ca2+、Na+、Mg2+，主要成分為CaO。其PH值為8.9，呈弱堿性。

表1 堿渣的物理性質

（二）膨脹土

根據《公路工程土壤試驗方法》（JTG E40-2007）[13]對膨脹土進行了顆粒組成、極限含水量、壓實特性和自由膨脹率試驗。由此可以得出結論，膨脹土具有中等膨脹潛力。膨脹土化學成分也通過XRF進行了測試，如表2所示。其主要成分為SiO2和Al2O3。

三、試驗方案

（一）摻配比率

本文中摻配比率是堿渣與膨脹土的干質量比。考慮到樣品操作可行性和方便性，混合率設計為0%、10%、20%、30%、40%和50%。

表2 堿渣和膨脹土的化學成分

（二）測試方法

為獲得堿渣與膨脹土混合填料路用性能，進行膨脹試驗、無側限抗壓強度試驗、直剪試驗和CBR試驗。所有試驗方法參照《公路工程土壤試驗方法》標準。

（三）試驗程序

1.堿渣和膨脹土經干燥、篩分后，按設計配比混合均勻。然后加水攪拌混合物，并將其放入密封袋中燉24小時。

2.通過自制樣品制備裝置[14]，可以使用靜壓法將一定量的混合物壓實成標準樣品。檢查樣品表面粗糙度和高度是否符合要求。壓實度選擇為95%。

3.樣品放置在溫度為20±3℃，濕度大于95%的標準養護箱中。養護時間設定為0天、7天、14天、28天。

4.當達到特定固化時間時，取出樣品，進行兩組平行試驗，包括膨脹試驗、無側限抗壓強度試驗、直剪試驗和CBR試驗。

四、結果和討論

（一）膨脹率

膨脹土膨脹率是膨脹變形關鍵指標。摻堿渣后膨脹土無壓膨脹率如圖1所示。結果表明，隨著摻配比率降低，無壓膨脹率顯著降低。當摻配比率達到20%時，無壓溶脹率從15.7%降至3.2%。此外，通過觀察混合料膨脹過程，發現當水飽和時，膨脹在前10小時迅速增加，然后變得緩慢，50小時后基本完成。

圖1 無壓膨脹率隨摻配比率的變化圖

選擇混合率為20%的樣品進行膨脹試驗，固化時間分別為0天、7天、14天、28天，結果如圖2所示。結果表明，隨著養護時間增加，膨脹率顯著降低。養護7天，無壓膨脹率降至0.9%，養護28天，混合物完全消除了膨脹。

圖2 無壓膨脹率隨養護時間的變化圖

（二）無側限抗壓強度

圖3 無側限抗壓強度隨摻配比率的變化圖

添加堿渣對混合填料無側限抗壓強度影響，如圖3所示。可以觀察到堿渣對無側限抗壓強度有明顯影響。隨著摻配比率增加，無側限抗壓強度逐漸增加，在摻配比率達到30%后，增加速率趨于穩定。這表明，堿渣含量越高，無側限抗壓強度不一定越高。當混合率超過30%時，過多堿渣相當于增加其自身非黏性成分。

如圖4所示，養護時間分別為0天、7天、14天、28天時，混合率為20%的樣品無側限抗壓強度，凝結時間越長，無側限抗壓強度值越高。7天后，無側限抗壓強度增加到817.5kPa，14天后達到940.5kPa，是原始狀態的兩倍。超過14天后，隨著凝結時間變化，無側限抗壓強度沒有顯著提高，這表明隨著養護齡期的增加，堿渣對穩定土上部強度貢獻不大。

圖4 無側限抗壓強度隨養護時間的變化圖

（三）抗剪強度

通過直剪試驗測試的抗剪強度指數如圖5 所示。可以發現，隨著堿渣含量增加，黏聚力（C）先增加后降低，并在摻配比率為30%時達到峰值。未處理土壤的黏聚力為30.19kPa，而摻配比率為30%時的最大黏聚力為104.73kPa，增加235.7%。主要原因是堿渣與膨脹土發生化學反應，生成新的復合物，提高了土壤的密度。內摩擦角（φ）隨摻配比率增加變化不大，在25°和29°之間保持穩定。這是由于膨脹土顆粒和改良土顆粒摩擦力大致相等。

（四）加州承載比（CBR）

圖5 抗剪強度指數隨摻配比率的變化圖

圖6 CBR隨摻配比率的變化圖

圖7 CBR隨養護時間的變化圖

CBR用于評估路基材料承載力和抗變形能力。在路基施工中，它是一個非常重要的指標。如圖6所示，顯示了混合填料CBR值隨堿渣的變化。從圖中可以看出，原膨脹土CBR小于8%，因此原膨脹土不能直接用于公路路基。堿渣改良后，CBR值大大提高，完全滿足公路路基路堤填筑要求。例如，當混合率為30%時，CBR值達到33.6%。此外，凝結時間對混合填料的CBR值有顯著影響。凝結時間越長，CBR越高。固化14天后，與未經處理的樣品相比，CBR增加了125.6%，28天后增加了162.3%。

五、結語

通過一系列室內試驗，對工業堿渣-膨脹土混合填料的路用性能進行綜合研究。研究結論如下：

1.堿渣-膨脹土混合料無壓膨脹率隨摻量增加而顯著降低。然而，當摻配比率超過20%時，溶脹率變化不大。溶脹速率與摻配比率呈負指數關系。同時，養護時間對膨脹率有明顯影響。養護7天，無壓膨脹率降至0.9%，養護28天，混合物完全消除了膨脹。

2.堿渣膨脹土混合料無側限抗壓強度隨混合比的增大而增大。當混合比超過30%時，無側限抗壓強度變化很小。此外，養護時間對無側限抗壓強度也有顯著影響，如養護14天試樣的無側限抗壓強度是未養護試樣的兩倍。養護時間越長，無側限抗壓強度越高。

3.堿渣膨脹土混合料的粘聚力隨混合比的增大先增大后減小。當摻量為30%時，粘聚力達到峰值，是未處理膨脹土的三倍。內摩擦角隨摻配比率增加變化不大，在25°～29°之間保持穩定。

4.堿渣膨脹土混合料的CBR值隨摻量和凝結時間的增加而增加。固化14天后，與未經處理的樣品相比，CBR增加125.6%，28天后增加162.3%。