钢渣、稻壳灰和生石灰改良膨胀土的性能研究

张新雨

(1.甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省道路材料工程实验室，甘肃 兰州 730050)

膨胀土是一种富含蒙脱石和伊利石，具有吸水体积膨胀、失水体积收缩的特殊黏性土，其胀缩作用常常导致修筑在膨胀土地基(路基)上的建筑物(构筑物)、公路、铁路等工程建筑遭到破坏[1]。给人民生命及财产安全带来严重威胁。因此，如何改良膨胀土已成为该领域亟待解决的问题[2]。膨胀土改良主要是通过膨胀土与添加剂之间的物理化学反应来降低膨胀土的胀缩性，提高膨胀土的强度。常用的改良方法很多，有物理方法和化学方法。目前最常用的为化学方法，主要是在膨胀土中掺入一定比例的粉煤灰、石灰和水泥等进行改良，特别是利用工业废料进行膨胀土改良，这已成为热点话题。

对于工业废料粉煤灰改良膨胀土的研究，国内外已经有很多且相当成熟：查甫生等研究了石灰和粉煤灰对膨胀土的改良性能[3]、惠会清等研究了石灰和粉煤灰改良膨胀土的性质机理[4]、Amu等研究了水泥和粉煤灰混合料对膨胀土稳定潜力的影响[5]及Sivapullaiah等详细分析了粉煤灰和石膏改良膨胀土后的各项性能等[6]。而对于稻壳灰这一工业废料，国内还没有相关研究，对它的反应机理、掺合比例和改良性能等还未知。

针对国内稻壳灰改良膨胀土方面的空白，以及改良膨胀土的方法单一等问题，本文探讨利用钢渣(SS)、稻壳灰(RHA)和生石灰(L)改良膨胀土(C)，通过室内试验研究了掺加钢渣、稻壳灰和生石灰对膨胀土的胀缩性能的影响，以及养护时间对强度的影响，为膨胀土路基的处理提供依据。本文的研究成果进一步丰富了膨胀土的改良方法，并为稻壳灰引入我国膨胀土改良提供了参考和理论指导。

1 试验材料和方案

1.1 试验材料

膨胀土来自印度北方邦的班达，从图1可以分析出，该黏土主要成分是蒙脱石[7]。根据统一土壤分类系统(USCS)、美国国家公路和运输官员协会(AASHTO)分类系统的划分标准，该黏土属于高膨胀土；生石灰(CaO)来自印度北方邦的坎普尔地区。

RHA来自印度西孟加拉邦，其氧化物组成见表1，X射线衍射图像见图2；根据表1和图2分析RHA化学成分可知，活性SiO2含量超过80%。从矿物成分来看，RHA是一种火山灰材料，且表面含有大量光滑的玻璃微珠，存在滚珠效应，使RHA具有其他火山灰材料没有的优异性能，从而可以明显改善膨胀土的和易性。

表1 SS和RHA的氧化物组成表

SS来自印度泰米尔纳德邦的Vinayaka Alloys，从表1可知，SS中含有大量的SiO2和Al2O3，经过反应之后有一定成分的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙生成，它们是水泥熟料产物，水硬性和活性比较好，并且钢渣经过水化反应后有胶凝性的水化产物C-S-H、Ca(OH)2、水化铝酸钙等新矿物成分生成，这些物质会随着该反应继续发展，慢慢贯穿整个体系，因此可以让混合体系具备更高的强度。

图1 黏土X射线衍射(XRD)示意图

注:1.伊利石(Al2Si3(OH)2)；2.高岭石(Al2Si2O5(OH)4)；3.蒙脱石(Al2O34SiO2·H2O)；4.石英(SiO2)；5.方解石(CaCO3)

图2 RHA X射线衍射(XRD)示意图

注:1.蒙脱石(Al2O34SiO2·H2O)；2.高岭石(Al2Si2O5(OH)4)；3.伊利石(Al2Si3(OH)2)；4.石英(SiO2)；5.方解石(CaCO3)

1.2 试验方案

用膨胀土(C)与不同比例的RHA、L和SS混合，基于最大UCS值发现改良膨胀土的最优组合；在此基础上依照ASTM D4318(ASTM 2010)、ASTM D4943(ASTM 2002)、ASTM D421/422(ASTM 2007 a，b)和ASTM D698(ASTM 2012)分别对改良土的液限、塑限、缩限、粒度分布和标准监督进行测试[8-12]，同时对改良土的物理性质进行分析；然后通过无侧限抗压强度试验、三轴试验和加州承载比试验测试了最佳组合土的力学性质，最后对最佳组合土作为路基路面材料的性能进行分析。

2 试验结果

首先用C与不同比例的RHA进行混合，当UCS值最大时，RHA的掺量为10%；其次用C与不同比例的L进行混合，当UCS值最大时L为5%；最后在此基础上用C+10%RHA+5%L+不同比例SS进行混合，当UCS值最大时，改良土最佳组合土比例为65%C+20%SS+5%L+10%RHA。

2.1 标准压实试验结果

表2 膨胀土与改良土的性质表

根据试验结果可知：改良土的塑性指数为11.13%，比膨胀土低66.27%左右，收缩极限为41.5%，比膨胀土高出73.5%左右(见表2)。这种组合减少了收缩在土壤中引起的纵向和横向开裂。

养护6 d(144 h)后膨胀土和改良土的最大膨胀压力分别为27.4 kN/m2和4.94 kN/m2。由试验结果可知：附加SS、L和RHA可以减少膨胀土膨胀和膨胀压力。

在添加5%L和10%RHA的标准压实测试中，添加SS时改良土的最大干密度有所降低，最佳含水量(OMC)有所增加。与膨胀土相比改良土的最大干密度从16.1 kN/m3减少到15.68 kN/m3时，最佳含水率从22%增加到24%。产生这种变化的原因是改良土的絮凝作用，使土颗粒之间的阻力增加，减小了改良土的最大干密度。

2.2 无侧限抗压强度试验结果

图3 抗压强度与养护时间关系曲线图

在零养护期时，膨胀土和改良土的无侧限抗压强度(UCS))值分别为359 kN/m2和657 kN/m2。与零养护期膨胀土的强度相比改良土的强度增加约45.35%。当固化时间为7 d、14 d和30 d时，改良土UCS值从657 kN/m2增加到1 974 kN/m2、2 395 kN/m2和3 628 kN/m2(如图3所示)。当固化时间为30 d时，本试验所研究的改良土UCS值高于Poh对ECC+10%BOS+1.5%硅酸钠的组合研究[13]、Hossain对土+5%CKD+15%的混合研究[14]、布鲁克斯对土+25%粉煤灰+12%RHA的研究等[15]。当固化时间分别为0 d、7 d、14 d和30 d时破坏的应变值为2.3%、4.2%、4.6%和5.9%。分析原因，抗压强度的增加可能是来自SS、L和RHA的摩擦阻力。

2.3 三轴试验结果

在100 kPa、200 kPa和300 kPa的有效围压下进行固结不排水静态三轴试验，研究其最佳组合的剪切强度特性。发现当有效围压为100 kPa、200 kPa和300 kPa时所对应的最大破坏应力分别是1 196 kPa、1 275 kPa和2 155 kPa，对应的破坏应变分别为3%、3.9%和4.6%。

循环三轴试验的结果表明：最初的超孔隙水压力稳步发展的膨胀土样本和最佳混合土样本都达到50%～60%应变振幅和频率；偏应力随荷载的循环次数的增加而减小；平均有效应力路径移动到所有应变振幅和频率的左边，表明平均有效应力随荷载循环次数的增加而减少。

应变振幅从0.4%到1%变化时，阻尼比(D)随循环次数的增加而降低(如图4所示)。当频率为0.2 Hz、0.5 Hz和1Hz时阻尼比下降分别为28.33%～32.11%、9.81%～12.97%和18.78%～31.7%。相比膨胀土，组合土的阻尼比减少约25%～38%。

图4 阻尼比(D)与循环次数关系曲线图

图5 剪切模量与循环次数关系曲线图

剪切模量(G)和降解指数(δ)在25～70次循环时间内迅速下降，然而其降低所带来的影响是可以忽略不计的(如图5和图6所示)。当频率为0.2 Hz、0.5 Hz和1 Hz时，剪切模量减少，分别为28.53%～82.63%、45.68%～55.38%和43.51%～77.5%；降解指数整体下降，分别为76%、20.3%和60.7%。相比膨胀土，改良土的剪切模量增加约58%～78%。

图6 降解指数与循环次数关系曲线图

2.4 加州承载比试验结果

图7 未浸泡CBR值与SS比例关系曲线图

零养护期膨胀土和改良土的CBR值分别是8.85%和18.37%(如图7所示)。与零养护期的膨胀土相比，改良土在最佳组合情况下CBR值增加约51.82%。改良土先固化7 d、14 d和30 d，然后浸泡4 d，进行CBR测试，浸泡CBR试验结果表明：固化时间从7～30 d变化时，CBR值从28.8%提高到35.56%。分析表明：CBR的增加是由于火山灰与SS、RHA和L的相互胶结作用引起的。

图8显示了柔性路面的典型路面结构。路面设计按照CBR方法的IRC设计过程，设计预期的交通量每天逾4 500辆。路面A和路面B分别指的是膨胀土路面和最佳组合土路面。对于路面A，路基的CBR值是2.96%，颗粒底基层材料的CBR值是50%；路面B中的路基CBR值是28.8%，颗粒底基层的CBR值是50%。用改良土做路基，基础铺筑厚度为65 mm；而用膨胀土做路基，基础的铺筑厚度为570 mm，相比之下，用改良土铺筑路基可以明显减小铺筑厚度。改良土路面材料与传统的路基路面材料CBR试验比较结果表明：膨胀土与SS、L和RHA混合能有效地治理软土路基，使其达到良好的效果。本研究还将改良土的材料成本与传统的路基路面材料进行比较，结果表明：最佳组合土进行路基的铺筑可以大大减少材料的用量，节省工程成本。

图8 典型的路面结构示意图

3 结语

(1)基于最大UCS值，C、SS、L和RHA最佳组合百分比为65%C+20%SS+5%L+10%RHA。

(2)与膨胀土相比，最佳组合土的可塑性降低了66.2%，强度增加了96%。

(3)与膨胀路基土相比，最佳组合土的CBR值增加了97.5%。基于强度、CBR值和塑性值，将试验所得的最佳组合土作为路基材料，具有坚固耐用的优点。

(4)动态属性分析表明，改良土作为路基材料，其土壤刚度(剪切模量)增加为58%～78%。C-SS-L-RHA的组合与传统的稳定系统相比可以更好地节约成本。

[1]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)，2007，37(2)：339-344.

[2]兰常玉，薛 鹏，周俊英.粉煤灰改良膨胀土的动强度试验研究[J].防灾减灾工程学报，2010(30)：79-81.

[3]查甫生，廖 斌，崔可锐.掺粉煤灰-石灰对膨胀土胀缩性的影响试验研究[J].上海地质，2010(31)：73-76.

[4]惠会清，胡同康，王新东.石灰、粉煤灰改良膨胀土性质机理[J].长安大学学报(自然科学版)，2006，26(2)：34-37.

[5]Amu，A.B.Fajobi，S.O.Afekhuai.Stabilizing Potential of Cement and Fly Ash Mixture on Expansive Clay Soil[J].Journal of Applied Sciences，2005，5(9)：1669-1673.

[6]P.V.Sivapullaiah，Arvind Kumar Jha.Gypsum Induced Strength Behaviour of Fly Ash-Lime Stabilized Expansive Soil[J].Geotechnical and Geological Engineering，2014，32(5)：1261-1273.

[7]Argaw Asha Ashango，Nihar Ranjan Patra.Static and cyclic properties of clay subgrade stabilised with rice husk ash and Portland slag cement[J].International Journal of Pavement Engineering，2014，15(10)：906-916.

[8]ASTMD4943，Standard test method for shrinkage factor of soils[S].

[9]ASTM D421，Standard practice for dry preparation of soil samples for particle-size analysis and determin-ation of soil constants[S].

[10]ASTM D422，Standard practice for particle-size analysis of soil constants[S].

[11]ASTM D5102，Standard test methods for unconfined compressive strength of compacted soil-lime mixture[S].

[12]ASTM D4318，Standard test methods for liquid limit，plastic limit，and plasticity index of soils[S].

[13]Poh，H.Y.，Gurmel，S.G.，and Nizar，G.(2006).Soil stabilization using basic oxygen steel slag fines[J].Mater.Civ.Eng.2006，18(2)：229-240.

[14]Hossain，K.M.A.(2011).Stabilized soils incorporating combinations of rice-husk ash and cement kiln dust[J].Mater.Civ.Eng.2011，23(9)：1320-1327.

[15]Brooks，R.M.Soil stabilization with fly ash and rice husk ash[J].Res.Rev.Appl.Sci.2009，1(3)：209-217.