白泥改良膨脹土液塑限和膨脹力試驗探究

劉萬林, 張 芹, 盧有謙, 吳廣水, 于海浩

（1. 廣西巖土力學與工程重點實驗室 桂林理工大學, 廣西 桂林 541004;2. 廣西交科集團有限公司, 廣西 南寧 530007）

膨脹土是一種水敏性極高的黏性土,隨著含水率的改變會反復發生膨脹或收縮,引發公路、鐵路路基開裂,邊坡失穩,建筑物地基不均勻沉降等工程事故[1],因此研究如何降低膨脹土的脹縮能力具有重大工程意義。 土體改良是治理膨脹土的有效方法,圍繞這一研究熱點,學者們嘗試了不同的改良劑和改良方法,按照改良機制可分為化學改良法和物理改良法。 常用的改良劑有石灰、水泥、工業堿渣、纖維等。 Soltani 等[2]進行了石灰-水泥改良膨脹土（化學方法） 與聚合物纖維改良膨脹土（物理方法） 的對比,發現化學方法處理的效果更為顯著。 孫孝海等[3]采用水泥、工業堿渣改良膨脹土,發現工業堿渣摻比為10%時對液塑限的影響最顯著。 Viswanadham 等[4]采用聚丙烯纖維改良膨脹土,得出纖維摻量為0.25%和0.5%時,能最大限度降低膨脹勢和膨脹力。 根據黏土礦物在微觀上的層狀結構特點,Wiratama 等[5]采取植入鋁、鐵陽離子并配合煅燒的辦法提高黏土礦物的結構穩定性,使膨脹土的膨脹性降低了50%。 Hu 等[6]采用PEA-230 溶液處理納基蒙脫石和膨脹土,以成分單一的納基蒙脫石為對照,通過Zeta 電位、XRD、SEM 等測試手段發現,PEA-230 溶液能夠有效降低膨脹土的膨脹性。

采用非木材料制漿造紙的工廠在堿回收過程中,會產生大量白色固體廢料,即造紙白泥,其主要成分為碳酸鈣。 白泥中含有過量的堿性成分,pH 值為9.7～13.5[7-8],屬于一般固體廢料[9]。 據估計,每生產1 t 紙漿就會產生0.47 m3白泥[10]。 根據中國造紙協會的統計[11],2011—2020 年中國非木紙漿產量從1 240 萬 t逐年降至525 萬 t。 據此推算,造紙白泥的年排放量驚人。 造紙白泥通常采用填埋或堆放方式處理[12-13],造成了土地資源的大量浪費和環境的嚴重污染,因此必須采取合理的方式來處理。 白泥中含有大量的碳酸鈣和金屬離子,根據膨脹土的特性,認為白泥可作為改良膨脹土的材料。

本研究以南陽膨脹土為研究對象,通過液塑限和膨脹力這兩個參數進行相互驗證,探究了不同摻量的白泥對膨脹土的改良效果,并分析了其改良機制。 研究結論對膨脹土改良的理論研究、相關巖土工程問題的解決及白泥固廢利用均有參考意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

試驗所用造紙白泥取自廣西賀州某白泥尾礦庫,膨脹土為南陽膨脹土。 圖1 為原料的掃描電鏡照片,可見膨脹土中黏土顆粒為薄片層狀堆疊體,白泥顆粒棱角分明,團簇狀聚集。 對原料進行基本的物理性質試驗,各項指標如表1 所示。 采用1 ∶2的土水質量比測得白泥的pH 值為9.9,呈堿性。 南陽膨脹土液限為73.4%,塑性指數為41.1,在塑性分布圖上位于A 線以上,屬于高液塑限黏土,其自由膨脹率為65%,可判定為一種中膨脹性黏土。

表1 膨脹土和造紙白泥的基本物理性質Tab.1 Foundamental physical properties of expansive soil and white mud

圖1 原料的掃描電鏡照片Fig.1 SEM images of materials

圖2 為原料的顆粒級配曲線,以0.005 mm 作為黏粒的界限粒徑,膨脹土中黏粒占80%、粉粒占19%、砂粒占1%,而白泥中黏粒占25%、粉粒占72%、砂粒占3%。 進行X 射線衍射試驗,分析原料的礦物成分,結果如圖3 所示。 白泥的礦物成分主要為方解石,這是制漿造紙廠堿回收過程中的產物（Na2CO3+CaO+H2O→NaOH+CaCO3↓）[14]。 通過X 射線熒光分析試驗,測得原料中的主量元素,如表2 所示。 分析表2 可知,白泥中主要含Ca 元素,此外還含有Si、Mg、Fe、Al 等元素。

表2 膨脹土和白泥的XRF 測試結果Tab.2 Results of XRF test of expansive soil and white mud %

圖2 膨脹土和白泥的顆粒級配曲線Fig.2 Grain gradation curves of expansive soil and white mud

圖3 膨脹土和白泥的XRD 試驗結果Fig.3 Results of XRD test of expansive soil and white mud

1.2 試驗方法

將膨脹土烘干碾細,分別過0.5 mm、2 mm 篩后裝入密封袋備用。 將造紙白泥烘干碾碎,過0.5 mm 篩。按照0%、5%、10%、20%、40%的白泥摻量,將造紙白泥和膨脹土均勻混合,分別裝入密封袋備用。 白泥摻量定義為白泥干質量和膨脹土干質量之比。 用白泥（white mud） 和膨脹土（expansive soil） 的英文首字母以及白泥摻量命名試樣,如WE10 表示白泥摻量為10%的試樣。

采用液塑限聯合測定法測定改良土的界限含水率,儀器為數顯式土壤液塑限聯合測定儀,產自南京土壤儀器廠有限公司,操作過程參考GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[15]。 試驗采用過0.5 mm 篩的土樣,使用76 g 圓錐體進行錐尖貫入,控制錐入深度在17 mm 以內。 使用Excel 軟件作雙對數坐標系,繪制錐深與含水量的關系曲線。 取圓錐下沉深度17 mm 所對應的含水率為液限,下沉深度2 mm 所對應的含水率為塑限。 采用恒體積法測定膨脹力。 采用過2 mm 篩的土樣,土的膨脹力和初始含水量負相關[16],因此初始含水量不宜過大也不宜過小,取塑限的一半作為初始含水量,即15%。 控制目標含水率誤差低于±1%,靜置1 周以上使水分分布均勻后進行試驗。 設置1.45 g/cm3、1.55 g/cm3兩個干密度,采用規格為61.8 mm×20 mm 的環刀,以靜壓法壓制試樣。 將試樣放入膨脹儀,在錐形瓶中裝入蒸餾水,開啟蠕動泵,使用攝像頭記錄下膨脹力的變化過程,最后繪制膨脹力-時間關系曲線。

膨脹力測試裝置由剛性框架、固結盒、荷重傳感器、蠕動泵、攝像頭和循環液容器組成,如圖4 所示。 固結盒下部兩側開有小孔連接循環管道,試樣放置在固結盒中,底部墊一層濾紙,置于透水石之上,循環液經透水石滲入試樣。 試樣頂部放置塑膠薄膜和剛性鐵塊,套上密封圈,防止水分從固結盒側壁進入試樣。 試驗過程中,使用攝像頭記錄下荷重傳感器數據采集儀的讀數。

圖4 膨脹力測試裝置Fig.4 Equipment for testing swelling pressure

2 試驗結果

2.1 界限含水率

圖5 和圖6 為界限含水率試驗結果,具體數值見表3。 隨白泥摻量的增加,液限、塑限和塑性指數持續降低。 從曲線的斜率可知,在5%的白泥摻量處斜率最大,表明膨脹土對較少摻量的白泥敏感度較大,而隨摻量的增加曲線斜率逐漸變小,表明膨脹土對白泥敏感度逐漸降低。 由于造紙白泥不具備可塑性,因此可以根據所摻白泥比例進行試驗結果預測。 以液限為例,其計算公式如下:

表3 界限含水率試驗結果Tab.3 Results of boundary water contents test

圖5 白泥摻量與界限含水率的關系Fig.5 Relationship between Atterberg limits and white mud content

圖6 白泥摻量與塑性指數的關系Fig.6 Relationship between plasticity index and white mud content

對比預測結果和試驗結果可知,混合物的界限含水率并非隨白泥摻量成比例降低,對于白泥改良膨脹土的機制,必須綜合考慮白泥對膨脹土的物理化學作用。

2.2 膨脹力

圖7 為膨脹力-時間關系曲線。 曲線呈單峰結構,膨脹力先升高至峰值點而后降低并趨于穩定,隨白泥摻量增加,這種峰值現象逐漸減弱。 此外,隨著白泥摻量的增加,曲線的峰值點向左移,表明摻量越大,吸水速率越快,達到峰值所需時間越短。 及至40%的白泥摻量,膨脹力到達峰值只需10 min 左右。純造紙白泥的膨脹力可以忽略不計。

圖7 膨脹力-時間關系曲線Fig.7 Relationship between swelling pressure and time

圖8 為白泥摻量與最高膨脹力的關系曲線,圖9 為白泥摻量與極限膨脹力的關系曲線。 膨脹力試驗結果具體數值見表4。 最高膨脹力為膨脹力變化過程中達到的最大值,極限膨脹力為最終穩定值,這兩個值都能反映改良效果。 由于最高膨脹力高于極限膨脹力,所以必須予以重點關注。 從圖8 和圖9 中可見,改良土的膨脹力隨白泥摻量先降低后增高,最優摻量為10%,干密度為1.45 g/cm3的試樣最高膨脹力降低了46%,干密度為1.55 g/cm3的試樣最高膨脹力降低了17%;摻量超過10%,膨脹力隨摻量增加而上升。 可見,提高非膨脹性材料的比例,并不會獲得持續的改良效果。 Phanikumar 等[17]采用纖維改良膨脹土得到了類似的試驗結果,即膨脹力隨纖維摻量先降低后升高,存在最優摻量。

表4 膨脹力試驗結果Tab.4 Results of swelling pressure test

圖8 白泥摻量與最高膨脹力的關系Fig.8 Relationship between maxium swelling pressure and white mud content

圖9 白泥摻量與極限膨脹力的關系Fig.9 Relationship between limit swelling pressure and white mud content

3 白泥改良膨脹土機制分析

3.1 膨脹土中結合水的吸附機制

膨脹土屬于黏性土,引起膨脹和塑性表現的有效成分為黏土礦物。 黏土礦物表面一般帶有負電荷,并吸附有陽離子以達到電荷平衡。 遇水之后,陽離子在水分子熱運動作用下向溶液中擴散,而極性的水分子受靜電引力作用牢固地吸附于土粒表面,稱為結合水。 結合水與自由溶液的性質不同,它具有更大的密度與黏滯度。 結合水的存在使得土體具有可塑性,結合水膜的厚度是液塑限的重要影響因素。 結合水膜厚度與黏土礦物類型、溫度、溶液電解質濃度、酸堿度等因素有關,常用的理論為擴散雙電層理論,擴散雙電層越厚則結合水膜越厚。 Mitchell 等[18]介紹了土體-孔隙流體擴散雙電層厚度的表達式:

3.2 白泥摻量對界限含水率的影響

液塑限由結合水膜厚度和顆粒大小決定,反映了土的持水能力,其受4 個因素影響:黏土礦物本身的類型與含量、比表面積、孔隙流體化學性質、孔隙結構[19]。

由圖5 和圖6 可見,摻入造紙白泥后,混合物的界限含水率并未隨白泥摻量成比例降低,故必須考慮白泥的物理化學作用。 造紙白泥產生于苛化過程（Na2CO3+CaO+H2O→NaOH+CaCO3↓） ,成分以碳酸鈣為主,作為氫氧化鈉的伴生沉淀,還含有苛化過程中過量加入的石灰、硅酸鈣、殘余氫氧化鈉以及由于纖維原料不同而伴生的鋁、鐵、鎂化合物及塵埃雜質等[13]。

遇水之后白泥內的部分可溶鹽溶解,使得孔隙流體中摻入較多鈣、鎂、鐵等高價陽離子,提高了電解質的濃度。 由式（2） 可知,雙電層厚度和孔隙流體中陽離子價數、電解質濃度負相關,因此摻入白泥后雙電層厚度變小,少量白泥即可使液塑限迅速降低。 但白泥中的物質存在一定溶解度,因此這種劇烈的化學作用有一定限度。 造紙白泥顆粒以粉粒為主,顆粒間由于毛細作用而具有一定的持水能力,隨著摻量的增加,白泥對膨脹土的替代作用越發明顯,由持水能力較弱的白泥替代持水能力較強的膨脹土,混合物的液塑限逐漸降低。

3.3 白泥摻量對膨脹力的影響

壓實膨脹土的微觀結構見圖10。 圖10 中,膨脹土顆粒的基本單元為硅鋁酸鹽晶片,若干個晶片形成一個層疊體,若干個層疊體形成一個集合體。 相應地,壓實膨脹土中存在3 類孔隙:黏土礦物晶片間孔隙（層疊體內） 、層疊體間孔隙（集合體內） 、集合體間孔隙[20-21]。 水分子滲入膨脹土晶片之間,在限制變形的情況下產生膨脹力。 膨脹力-時間曲線表現出升高、降低、穩定3 種形態,形成峰值曲線,對應膨脹力發展的3 個階段:雙電層發展階段、層疊體裂解階段、穩定階段（圖11） 。 在雙電層發展階段,在靜電力和滲透作用下,水分進入晶層之間,形成結合水膜并不斷增厚,同時晶體表面部分陽離子在布朗運動的作用下溶解于孔隙水中,晶層間的斥力得以發展,膨脹力逐漸提高。 結合水膜增厚、晶層間斥力發展到一定程度會引發部分層疊體裂解,集合體間孔隙坍塌,造成應力釋放,從而觀察到膨脹力降低。 在穩定階段,未裂解的層疊體繼續吸附水分,膨脹力略微升高,然后逐步穩定。 干密度越小,集合體間孔隙越大,因而層疊體裂解空間更大,峰值現象越明顯。 對于同一干密度,隨著白泥摻量的增加,白泥所占比例增大,充當骨架成分,且分布于膨脹土顆粒周圍的白泥顆粒之間相互咬合,限制了層疊體的裂解,因而峰值現象逐漸減弱。

圖11 膨脹力發展階段Fig.11 Development phases of swelling pressure

在白泥摻量小于10%時,化學效應致使雙電層壓縮,導致混合物的膨脹力降低。 摻量超過10%,土水作用速率和膨脹力反而逐漸上升,可能是混合物的親水性和孔隙結構特征造成的。 壓實膨脹土吸水過程中,在毛細作用下水分經由試樣中的毛細孔進入黏土顆粒片層之間[22],膨脹力緩慢增加。 造紙白泥以粉粒為主,過量的粉粒白泥增加了試樣中的毛細孔道,即增加了水分滲入黏土礦物晶片之間的輸送渠道。 此外,碳酸鈣屬于親水性物質,而毛細作用與物質的親水性有關,所以摻入過量碳酸鈣會提高毛細作用速率。 因此,與素膨脹土和低白泥摻量膨脹土相比,高白泥摻量膨脹土的吸水速率更高,單位時間內有更多黏土礦物晶層發生膨脹,提高了試樣的膨脹力。

4 結論

1） 10%的白泥摻量為最優摻量,可顯著降低膨脹土的液塑限和膨脹力,使液限降低14%,塑限降低16%,膨脹力降低17%～46%。 繼續增加白泥摻量,液塑限持續降低,但壓實土樣的膨脹力反而變大,當白泥摻量為40%時混合土樣的膨脹力高于素土。

2） 造紙白泥對膨脹土的影響機制在于:白泥中部分可溶物溶解,提高了溶液中陽離子濃度,造成雙電層壓縮;造紙白泥對黏粒的替換作用;白泥的粉粒親水性改變了混合物的親水性和孔隙結構。 液塑限主要受到雙電層壓縮和造紙白泥替換作用的影響,隨白泥摻量的增加而持續降低直至穩定。 對于壓實土樣,當白泥摻量低于10%時,受到雙電層壓縮和替換作用共同影響,膨脹力明顯降低;當白泥摻量高于10%時,膨脹力還受到孔隙結構的影響,過量粉粒親水性白泥改變了混合物的親水性和孔隙結構,提高了試樣的吸水速率,單位時間內有更多黏土礦物晶層發生膨脹,從而導致膨脹力變大。