掺绿砂改良膨胀土室内试验研究

张 鑫，孙树林，魏永耀，盘 霞

(1. 胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东 东营 257000；2. 河海大学 地球探测与信息技术研究所，南京 210098)

1 引 言

膨胀土含有较多的亲水性黏土矿物，工程性质较差，公路工程中采用膨胀土作为路基填料时，必须采取必要的工程措施，防止其反复胀缩和强度衰减对路基工程造成危害。目前，膨胀土主要采用石灰进行改良[1－2]，但采用这种方法进行膨胀土改良的成本较高，而采用工业废弃物既可降低成本，又可以解决废弃物堆量大、占地多、环境污染严重等问题。因此，粉煤灰[3－4]，胶粉[5]改良土作为筑路材料的性质在近些年进行了广泛研究。然而，绿砂即工业废砂，国内还没有人进行过这方面的研究。

国外近几年对于绿砂在土木工程建筑中的研究取得了重大成果，在高速公路地基和挡土结构[6]、填地[7]、沥青混凝土[8]、软弱下卧层[9]、路面地基[10]、生物及化学修复[11]等方面都取得了较大进展。本文结合国外研究成果，选取南京燕子矶膨胀土进行系统的绿砂室内改良试验研究，探讨绿砂改良膨胀土的可行性。

2 材料性质

（1）膨胀土

土样为南京燕子矶地区的膨胀土，土粒相对密度Gs= 2.677，液限ωl= 40.2%，塑性指数Ip=19.6%，不均匀系数Cu= 8.99，曲率系数Cc= 0.899，干密度ρd为=1.813 g/cm3，最佳含水率ωopt= 17.8%，最大干密度ρdmax= 1.76 g/cm3，见表1，粒径小于0.075 mm的颗粒含量为98.83，见图1。根据《公路路基设计规范》[12]，判定为该土为弱～中等膨胀土。

表1 膨胀土的有关物理特性Table1 Physical properties of expansive soil

（2）绿砂

绿砂又被称为铸造废砂（waste foundry sand），简称为WFS。绿砂产生于砂型铸造，全国每年的废砂大约有1000万t，除少量废砂再生回用外，大部分以丢弃为主。国外研究表明，绿砂能被有效用于工程建设取决于它的膨润土-砂混合物结构[13]。试验中所用绿砂取自南京铸造总厂场地，为黑色，石英砂与煤粉，陶土混合物，绿砂相对密度Gs= 2.18，液限ωl= 28.7%，塑限ωp= 19.8%，有效粒径D10=0.091，不均匀系数Cu= 3.19，曲率系数Cc= 0.08，见图 1，最佳含水率ωopt=13.4%，最大密度ρdmax=1.83 g/cm3，见表2。根据《公路土工试验规范》[14]判定，该砂为级配不良的细粒土砂，即SP- SF，如图 1所示，本次绿砂颗粒级配试验所得曲线与Tarek Abichou[15]在研究绿砂物理性质时所做筛分试验得到的级配曲线相似。

表2 绿砂的有关物理特性Table2 Physical properties of waste foundry sand

图1 膨胀土及绿砂的颗粒级配曲线Fig.1 Grain size distribution of expansive soil and waste foundry sand

3 样品的制备及试验

对所取土料进行了物理性质试验，包括土粒相对密度、液限、塑限、颗粒大小分析试验，对不掺砂和掺砂后压实制备试样进行了力学试验，包括轻型击实试验和无侧限抗压强度等试验，试验按照《公路土工试验规程》进行。土的液限用100 g圆锥下沉20 mm测定，颗粒分析试验采用激光粒度分析法及筛分法，轻型击实试验采用干土法，力学性试验的土样按不同掺砂率和击实试验，确定的最佳含水率及左右浮动 5%的不同含水率的最大干密度制备，试验养护龄期为1 d和28 d。养护时，用塑料袋将制备好的击实样密后，放置在养护室中，保持恒温22 ℃，相对湿度为70%。无侧限抗压强度试验的试样高度为100 mm，直径为40 mm。膨胀土工程地质分类依据《公路路基设计规范》[3]进行。

4 试验结果及其分析

4.1 掺绿砂对膨胀土工程性质指标的影响

为研究掺入绿砂对膨胀土基本物理性质指标的影响，根据《公路土工试验规程》，本次对绿砂含量为0、10%、20%、30%和100%分别制备试样进行液塑限试验，研究不同掺砂率对膨胀土液限及塑性指数的影响，试验结果如表3、图2所示。

由表3和图2可见，随着掺砂率增大，液限减小，塑性指数降低，这个结果与Mgangira[16]关于掺绿砂改良黏土的试验结果基本一致，从试验结果可见不掺砂时试验土样的液限和塑性指数分别为40.2和19.6，随着掺砂率的增加，液限降低，塑性指数也降低。塑性指数作为判别膨胀土的一个重要参数，本试验中，塑性指数随掺砂率增加而降低，意味着掺绿砂可以消除膨胀土的胀缩性，而消除膨胀土膨胀性的效果与掺砂率的大小有很大关系。

表3 不同掺砂率下试验土样的液限及塑性指数Table3 Liquid limit and plasticity index waste foundry sand content

图2 不同掺砂率下试验土样的液塑限试验Fig.2 Liquid and plastic limits of expansive soils wit different contents of waste foundry sand

4.2 掺砂对最佳含水率和最大干密度的影响

为比较不掺砂和掺砂对压实性质的影响以及何种配比对于提高试验土样压实度的效果最好，本次就不同掺砂率的试验土样进行了轻型击实试验。图3及表4为不同掺砂率的试验土样的轻型击实试验结果。由图表可见，随着掺砂率从 0%增至 30%时，其最优含水率由 17.8%降低为 14.6%，最大干密度由1.76 g/cm3提高为1.81 g/cm3，由此可见，最佳含水率随掺砂率的增加而降低，最大干密度则随掺砂率的增加而提高，其中随掺砂率的增加，最佳含水率显著减小，最大干密度提高幅度不大。

在 Mgangira[16]所做黏土掺和绿砂作为工程材料的研究中，当掺砂率在小于40%时，其最优含水率随掺砂率的增加而减小，这点在本次试验中再次得到了验证。随掺砂率的增加，最大干密度增大，但增大的幅度不大，与 Mgangira所做试验结果中在20%掺砂率时最大干密度达到峰值的结论相符。Abichou[15]在绿砂作为软弱下卧层的研究中，在不同含水率及不同击实强度下进行击实试验，而最大干密度变化范围不大，从而得出绿砂因其为非黏性砂，故当绿砂达到某一掺量时会出现峰值。

图3 不同掺砂率的击实试验Fig.3 Compaction test on expansive soils with different contents of waste foundry sand

表4 轻型击实试验结果Table4 Light compaction test results

4.3 掺砂对膨胀土强度的影响

不同掺砂率在不同含水率以及不同龄期的条件下试验土样的无侧限抗压强度试验结果如图 4所示。由图可以看出，无侧限抗压强度在10%掺砂率下较之素土显著降低；在20%掺砂率时，随掺砂率的增大其无侧限抗压强度提高，然而，当掺砂率增至30%时，无侧限抗压强度再次降低。另外，全部掺砂试样的无侧限抗压强度都小于素土，但是10%及30%掺砂率的试验土样无侧限抗压强度曲线较之素土和20%掺砂率的试验土样平缓，没有出现明显的峰值点。可见当掺砂率大于20%时，无侧限抗压强度对于掺砂率的增大不敏感。

本文选取了10%掺砂率的试验土样养护30 d进行无侧限抗压强度试验，强度变化不大，说明试验用膨胀土与绿砂之间没有发生反应导致强度提高，这个结果与 Guney等[12]在碎石掺和绿砂作为高速公路路基填料研究中，分别对1 d及7 d养护期试验土样所做无侧限强度试验结果相似。

压缩条件下试样含水率明显影响无侧限抗压强度，在相同压缩标准下，试样含水率的增加明显导致试样强度的降低，水含量对于强度的影响可以用吸力理论解释。具体来说，由于在略小于最佳含水率时压缩，水含量少导致减少的孔隙水压力，引起了更高的强度值，这个结果与Guney在碎石掺和绿砂作为高速公路路基填料研究中，对同一试样在不同含水率下所做无侧限强度试验结果相似。

图4 试验土样无侧限抗压强度随掺砂率变化曲线Fig4 The change curves of unconfined compressive strength of expansive soils with different of content waste foundry sand

5 结 论

（1）膨胀土用作路基填料应作改性处理，否则，其胀缩性不能满足要求。

（2）掺砂改善膨胀土的胀缩性，液限及塑性指数随掺砂率增加而降低，绿砂改良膨胀土胀缩性有明显效果。膨胀土改良后，最优含水率较改良前有明显降低，最大干密度增加幅度较小。掺砂降低了膨胀土的强度,但随含水率 改变其强度变化较改良前变平缓。

（3）综合考虑各项指标认为绿砂改性膨胀土的最佳掺合比应为20%。

[1]郭爱国,孔令伟,胡明鉴,等. 石灰改性膨胀土施工最佳含水率确定方法探讨[J]. 岩土力学,2007,28(3): 517－521.GUO Ai-guo,KONG Ling-wei,HU Ming-jian,et al. On determination of optimum water content of lime-treated expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics,2007,28(3):517－521.

[2]孙树林,李芳. 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. Electrical resistivity measurement for lime-stabilized silt soil[J]. Rock and Soil Mechanics,2010,31(1): 51－55.

[3]查甫生,刘松玉,杜延军. 石灰-粉煤灰改良膨胀土试验[J]. 东南大学学报(自然科学版),2007,(2): 339－344.ZHA Fu-sheng,LIU Song-yu,DU Yan-jun. Experiment on improvement of expansive clays with lime-fly ash[J].Journal of Southeast University(Natural Science Edition),2007,(2): 339－344.

[4]SUN Shu-lin,CHEN Jun,ZHENG Zhou,et al. Use of CFB fly ash for soft subgrade stabilization of highway construction in China[C]//The 12th International Conference on Water-Rock Interaction. Kunming: [s. n.],2007.

[5]孙树林,魏永耀,张鑫. 废弃轮胎胶粉改良膨胀土的抗剪强度研究[J]. 岩石力学与工程学报,2009,28(1):3070－3075.SUN Shu-lin,WEI Yong-yao,ZHANG Xin. Shear strength of expansive soils reinforced with waste tire powders[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(Supp.1): 3070－3075.

[6]MAST D G,FOX P J. Geotechnical performance of a highway embankment constructed using waste foundry sand[J]. Recycled Materialsin Geotechnical Applications,1998,79: 65－85.

[7]ABICHOU T,BENSON C H,EDIL T B,et al. Hydraulic conductivity of foundry sands and their use as hydraulic barriers[J]. Recycled Materials in Geotechnics,2004,127: 186－200.

[8]JAVED S,LOVELL C W. Uses of waste foundry sand in civil engineering[J]. Transportation Research Record,1995,1486: 109－113.

[9]BHAT S T,LOVELL C W. Use of coal combustion residues and waste foundry sands in flowable fill[R].Washington: Transportation Research Board. 1996.

[10]KLEVEN J R,EDIL T B,BENSON C H. Evaluation of excess foundry system sands for use as subbase material[J]. Proceedings of the 79th Annual Meeting.Washington: Transportation Research Board,2000.

[11]LEIDEL D S,NOVAKOWSKI M. Beneficial sand reuse:Making it work[J]. Modern Casting,1996,84(8): 28－31.

[12]GUNEY Y,AHMET H,AYDILEK M. MELIH D.Geoenvironmental behavior of foundry sand amended mixtures for highway subbases[J]. Waste Management,2006,26: 932－945.

[13]中交第二公路勘察设计院. JTGD30－2004 公路路基设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社,2004.

[14]交通部公路科学研究院. JTG E40－2007公路土工试验规范[S]. 北京: 人民交通出版社,2007.

[15]ABICHOU T. Hydraulic properties of foundry sands and their use as hydraulic barriers[D]. Madsion: University of Wisconsin-Madsion,1999.

[16]MGANGIRA M B. Laboratory assessment of the influence of the proportion of waste foundry sand on the geotechnical engineering properties of clayey soils[J].Journal of the South African Institution of Civil Engineering,2006,48(1): 2－7.