水泥窑灰(CKD)改性膨胀土的击实性质试验研究

崔素丽，王安国，田明锦，延　恺

(西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安　710069)



·地球科学·

水泥窑灰(CKD)改性膨胀土的击实性质试验研究

崔素丽，王安国，田明锦，延恺

(西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069)

水泥窑灰(CKD)作为生产水泥的副产品,其巨大的年产量和对环境的污染危害受到了越来越多的重视。由于CKD具有火山灰特性，能够改善土的工程特性,这为解决膨胀土工程问题提供了新的途径。该文对膨胀土以及添加不同比例CKD的膨胀土-CKD混合物进行了化学成分测试、水理性质试验和标准击实试验,探讨CKD作为膨胀土路基改良剂的可行性。在不同CKD添加比例条件下,对膨胀土以及CKD改良后膨胀土的基本物理性质、水理性质和击实性质结果的分析表明,随着掺灰率的增大,混合物塑性指数逐渐降低,最优含水率也随之减小,最大干密度增大，这说明向膨胀土中添加CKD可以改善膨胀土的击实性质。

水泥窑灰(CKD);膨胀土;击实性质

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂隙、超固结并具有显著胀缩性的特殊性黏土,主要由黏土矿物蒙脱石和伊利石组成,具有亲水性强、吸水膨胀软化、失水收缩干裂和往复湿胀干缩变形的性质,使得在膨胀土地区进行的工程建设遇到很大困难[1]。因此,如何改良膨胀土成为该领域的突出问题[2]。很多学者从改善土体物质组成和结构入手,通过向膨胀土中添加不同材料对土质进行改性处理[3-5]。目前，理论研究成熟、工程中最常用的改性材料是水泥[6]和石灰[7-8]以及水泥-石灰复合材料[9]。但是,水泥和石灰都是建筑材料,采用这两种材料作为改性材料增加了建材消耗量,且成本都较高。同时，各种各样的工业废弃物因其堆放量大、占地面积多,且污染环境等问题被越来越重视,很多学者从废物利用的角度出发,采用工业废弃物对特殊土进行改性。其中用来对膨胀土进行改性研究最多的是粉煤灰[10-11],其次还有学者对胶粉[12]、绿砂[13]等改良土作为筑路材料的性质进行了广泛研究。但是，利用水泥窑灰(CKD)作为改性材料对膨胀土进行改性的研究还鲜有报道。

CKD是水泥生产过程产生的仅次于CO2的废弃物,其排放量很大,相当于熟料的10%～20%，主要成分为碳酸钙和二氧化硅。大量CKD的排放堆积对土地和环境造成了严重的污染。而目前国内对CKD没有进行充分有效的利用,主要是作为水泥生产原料回窑处理和对窑灰进行综合利用。而国外利用CKD的火山灰性,将90%的CKD作为道路路基的固化材料,充分发挥了其稳定路基的功能[14-15]。因此，该文考虑利用CKD对膨胀土进行改性,试验研究CKD改性膨胀土的强度特性,探讨CKD改良膨胀土的可行性,为今后的工程实践提供参考。

1　试验材料和试验方法

1.1试验材料

膨胀土采集于陕西省安康市,取土深度为1.5～2.0 m,棕黄色粉质黏土,呈硬塑状态,土的基本物理性质如表1所示。按文献[16]推荐的判别方法对表1数据进行分类，其属于弱膨胀土,矿物成分的全量化学分析结果见表2。

表1　膨胀土和CKD的物理性质指标

水泥窑灰取自陕西省泾阳县水泥厂,灰白色粉末,细度较细,主要矿物成分为氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝等,基本物理性质指标如表1所示,详细化学成分含量见表2。膨胀土-CKD混合物的水理性质指标见表3。

1.2试验方法

文中掺灰率Rc是指CKD干质量与膨胀土-CKD混合物干质量之比。进行试验时,先将土样风干至易碾散为止,根据试验所需土样数量,将碾散的土样过0.5 mm筛，再按掺灰率分别为0%，2%，4%，6%，8%，10%，14%，18%称取CKD和膨胀土并混合均匀,然后取一定量的水掺入混合物,均匀搅拌后装入聚乙烯袋中均匀湿化24 h后进行轻型击实试验。试验采用JDS-2型标准击实仪,击实筒内径102 mm，容积947.4 cm3，锤质量2.5 kg，落距305 mm，击实能量为592.2 kJ/m3,试验按照《公路土工试验规程》[17]进行。

表2膨胀土和CKD的化学成分

Tab.2Chemical components of expansive soil and CKD

成分含量/%水泥窑灰(CKD)膨胀土CaO42.255.82Al2O34.9823.57SiO218.3250.48Fe2O34.256.22MgO2.533.21K2O2.764.89Na2O0.340.61SO22.12-fCaO8.26-烧失量17.315.88

表3膨胀土-CKD混合物水理性质指标

Tab.3Hydrogeological properties of expansive soil-CKD mixtures

掺灰率/%塑性指数040.41230.87424.34622.7821.081019.531418.31817.1

2　试验结果分析

2.1CKD掺量对击实性质的影响

击实试验结果如图1所示。由图1可以看出，随着掺灰率的增大,膨胀土-CKD最大干密度ρdmax随之增大,而最优含水率随之降低。当掺灰率为0%～8%时,压实曲线相对较平缓、开阔;随着掺灰率增大到10%～18%时,压实曲线有逐渐变狭窄陡立的趋势。

图1　膨胀土-CKD混合物的压实曲线Fig.1　Compaction curves for expansive soil-CKD mixtures

当掺灰率较低时,混合土中膨胀土的吸水能力强,因此结合水膜的变化范围较大,土颗粒间的作用力主要以引力为主,土粒发生相对滑动的阻力较大。在外力击实作用下,土颗粒要发生相对移动不仅需要克服颗粒间的摩擦阻力,还要克服由于水分子形成的黏聚力,因此混合物可压实的含水率范围较大而干密度的值相对变化较小。随着掺灰率的增大,CKD降低了混合土的吸水能力,结合水膜的变化范围变小,土颗粒间的作用力中，其斥力有所增加而引力相对减小,颗粒发生相对移动的阻力降低,因此，在同样的压实能下,土粒更容易发生位移,混合物趋于密实,即有效压实含水率范围变窄而干密度的值相对变化较大。同时，随着掺灰率的增大,混合物的塑性指数明显降低,即可塑性降低,击实试验可以获得较高的最大干密度和较低的最优含水率(见表3)。

2.2最大干密度/最优含水率随CKD掺量的变化

图2和图3分别是膨胀土-CKD混合物最大干密度/最优含水率随掺灰率的变化关系图。从图2可以看出,最大干密度随着掺灰率的增大逐渐升高,且符合指数函数关系：

ρdmax=0.040*exp(Rc/10.398)+1.542,

r2=0.986 5，

(1)

而最优含水率随着掺灰率的增加呈指数降低,

ωopt=

r2=0.995 8，

(2)

式中:ρdmax为混合物最大干密度,g/cm3;ωopt为最优含水率,%;Rc为掺灰率,%。

图2　最大干密度与掺灰率的关系Fig.2　Maximum dry density vs. CKD contents ratio

回转窑窑灰(CKD)是经高温处理过的、物料受热均匀、含有少量熟料粉的混合物,其中的碳已烧成了煤灰玻璃球,可视为火山灰质混合材料,将CKD掺入膨胀土,会使膨胀土的物理化学性质发生变化。由表2知，CKD的主要成分是CaO和MgO等，将CKD与膨胀和水混合物后,会迅速的产生Ca(OH)2和少量Mg(OH)2,进一步离解出Ca2+，Mg2+和OH-。Ca2+，Mg2+很容易置换膨胀土颗粒所吸附的低价的K+，Na+等离子,由于二价的Ca2+，Mg2+结合水膜较薄,使得改性土在击实能的作用下更容易密实,从而导致改性土的最大干密度升高,最优含水率减小;且随掺灰率的增大、最大干密度的升高速率以及最优含水率的减小速率都增大。

图3　最优含水率与掺灰率的关系Fig.3　Optimum water content vs. CKD contents ratio

2.3最大干密度随最优含水率的变化

最大干密度和最优含水率的关系如图4所示。由图4可以看出，随着最优含水率的增大,混合物的最大干密度线性降低：

ρdmax=2.359-0.036ωopt,

r=-0.990 4。

(3)

这说明较低的最优含水率能够获得较高的干密度。但是，从工程施工的角度出发,含水率较低时却更难以将填土料最大限度地压密。因此,实际应用中并非干密度越大越好,而是要考虑含水率和干密度两个方面,确定合适的参数。

图4　最优含水率与掺灰率的关系Fig.4　Maximum dry density vs. optimum water content ratio

总结以上试验结果可知,在一定的击实能下,根据所需膨胀土-CKD混合物的最大干密度、最优含水率和掺灰率三者之中的任意一个值,就可以逆向计算出所需的另外两个值。比如确定了压实干密度就可以计算出需要的含水率和掺灰率。

3　结　论

1) 随着掺灰率的增大,膨胀土-CKD的塑性指数随之降低,最优含水率降低,而最大干密度随之增大。

2) 标准击实试验中,当掺灰率为0%～8%时,击实曲线较宽阔,有效击实含水率范围较小；当掺灰率增大到10%～14%时,击实曲线逐渐变得狭窄,干密度提高明显,即较高掺灰率时,较低的含水率能够获得较大的干密度。

3) 膨胀土-CKD的最大干密度随掺灰率呈指数增大,最优含水率随掺灰率指数降低;最大干密度随最优含水率增大呈线性降低。因此,在一定的击实条件下,可根据回填土料所需的压实干密度逆向计算出所需要的含水率和掺灰率。

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(编辑雷雁林)

Laboratory test on compaction properties of expansive soils reinforced with Cement kiln dust(CKD)content

CUI Su-li, WANG An-guo, TIAN Ming-jin, YAN Kai

(Geological Department/State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi′an 710069， China)

Cement kiln dust (CKD) as a byproduct of the production of cement has been given more and more attention, due to its huge annual production and the harm to environmental pollution. CKD has the nature of pozzolanic effect, can improve the engineering properties of the soil. This provides a new way for both improving the use of CKD and solving the problem of expansive soil engineering provides. So in this paper, chemical composition analysis, water properties test, and standard compaction tests have been conducted on expansive soils and expansive soils-CKD mixtures with different CKD content ratio, to study the feasibility of CKD as a modified material for expansive soil roadbed. The analysis of the results on the basic physical properties, water-physical property and the compaction properties have been given, and the results show that with the increase of CKD content ratio the plasticity index decrease, the optimum moisture content is also reduced, while the maximum dry density is increased. It indicated that adding CKD to expansive soil can improve its compaction properties.

cement kiln dust(CKD); expansive soils; compaction properties

2015-01-21

国家自然科学基金资助项目(41402260)；西北大学大陆动力学国家重点实验室自主研究课题基金资助项目(BJ08133-16)；教育部博士点基金资助项目(20136101120006)

崔素丽，女，河北石家庄人，博士，从事地质工程方面的研究。

TU443

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-02-018