碱渣改良膨胀土室内试验研究

孙树林 ，郑青海， ，唐 俊， ，张淦钰， ，周立国， ，尚文涛

（1. 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；2. 河海大学 地球科学与工程学院，南京 210098；3. 中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，长沙 410014；4. 安徽省交通规划设计研究院，合肥 230088；5. 江苏省国土资源信息中心，南京 210029； 6. 安徽省电力设计院，合肥 230601；7. 河海大学 土木工程与交通学院，南京 210098）

1 引 言

膨胀土是一种具有超固结性、裂隙性、吸水显著膨胀软化和失水收缩开裂特性的高塑性黏土，常常使得公路、铁路、机场、水利工程等工程建筑遭到巨大的破坏。因此，如何改良膨胀土成为该领域的突出问题。目前特殊土的改良方法[1－4]已有多种，特别是利用固体废弃物改良特殊土[5－7]及其对环境影响的研究[8－9]成为热门话题，但利用碱渣改良膨胀土的研究成果还鲜有报道。

碱渣是一种工业废料，是氨碱法制碱生产过程中排放的废弃物，据统计每生产1 t 纯碱，排放大约10 m3废液，其中含废渣约300～600 kg。碱渣的排放堆积不仅占用了大量的土地，还造成了环境和水体的污染。但碱渣中含有大量的CaCO3、CaO 可作为改良膨胀土的有效矿物成分，且碱渣在路基填垫方面已做出成功的研究。因此，本文考虑利用碱渣对膨胀土的基本物理力学性质、膨胀性等进行改良研究，探讨碱渣改良膨胀土的可行性，为今后的工程应用提供参考。

2 试验材料和试验方法

土样采集于南京市卫岗地区，取土深度为1.6～2.0 m，棕黄色粉质黏土，呈硬塑状态，其基本物理特性见1，矿物成分全量化学分析结果见表2。

表1 膨胀土的物理性质指标 Table 1 Indexes for physical characteristics of expansive soils

从表1 可以看出，素土的液限为48.1%，自由膨胀率为51%，按文献[10]推荐的判别方法进行分类，属于弱膨胀土。

碱渣取自天津碱厂，主要矿物成分为CaCO3、CaO、SiO2等，将碱渣浸泡在溶液24 h 后进行化学成分测试，其主要离子成分是Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-、Cl-，pH 值为9.2。其化学成分见表2。

表2 膨胀土和碱渣的化学成分 Table 2 Chemical components of expansive soil and soda residue

从图1 中碱渣的颗粒级配曲线可以看出，试验所用的碱渣就其颗粒大小和颗粒组成而言，碱渣中0.005～0.075 mm 占60%左右，类似于粉土。

试验按照《公路土工试验规程》[11]进行。文中掺碱渣率wJ是指碱渣质量与干土质量之比。进行膨胀土改良试验时，先按比例称一定的碱渣和膨胀土土样，均匀混合后，用量筒称取一定量的水掺入渣土混合物，均匀搅拌后闷料24 h 后再进行制样，然后按照规程进行改良试验，力学试验均是采用经过7 d 养护龄期的土样。

3 试验结果分析

3.1 掺碱渣对膨胀土物理性质指标的影响

为了将碱渣改性土与素土进行物理性质指标的对比，本文进行了颗粒分析试验、阿太堡界限试验以及相对密度试验，试验结果如图1～3 所示。

图1 改性土的颗粒级配曲线 Fig.1 Particle size distributions of improved soils

图2 掺渣率与阿太堡界限的关系 Fig.2 Relations between Atterberg limits and soda residue content

图3 掺渣率与相对密度的关系 Fig.3 Relation between relative density and soda residue content

从图1 可以看出，随着掺渣率的增加，碱渣改性土中黏粒质量分数不断降低，而粉粒和砂粒质量分数显著增加。从颗粒级配曲线来看，改性土的不均匀系数Cu=11.67～18.00，曲率系数Cc=1.24～1.56，级配良好。粉粒和砂粒质量分数的增加验证了碱渣和膨胀土之间存在离子交换作用，生成络合物使土粒凝聚，颗粒变粗，并且碱渣本身就是一种无黏性的类似于粉土的材料，碱渣含量的增加可有效降低黏粒的质量分数，起着降低膨胀势的作用。

图2 为掺碱渣后阿太堡界限的变化曲线，随着掺渣率的增加，改性土的液限降低，塑限增加，导致其塑性指数不断减小。当掺渣率为30%时，液限降低到40%以下，塑性指数远小于18。此时可认为掺渣率为30%的改性土颗粒的膨胀性大大降低。因此，掺碱渣对膨胀势的降低和膨胀的抑制作用是显而易见的。

从图3 可以看出，碱渣改性土的相对密度随着掺渣率的增加而降低，这是因为碱渣的相对密度比膨胀土的相对密度小。

3.2 掺碱渣对膨胀土膨胀性的影响

针对膨胀土的膨胀特性，本文对不同掺渣率的改性土进行了自由膨胀率试验和有荷膨胀量试验，以探讨改性前后膨胀性的变化。

从图4 可以看出，随着掺渣率的增加，改性土的自由膨胀率显著降低。当掺渣率为30%时，改性土的自由膨胀率为7%，远低于40%，因此，可认为掺渣率为30%的改性土颗粒膨胀性大大降低。

膨胀土的膨胀总率反应了膨胀土的黏土矿物成分和结构特征，一般近似认为，膨胀总率为50 kPa压力下的膨胀量。由图5 可知，同一掺渣率的改性土，随着上覆压力的增大，膨胀量逐渐减小；同一压力下，随着掺渣率的增加，膨胀量也显著降低。当掺渣率为30%时，膨胀总率为0.13%，远小于0.7%，此时可认为掺渣率为30%的改性土满足规 范[12]对路基填料的要求：“若采用弱膨胀土作为路床填料时应经改性处理后方可填筑，改性后的膨胀总率不得超过0.7%”。

3.3 掺碱渣对膨胀土力学性质的影响

3.3.1 击实特性

从图6 可知，改良前素土的击实曲线比较陡，峰值明显，若使压实度达到95%，含水率必须控制在18%～21%；而碱渣改性土的击实曲线比较平缓，峰值不明显，若使压实度达到95%，含水率可控制在15%～23%。这说明了碱渣改性土的水稳定性较素土明显增强，可以在相当大的一个含水率范围内碾压至最大干密度，减小了施工难度。

图4 掺渣率与自由膨胀率的关系 Fig.4 Relation between free swell index and soda residue content

图5 掺渣率与有荷膨胀量的关系 Fig.5 Relations between swelling capacity and soda residue content

图6 掺渣率与击实曲线的关系 Fig.6 Relations between compaction curves and soda residue content

从图6 还可以看出，最大干密度随着掺渣率的增加逐渐降低；最优含水率随着掺渣率的增加先降低后升高。最大干密度的降低是由于碱渣的相对密度比膨胀土的相对密度小。最优含水率变化是因为在掺渣率小于30%时，土颗粒与碱渣的离子交换作用，使得改性土在外界击实功的作用下更容易密实，导致改性土的最优含水率减小；当碱渣量超过30%以后，因为碱渣的本身的胶凝性不高，过多地掺入碱渣反而使得改性土难以击实，导致最优含水率升高。

3.3.2 无侧限抗压强度

如图7 所示，同一掺渣率下，随着压实度的增加，无侧限抗压强度不断增加；同一压实度下，随着掺渣率的增加，无侧限抗压强度先增加后降低，在掺渣率为30%时出现峰值。这表明膨胀土路基的无侧限抗压强度要满足规范[13]要求的800 kPa，必须要有足够的压实度。无侧限抗压强度存在峰值点是因为，在达到最佳掺渣率之前，碱渣和膨胀土之间发生硬凝反应，增加了膨胀土的无侧限抗压强度；当掺渣率超过30%后，过多的碱渣反而是相当于增加了本身无黏聚力的粉土材料。

图7 掺渣率与无侧限抗压强度的关系 Fig.7 Relations between the content of soda residue and unconfined compression strength

3.3.3 抗剪强度

通过直接剪切试验做出的抗剪强度指标如图8所示。可以看出黏聚力随着掺渣率的增加先增加后减小，在掺渣率为30%时出现峰值；而内摩擦角变化不大。

黏聚力由素土时的87 kPa增加到掺渣率为30%改性土的123 kPa，增加了41%，得到了显著提高，这是碱渣和膨胀土发生化学反应产生新的络合物增加了密实度的结果。而内摩擦角随掺渣率的变化一直在30°左右，变化不大，是因为素土颗粒的摩擦以及镶嵌作用产生的摩阻力和改性土颗粒之间产生的摩阻力大致相等。

3.3.4 养护龄期

从图9 中可以看出随着养护龄期的增加，无侧限抗压强度仅增加了3%～5%，这表明了随着养护龄期的增加，碱渣对改性土的后期强度贡献不大，仅仅是碱渣颗粒内的文石向方解石的转变逐渐趋于稳定，强度稍有增加。

图9 养护龄期与无侧限抗压强度的关系 Fig.9 Relations between curing age and unconfined compression strength

4 碱渣改性膨胀土原理的探讨

碱渣是一种孔隙大、颗粒细的固体材料，由表1 可知，碱渣的主要成分是CaCO3、CaO 和SiO2，其中CaCO3成分占43.65%，可作为改性土的骨架。由图7、8 可见，碱渣的掺入使得改性土的无侧限抗压强度显著提高，抗剪强度也增加了41%，且碱渣中细分散的 CaCO3与 Ca(OH)2生成络合物CaCO3Ca(OH)2，该络合物与膨胀土中含有的SiO2生成新的复合络合物CaSiO3∙CaCO3∙Ca(OH)2∙nH2O，该复合络合物的存在影响了孔隙的分布，具有减少吸水率、增加密实度的作用。

碱渣中的氧化物CaO 和SiO2可生成水化硅酸钙CaO∙SiO2∙nH2O，该络合物在土的内部结构中是很好的胶凝材料，可以在空气中硬化而获得较高的强度，随着反应的进行强度逐渐增强。

从图2 可以看出，碱渣溶液中存在大量的Ca2+通过离子交换作用置换出黏土颗粒中的Na+与K+，使得改性土的液限大幅度降低，塑限升高，有效降低土的塑性指数，进而降低土的膨胀势；并且碱渣的pH 值为9.2，土的pH 值的上升也相应增加了离子的交换量。

5 结 论

（1）随着掺渣率的增加，碱渣改性土中粉粒和砂粒的含量不断增加，黏粒的含量不断减少，进而有效降低液限和塑性指数，从而降低膨胀土的膨胀势。

（2）膨胀土中掺入碱渣，可有效抑制膨胀土的膨胀性，膨胀土的自由膨胀率和膨胀总率随着掺渣率的增加而显著降低。试验表明，在掺渣率为30%时，膨胀土颗粒的膨胀性大大降低。

（3）碱渣改性土的击实曲线较素土平缓，可击实含水率范围较之素土宽，水稳定性较素土显著提高，大大降低了施工难度。碱渣改性土的最大干密度随掺渣率的增加而降低；最优含水率随着掺渣率的增加先降低后升高，在掺渣率为30%时取得最小值。

（4）改良后的膨胀土无侧限抗压强度和抗剪强度都显著提高，在掺渣率为30%时取得峰值点；抗剪强度的增长，主要体现在黏聚力增长了41%，而内摩擦角变化不大。

（5）碱渣改性土的养护龄期效果不大，表明碱渣对改性土的后期强度贡献不大。

[1] 冯美果， 陈善雄， 余颂. 粉煤灰改性膨胀土水稳定性试验研究[J]. 岩土力学， 2007， 28(9)： 1889－1993. FENG Mei-guo， CHEN Shan-xiong， YU Song. Laboratory study on water stability of flyash-treated expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics， 2007， 28(9)： 1889－1993.

[2] EZEKWESILI E， CELESTINE O. Some basic geotechnical properties of expansive soil modified using pyroclastic dust[J]. Engineering Geology， 2009， 107： 61－65.

[3] YITAGESU F A， VAN DER MEER F， VAN DER WERFF H， et al. Quantifying engineering parameters of expansive soils from their reflectance spectra[J]. Engineering Geology， 2009， 105： 151－160.

[4] VISWANADHAM B V S， PHANIKUMAR B R， MUKHERJEE R V. Swelling behaviour of a geofiber- reinforced expansive soil[J]. Geotextiles and Geomembranes， 2009， 27： 73－76.

[5] 孙树林， 魏永耀， 张鑫. 废弃轮胎胶粉改良膨胀土抗剪强度研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2009， 28(1)： 3071－3075. SUN Shu-lin， WEI Yong-yao， ZHANG Xin. Research on shear strength of expansive soils reinforced with waste tire powders[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2009， 28(1)： 3071－3075.

[6] 孙树林， 张鑫， 魏永耀. 掺绿砂改良膨胀土室内试验研究[J]. 岩土力学， 录用待刊. SUN Shu-lin， ZHANG Xin， WEI Yong-yao. Laboratory study of expansive soil improved with waste foundry sand[J]. Rock and Soil Mechanics.

[7] SUN S L， CHEN J， ZHENG Z. Use of CFB fly ash for soft subgrade stabilization of highway construction in China[C]//Proceedings of the 12ndInternational Symposium on Water and Rock Interaction. [S. l.]： [s. n.]， 2007： 1407－1410.

[8] 孙树林， 李方， 谌军. 掺石灰黏土电阻率试验研究[J].岩土力学， 2010， 31(1)： 51－55. SUN Shu-lin， LI Fang， CHEN Jun. Electrical resistivity measurement for lime-stabilized silt soil[J]. Rock and Soil Mechanics， 2010， 31(1)： 51－55.

[9] 孙树林， 盘霞， 张鑫. 掺绿砂改性土的重金属浸出试验研究[J]. 岩土工程学报， 2010， 32(2)： 225－230. SUN Shu-lin， PAN Xia， ZHANG Xin. Leaching behaviors of heavy metals from improved soil mixed with waste foundry sand[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2010， 32(2)： 225－230.

[10] 中华人民共和国城乡建设环境保护部. GBJ112－87 膨胀土地区建筑技术规范[S]. 北京： 中国计划出版社， 2003.

[11] 中华人民共和国交通部. JTJ051－93 公路土工试验规程[S]. 北京： 人民交通出版社， 2000.

[12] 中华人民共和国交通部. JTG D30－2004 公路路基设计规程[S]. 北京： 人民交通出版社， 2004.

[13] 中华人民共和国交通部. JTJ 033－95 公路路基施工技术规范[S]. 北京： 人民交通出版社， 1995.