工業堿渣改良云南典型膨脹土的膨脹特性試驗

孫孝海， 謝建斌， 陳 偉， 趙一錦， 江 勝， 劉道炎

(1. 云南大學 建筑與規劃學院， 云南 昆明 650000； 2. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河 065200)

膨脹土的分布范圍十分廣泛，分布在40多個國家,其中我國膨脹土的覆蓋總面積超過10萬km2.膨脹土由蒙脫石、伊利石和高嶺石等礦物構成，因具有特殊的發育孔隙和裂隙結構等微結構特征,使得膨脹土遇水膨脹、失水皺縮，這種反復漲縮特性對地基、地坪、地下室、隧道和房屋建筑等土木工程建筑的穩固造成巨大危害.商擁輝等[1]、李朝輝等[2]、楊俊等[3]、王文良等[4]和趙紅華等[5]通過室內試驗，證實了石灰對膨脹土的強度、脹縮性、無側限抗壓強度等具有明顯的影響.莊心善等[6]、李儒天[7]和蘭常玉等[8]通過動三軸試驗和無側限抗壓試驗，分析了粉煤灰對膨脹土的動強度、抗壓強度等的影響規律.陳永青等[9]、曾娟娟等[10-11]和文暢平等[12]利用生物酶顯著提高了膨脹土的力學性能.除了上述應用較多的改性材料，董柏林等[13]、安愛軍等[14]和鄧友生等[15]通過在膨脹土中加入碎石、石灰-火山灰、聚丙烯纖維和風化砂，對膨脹土進行改良研究.

工業堿渣是一種使用氨堿法制堿而產生的工業廢料.氨堿法生產一噸純堿，會產生約10 m3的廢液，其中含廢渣300～600 kg.這些廢棄堿渣的堆放不僅占用大片土地，還會對環境和水體造成污染.但是堿渣中含有許多鈣離子，可以作為改良膨脹土的有效成分.工業堿渣能有效降低膨脹土的膨脹性質.

為此，針對云南典型膨脹土，通過摻工業堿渣和水泥改良膨脹土的對比試驗，探討工業堿渣改良云南典型膨脹土的可行性，提出摻工業堿渣改良膨脹土的具體措施及方案.

1 試 驗

1.1 試驗材料

本試驗用土取云南省蒙自市文瀾鎮上海路路段，取土深度約為1.5～2.0 m，混雜少許鈣質結核及隧石.云南蒙自典型膨脹土的自由膨脹率71.0%，天然含水率23.5%，液限64.8%，塑限23.2%，內摩擦角13.31°，黏聚力6.98 kPa.

通過SEM電鏡掃描試驗、XRD定料分析試驗，對云南蒙自典型膨脹土的礦物含量進行分析，其中主要成分蒙脫石、伊利石、高嶺石、長石和石英的質量分數分別21.74%，10.14%，42.88%，8.77%及16.35%.根據GB 50112—2013《膨脹土地區建筑技術規范》，可以判定云南典型膨脹土屬于中膨脹潛勢的膨脹土.

通過XRF化學全元素分析試驗，可得到膨脹土主要化合物質量分數，其中SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaCO3，CaO，K2O，MgO，TiO2，MnO，Na2O的質量分數分別為20.53%，12.20%，14.47%，35.81%，10.51%，0.61%，0.92%，1.01%，1.31%和2.63%.由此可知，云南典型膨脹土中SiO2，Al2O3和Fe2O3等3種氧化物的質量分數達到47.20%.

工業堿渣的主要成份為CaSO3，CaCO4，CaCl2和CaO等鈣鹽，大量的Ca2+是工業堿渣可以作為改良膨脹土的基礎.水泥是常用的改良膨脹土材料.

1.2 試驗方案

1) 對不同摻量的水泥(摻量分別為2%，4%，6%，8%，10%)、工業堿渣(摻量分別為10%，20%，30%，40%，50%)和水泥(摻量分別為2%，4%，6%，8%，10%)+工業堿渣(摻量分別為10%，20%，30%，40%，50%)改性膨脹土和素膨脹土，利用鐵支架、無頸漏斗、量土杯及量筒等組成的膨脹率測試設備，進行自由膨脹率測試對比試驗.

2) 探討等級壓力分別為12.5，25.0，50.0，100.0，200.0和400.0 kPa時，進行不同摻量水泥、工業堿渣和水泥+工業堿渣改性土交叉試驗，利用杠桿式固結儀進行脹縮位移和膨脹力的測定試驗.

3) 當垂直壓力分別為100，200，300和400 kPa時，進行不同摻量水泥、工業堿渣和水泥+工業堿渣改性土的抗剪強度對比試驗.本次試驗所需儀器為單聯直剪儀.

4) 為了便于比較摻料的不同摻量對改良膨脹土的影響效果，將3種改性土劃分為5個等級，其中等級1為水泥、工業堿渣以及水泥+工業堿渣中水泥和工業堿渣的摻量分別為2%和10%；等級2中水泥和工業堿渣的摻量分別為4%和20%；等級3中水泥和工業堿渣的摻量分別為6%和30%；等級4中水泥和工業堿渣的摻量分別為8%和40%；等級5中水泥和工業堿渣的摻量分別為10%和50%.

2 結果與分析

2.1 膨脹率對比試驗

分別制備5種摻量的水泥、工業堿渣和水泥+工業堿渣混合料，共計15組改性土和1組素膨脹土.為降低試驗誤差，每個土樣各制備兩份，共32組土樣.利用自制儀器，進行不同摻量改性土的自由膨脹率對比試驗，結果如表1所示.

表1 素膨脹土和改性膨脹土自由膨脹率統計表 %

由表1可知，3種摻料均對云南典型膨脹土的自由膨脹率有明顯抑制效果.這是由于3種改性材料中高價陽離子Ca2+，Al3+和Fe3+等與膨脹土中的低價離子Na+和K+等進行了交換，減小了結合水膜厚度，土顆粒之間的間距變小，使得膨脹土的膨脹率變小.云南典型膨脹土的自由膨脹率約為71.0%，工業堿渣摻量為30%時，自由膨脹率僅為5.0%；水泥摻量為6%時，自由膨脹率約為6.5%；水泥+工業堿渣中水泥和工業堿渣的摻量分別為6%和30%時，自由膨脹率約為10.5%.

分析工業堿渣、水泥和水泥+工業堿渣在最佳摻量時的最小自由膨脹率可知，工業堿渣約是水泥的0.77倍，是水泥+工業堿渣的0.48倍.因此，本次膨脹土自由率試驗研究表明，工業堿渣相對于傳統的膨脹土改良材料—水泥而言，具有更為明顯的效果.

2.2 脹縮位移交叉試驗

施加壓力分別為12.5，25.0，50.0，100.0，200.0和400.0 kPa時，改性土因膨脹力顯著減小，脹縮位移連續出現兩次負值，即停止施壓.施加第1級壓力后，立即向水槽中注水，直至淹沒土樣；施加壓力后，分別按照施加時間1，2，4，8，12，16，20和24 h讀取百分表數值，以最后穩定的數值作為土樣高度變化值.不同摻量的改性膨脹土及素膨脹土在不同壓力荷載下的脹縮位移曲線如圖1-3所示.其中w(水泥)和w(工業堿渣)分別為水泥和工業堿渣的摻量.

圖1 壓力荷載與水泥改性土脹縮位移關系

由圖1可知，水泥對脹縮位移有一定影響.同一摻量膨脹土的脹縮位移隨著壓力荷載的增大而減小，說明膨脹土孔隙率隨壓力荷載增加而逐漸減??；相同壓力荷載下，脹縮位移隨著摻量的增加而減小.壓力荷載為12.5 kPa時，素膨脹土和摻量分別為2%，4%，6%，8%，10%水泥改性土的脹縮位移分別為1.12，0.75，0.45，0.27，0.26和0.25 mm，其中摻量10%水泥改性土的脹縮位移約為素膨脹土的0.22倍，約為摻量2%水泥改性土的0.33倍，說明膨脹土的固化已經足夠，如果繼續加大摻量，反而使膨脹土過度收縮，甚至產生裂縫.素膨脹土和摻量2%，4%，6%，8%，10%水泥改性土在壓力荷載分別為240，75，50，42，42，42 kPa時，脹縮位移為0；10%水泥改性土的膨脹力約為素膨脹土的0.18倍，約為2%水泥改性土的0.55倍.摻量為6%，8%和10%水泥改性土的脹縮位移曲線變化基本一致，說明最佳水泥摻量為6%.

圖2 壓力荷載與工業堿渣改性土脹縮位移關系

由圖2可知，工業堿渣對脹縮位移有明顯影響.壓力荷載為12.5 kPa時，素膨脹土和摻量分別為10%，20%，30%，40%，50%工業堿渣改性土的脹縮位移依次為1.12，0.20，0.11，0.04，0.04和0.04 mm，摻量50%的工業堿渣改性土的脹縮位移約為素膨脹土的0.04倍，約為摻量10%改性土的0.15倍；這6種膨脹土在壓力荷載分別為240，25，20，12，12和12 kPa時脹縮位移為0，且摻量50%工業堿渣改性土的膨脹力約為素膨脹土的0.05倍，約為10%改性土的0.48倍.摻量為30%，40%和50%工業堿渣改性土脹縮位移，隨壓力荷載的變化曲線相差較小，說明工業堿渣的最佳摻量為30%.

圖3 壓力荷載與水泥+工業堿渣改性土脹縮位移關系

由圖2,3可知，水泥+工業堿渣改性土的脹縮位移曲線與水泥改性土基本一致.壓力荷載為12.5 kPa時，10%水泥+50%堿渣改性土的脹縮位移約為素膨脹土的0.24倍，約為2%水泥+10%堿渣的0.42倍；當膨脹土脹縮位移為0時，10%水泥+50%堿渣改性土的膨脹力約為素膨脹土的0.18倍，約為2%水泥+10%堿渣改性土的0.28倍.6%水泥+30%堿渣、8%水泥+40%堿渣、10%水泥+50%堿渣的改性土隨壓力荷載的變化曲線相差較小，說明改性土中水泥和堿渣的最佳摻量分別為6%和 30%.

綜上，相對于素膨脹土，3種改性材料均可以有效抑制膨脹土的脹縮位移，較小壓力下可實現脹縮位移為0.工業堿渣最佳摻量為30%，此時對抑制膨脹土的脹縮最顯著，這對路基、地基和邊坡等依靠重力形式抑制膨脹土變形的基建工程具有重大意義.

2.3 膨脹力對比試驗

膨脹反壓法是指為了保持試樣體積不變而施加的平衡荷載.利用膨脹反壓法對素膨脹土、不同摻料和不同摻量改性土進行一維固結試驗，測各土樣膨脹力.不同摻量下,水泥、工業堿渣及水泥+工業堿渣改性土的膨脹力隨摻量變化關系曲線如圖4所示.

由圖4可知，3種改性材料的膨脹力曲線變化相似，隨著摻量的增加，膨脹力逐漸減小，說明摻量和被置換出親水性黏粒數量呈正比例關系.工業堿渣抑制膨脹力的效果最明顯，阻礙膨脹土吸水膨脹變形，此時工業堿渣會對黏土顆粒產生一定的阻力，故改性土的膨脹力隨著摻量的增加而大大減小.

圖4 改性土膨脹力與摻量關系曲線

由圖4還可知，改性土等級為0～1時，膨脹力變化幅度最大，等級大于3時，膨脹力基本不變；水泥改性土、水泥+工業堿渣改性土隨著等級變化的膨脹力曲線基本重合，工業堿渣膨脹力曲線在等級大于3時與其余兩條曲線大致平行，說明3種摻料改性土的最佳改性土等級為3，此時改性土中的水泥和工業堿渣的摻量分別為6%和30%，且水泥將云南蒙自典型膨脹土的膨脹力從240 kPa降低到45 kPa，工業堿渣將膨脹力降低到15 kPa，水泥+工業堿渣將膨脹力降低到40 kPa.

在最佳摻量下，工業堿渣的最小膨脹力僅為水泥的0.33倍，為水泥+工業堿渣的0.38倍.云南蒙自典型膨脹土均對3種改性材料的敏感性較強，且隨著摻量的增加，敏感度放緩.

2.4 抗剪強度對比試驗

土的抗剪強度表示土能夠承受而不發生剪切破壞的最大剪應力.本試驗通過單聯直剪儀進行固結快剪試驗，最后根據庫倫定理計算土的抗剪強度參數，即黏聚力和內摩擦角.改性土的黏聚力和內摩擦角與摻量的關系曲線如圖5，6所示.

圖5 改性土黏聚力與摻量關系曲線

由圖5可知，水泥改性土和水泥+工業堿渣改性土的黏聚力曲線變化趨勢相似.改性土等級為1，2時，黏聚力基本保持不變；等級從2增加到3時，曲線斜率最大；等級大于3時，黏聚力隨著摻量的增加呈緩慢變化；工業堿渣的黏聚力曲線總體上呈倒V形狀，等級為3時，黏聚力達到最大值，此時摻量為30%.

云南蒙自典型膨脹土黏聚力為6.98 kPa.水泥摻量為8%(改性土等級4)時，黏聚力為97.00 kPa，增大約14倍；工業堿渣摻量為30%時，黏聚力為190.00 kPa，增大約27倍，水泥+工業堿渣中水泥和工業堿渣摻量分別為8%和40%(等級4)時，黏聚力為86.00 kPa，增大約12倍.可見，工業堿渣對提升云南蒙自典型膨脹土的黏聚力效果優于水泥和水泥+工業堿渣.

圖6 改性土內摩擦角與摻量關系曲線

由圖6可知：工業堿渣改性土內摩擦角曲線高于水泥和水泥+工業堿渣；在等級為1～4時，工業堿渣內摩擦角隨著摻量增加而增大；等級為4時，摻量為40%，內摩擦角最大.水泥和水泥+工業堿渣曲線變化相似，且水泥改性土在等級從4增大到5時，內摩擦角變化不大，故認為內摩擦角在等級為4時最大，此時摻量8%；水泥+工業堿渣改性土在等級為5，即其中水泥和工業堿渣摻量分別為10%和50%時，內摩擦角最大.

云南蒙自典型膨脹土內摩擦角為13.31°.水泥改性土在摻量為8%時，內摩擦角為30.00°；工業堿渣改性土在摻量為40%時，內摩擦角為46.00°；水泥+工業堿渣改性土中水泥和工業堿渣摻量分別為10%和50%時，內摩擦角為24.00°.可見3種摻量的改性土內摩擦角分別增大了約2.3，4.0和1.8倍.工業堿渣對膨脹土內摩擦角的影響遠大于水泥和水泥+工業堿渣，在最佳摻量為40%時，內摩擦角達到最大值.

綜上，工業堿渣對云南蒙自典型膨脹土抗剪強度改良效果最佳，遠優于水泥.工業堿渣摻量為30%時，工業堿渣改性土黏聚力和內摩擦角分別為190.00 kPa和40.00°；工業堿渣摻量為40%時，黏聚力和內摩擦角分別為175.00 kPa和46.00°，均遠大于云南蒙自典型膨脹土的黏聚力(6.98 kPa)和內摩擦角(13.31°).

3 結 論

1) 不同摻量水泥、工業堿渣和水泥+工業堿渣均對云南蒙自典型膨脹土的自由膨脹率有一定的抑制效果.同一摻量時，工業堿渣對膨脹土自由膨脹率抑制效果最好，當其摻量為30%時，抑制效果最佳，自由膨脹率僅為5.0%，遠低于云南蒙自典型膨脹土的自由膨脹率71.0%.

2) 云南蒙自典型膨脹土在3種改性摻料的作用下，脹縮位移均在較小壓力荷載下快速變為0，甚至被壓縮.在脹縮位移試驗中，工業堿渣、水泥及水泥+工業堿渣改性膨脹土中工業堿渣和水泥最佳摻量分別為30%和6%.

3) 工業堿渣在摻量為30%時，改性土膨脹力僅為15 kPa，遠小于云南蒙自典型膨脹土的膨脹力240 kPa，僅為摻量6%水泥改性土膨脹力的0.33倍；當工業堿渣摻量超過30%時，改良效果沒有明顯變化.

4) 不同摻料及摻量明顯影響云南蒙自典型膨脹土的抗剪強度參數，即黏聚力和內摩擦角.工業堿渣改良效果強于水泥和水泥+工業堿渣.當工業堿渣摻量為30%時，黏聚力最大值為190.00 kPa；摻量為40%時，內摩擦角峰值為46.00°.

5) 綜合考慮各試驗數據，得出工業堿渣改良膨脹土的最佳摻量為30%～40%.