粉煤灰改良膨胀土强度及膨胀特性试验研究

2018-01-15鄢黎明

陕西水利 2017年6期

鄢黎明

（江西省水利水电开发有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

膨胀土主要由蒙脱石和伊利石等组成，是一种吸水膨胀、失水收缩的特殊粘性土[1]。我国膨胀土分布广泛，在工程建设中常遇到膨胀土问题，主要表现为，1）路基湿胀干缩变形导致的路面开裂；2）柔性路面凹凸不平和翻浆冒泥；3）裂缝渗水导致的强度下降，路堑和路堤坍塌、滑坡、纵裂和沉陷等[2]。因此，对膨胀土进行有效处理已成为重要课题。

膨胀土具有胀缩性、崩解性、裂隙性和强度衰减性等性质，其中胀缩性是内在因素[3-4]，因此，胀缩特性是膨胀土的研究重点。谭罗荣等[5]对荆门膨胀土进行研究，探讨了其膨胀特性与干密度及饱和度的变化规律；刘特洪[6]对膨胀土的膨胀速率进行了研究，并将其膨胀过程划分为三个阶段，即等速膨胀、减速膨胀和缓慢膨胀。胡瑾等[7]对芜申航道胥河段原状膨胀土进行了室内无荷载膨胀率和有荷载膨胀率试验，研究了不同荷载作用下，膨胀率以及膨胀后干密度、膨胀孔隙比和含水率的变化规律。

目前，膨胀土的改良方法有多种，许多学者对掺水泥、石灰、粉煤灰、风化砂、碱渣和化学试剂[8-12]等方法改良膨胀土已有深入的研究，但研究多集中于外掺料对其力学性能的影响，对掺入外掺剂后膨胀土的胀缩性与强度特性的系统研究尚少。本文通过对粉煤灰掺量和龄期不同的粉煤灰改良膨胀土样进行击实、无侧限抗压强度、无荷载膨胀率和有荷载膨胀率试验，较为系统的研究了，粉煤灰掺量和龄期对粉煤灰改良膨胀土的击实、强度和膨胀特性的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

膨胀土取样土料呈灰黄色，主要矿物成分为蒙脱石、伊利石和高岭土，质量百分比分别为比45%、20%和15%，比重为2.71，液限为67.4%，塑限为34.1%，黏粒含量为48%。粉煤灰密度ρ=2.16 g/cm3，需水量比103%，烧失量12.39%，主要矿物成分为SiO2，Fe2O3，Al2O3和 MgO，CaO 质量百分比分别为 43.41%，8.45%，20.28%，6.50%和3.26%，PH值约为11，小于0.1mm粒径颗粒占重约28.6%。试验拌和与养护用水均为蒸馏水。

1.2 试验方法

将取回天然土体烘干、碾碎后按比例与粉煤灰与混合均匀，粉煤灰掺质量分数为0%、3%、6%、9%、12%和15%。将粉煤灰与膨胀土均匀拌和后，用量筒量取一定量的水掺入粉煤灰改良膨胀土中，混合均匀后闷24 h，进行击实试验，得到粉煤灰掺量不同试样的最大干密度与最优含水率，控制压实度为0.92，含水率为23%，分别对在标准养护条件下养护0 d、7 d和28 d，掺粉煤灰质量分数为0%、3%、6%、9%、12%和15%试样，与粉煤灰掺量为 6%，养护龄期为 0 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d和180 d的试样进行无侧限抗压强度试验。

无荷膨胀率试验采用膨胀仪，环刀Φ×H=61.8mm×20mm，装样后，向仪器内注水，使液面高出试样约5mm。有荷膨胀率试验仪器为高压固结仪，为保证透水石含水率与土样含水率一致，试验前先将烘干透水石置于与土样含水率相同黏土中埋48 h，环刀样装入固结仪后立即加荷，所加荷载依次为25、50、75、100 kPa。为防止试验过程中土样水分散失，在试样周围缠上湿布条。有荷和无荷膨胀稳定标准分别为2 h内变形不超过0.01mm，试验土样膨胀浸水时间不少于2 d。

2 试验结果与分析

2.1 粉煤灰改良膨胀土击实特性

为探讨不同粉煤灰掺量对粉煤灰改良膨胀土击实特性的影响，对粉煤灰掺入质量分数为0%、3%、6%、9%、12%和15%共六组试样进行击实试验，不同粉煤灰掺量土样最大干密度与最优含水率随粉煤灰掺入量的变化关系如图1和图2所示。可知，在本次试验条件下，粉煤灰掺量为0%~15%。随粉煤灰掺量增大，试样最大干密度和最优含水率均减小。这主要是由于，1）粉煤灰相对体积质量比膨胀土低，同体积条件下，膨胀土质量大于粉煤灰；粉煤灰与膨胀土混合形成了新的胶结物质，使得粉煤灰改良膨胀土存在一定的胶结作用，降低了土样击实特性,使得土样干密度减小[13]。2）掺入粉煤灰后，由于膨胀土颗粒与粉煤灰之间的离子交换作用，使得土颗粒周围的双电层密度及厚度发生改变，土颗粒间接触更紧密，更易于被击实，从而导致土体最优含水量减小[14]。

在本次试验条件下，粉煤灰掺量为0%~15%。粉煤灰掺量与最大干密度与最优含水率存在良好线性关系，可通过最小二乘法拟合粉煤灰的掺入量与土样最大干密度与最优含水率关系式如式（1）、式（2）所示。ρs=-0.0087P+1.4733 （1）

式中，ρs为土样最大干密度，P为粉煤灰掺量，ωsat为土样最优含水率。

2.2 粉煤灰改良膨胀土膨胀特性的影响

图1 干密度-粉煤灰掺量关系曲线

图2 最优含水率-粉煤灰掺量关系曲线

为研究粉煤灰掺量对改良膨胀土膨胀特性的影响，对粉煤灰掺量为0%、3%、6%、9%、12%和15%的试样进行了界限含水率、自由膨胀率和有荷膨胀率试验，粉煤灰掺量与塑性指数、自由膨胀率和不同荷载条件下膨胀率关系曲线分别如图3、图4和图5所示。由图3可知，随粉煤灰掺量增大，试样塑性指数逐渐降低。而试样塑性指数大小与土中结合水含量、黏粒含量、土粒粗细以及水中离子成分等因数有关[15]。塑性指数的降低反映出膨胀土黏粒含量减小和亲水性降低，从而弱化了膨胀土的胀缩性[16]。由此，可以初步判断掺入粉煤灰对膨胀土膨胀性有一定的抑制作用。

图3 塑性指数-粉煤灰掺量关系曲线

由图4和图5可知，1）随粉煤灰掺量增加，土样自由膨胀率和有荷膨胀率均减小，这主要是由于，粉煤灰主要由SiO2，Fe2O3，Al2O3等氧化物组成，这些氧化物含有大量高价阳离子Al3+和Fe3+等，通过离子交换作用，这些高价阳离子对粘土颗粒的絮凝起促进作用，减少了土体比表面积和亲水性，进而减少因土体吸水膨胀而产生的膨胀力[14]。2）随上覆压力增大，土样膨胀率逐渐减小，当所加上覆压力较小时，膨胀率变化幅度较大，随着上覆压力增大，膨胀率变化幅度逐渐减小。

2.3 粉煤灰改良膨胀土无侧限抗压强度特性

对粉煤灰掺量为0%、3%、6%、9%、12%和15%，养护龄期为0 d、7 d和28 d的粉煤灰改良膨胀土试样分别进行无侧限抗压强度试验，试验结果如图6所示，可知，1）试样未经养护时，随粉煤灰掺量增大，试样无侧限抗压强度近似保持不变，这可能是由于，粉煤灰增强膨胀土主要是由于粉煤灰与膨胀土间离子交换作用和火山灰作用，而粉煤灰中高价阳离子置换出膨胀土中的低价阳离子需要一定时间，火山灰作用则主要发生在离子交换作用后期；2）7 d和28 d龄期时，随粉煤灰掺量增大，试样无侧限抗压强度逐渐增大最后趋于稳定，这主要是由于，粉煤灰中高价离子促使粘土颗粒的产生了絮凝作用且粉煤灰中的SiO2和Al2O3能与土作用产生硬凝反应，从而提高了土体强度。

图4 自由膨胀率-粉煤灰掺量关系曲线

图5 有荷膨胀率-粉煤灰掺量关系曲线

图6 抗压强度-粉煤灰掺量关系曲线

为研究龄期对粉煤灰改良膨胀土的影响，对粉煤灰掺量为6%的土样，在标准养护条件下养护 0 d、3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d和180 d后进行无侧限抗压强度试验，养护龄期与试样无侧限抗压强度如图7所示，可知，随龄期增长，试样抗压强度呈增大趋势，起始阶段随龄期增长强度增长迅速，而后逐渐趋于平缓，试样无侧限抗压强度与龄期关系可拟合为：