水泥窑灰改性黄土的湿陷性和强度特性研究

崔素丽，黄 森，韩 琳，张艳荣(.西北大学地质系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 70069；.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 70077)

湿陷性黄土作为建筑物的地基，由于其特殊的成分和结构，极易产生塌陷失稳。工程中经常采用向黄土中添加改性材料的方法，降低其湿陷性，提高其强度，从而满足工程需要。常用的改性材料是物理材料石灰、水泥以及二者的混合物[1～3]和化学材料[4～6]。还有一些学者研究了工业废弃物粉煤灰以及其与水泥石灰的混合物对黄土的改性效果[7～8]。采用工业废弃物对黄土进行改性，既可以减少建材消耗量，又解决了废弃物堆占地、污染环境等严重问题。水泥窑灰也是一种工业废弃物，是水泥生产过程中产生的除CO2之外对环境影响最大副产品，排放量大约为熟料的10%～20%[9]。主要成分为游离的CaO、CaCO3和SiO2，有些还有碱硫酸盐、氯化物等其他微量成分，具有火山灰性。我国是世界上水泥产量最高、增长速度最快的国家，因此水泥窑灰的处理也成为严重的环境问题。

国外针对水泥窑灰能够充分发挥火山灰性，具有稳定路基的功能[10]，将其大多数作为了不良道路路基的固化材料。比如Miller等[11]利用水泥窑灰对三种不同膨胀土工程性质改性研究的结果显示，通过添加水泥窑灰，三种土的可塑性均降低，强度均提高，水泥窑灰能够明显提高膨胀土的水稳定性和强度。水泥窑灰甚至也能使沙丘得到非常好的固定，添加13%的水泥窑灰就能使得沙丘路面强度得到显著地提高[12]。

国内一般将其作为水泥生产原料回窑处理[13]，或者综合利用包括制钾肥[14]和生产生态水泥[15]等。当时这两种方法都工艺复杂，造价高昂，且利用率低。因此大多数窑灰被直接丢弃或者填埋，造成严重的环境污染。崔素丽等[16～17]尝试用水泥窑灰对陕西安康膨胀土进行改性，发现能够显著降低膨胀土的胀缩性，改善其可施工性，改性效果明显。国内尚未有将水泥窑灰用于黄土的改性研究，本文对添加不同比例水泥窑灰的黄土进行了湿陷、强度和微观试验，探讨水泥窑灰对黄土进行改性的可行性，分析其改性机理。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

本文所用黄土取自西安市东郊的Q3黄土，是棕黄色粉质黏土，取土深度为4～5 m。颗粒分布如图1所示，粒径在0.005～0.075 mm的颗粒含量约占总含量的61.48%，粒径<0.005 mm的颗粒约占总含量的26.52%；平均粒径为0.023 mm，不均匀系数Cu=6.7>5，曲率系数Cc=0.97≈1，级配良好。

图1 黄土和水泥窑灰的颗分曲线Fig.1 Particle size distributions of loess and the cement kiln ash

黄土的液限29.6，塑限17.9，比重2.72，最优含水率18.1%，最大干密度1.72 g/cm3。水泥窑灰取自陕西省泾阳县水泥厂，灰白色粉末，粒度较细，主要矿物成分是CaCO3、CaO和Al2O3等，含水率为0.86%。物理化学成分如表1所示。

表1 水泥窑灰的物理化学成分Table 1 Chemical compositions of the cement kiln ash

1.2 试验方法

将水泥窑灰均匀添加到黄土中，定义水泥窑灰干质量与混合物中干质量的比为掺灰率(Cc)，本试验分别选取了3%，6%,，9%，12%，15%，19%，23%和27%的掺灰率。试样的最优含水率和最大干密度根据不同掺灰率混合物击实试验结果获得(表2)。按预定含水率将蒸馏水均匀加入到混合物中，充分搅拌后，装入聚乙烯袋并密闭保存24 h，使试样均匀湿化，然后采用静力压实方法制样。固结试验和湿陷试验所用试样尺寸为高20 mm，直径61.8 mm，无侧限抗压强度试样尺寸为高100 mm，直径50 mm。其中湿陷试样的压实度为85%，其他试样压实度为100%。进行固结、湿陷、强度和微观试验，其中无侧限抗压强度部分试样需分别进行1 d，7 d，21 d和28 d的养护，其他试验所需试样养护1天。所有试验均按照国家标准《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)进行。

2 试验结果及讨论

2.1 水泥窑灰改性黄土的压缩性

不同掺灰率改性黄土的e-p曲线如图2所示。随着掺灰率的增大，无论是试样的初始孔隙比还是在400 kPa垂直压力下稳定后的孔隙比都明显降低。

表2 水泥窑灰改性黄土的击实参数Table 2 Compaction indexes of the stabilized loess

图2 不同掺灰率改性黄土的e-p曲线Fig.2 e-p curves for the stabilized loess

计算各试样的压缩系数a1-2(即垂直压力由100 kPa增加到200 kPa时对应的压缩系数)如图3所示。可以看出试样的压缩系数由0.135 MPa降低到了0.098 5 MPa，即从中压缩性土成为了低压缩性土，向黄土中添加水泥窑灰能够显著降低其压缩性。

图3 压缩系数随掺灰率的变化关系Fig.3 Compression coefficient vs ash content

由图1可知，水泥窑灰的粒度尺寸远小于黄土，混合物在制样过程中，一部分水泥窑灰会填充到黄土颗粒形成的结构孔隙中，使改性土的变得密实，在外荷载作用下变形较小，宏观上表现为降低黄土的压缩性。

图4 湿陷系数随掺灰率的变化关系Fig.4 Collapsed coefficient vs ash content

2.2 水泥窑灰改性黄土的湿陷性

图4是改性黄土湿陷系数随掺灰率的变化关系，可以看出其湿陷系数大幅度降低，从纯黄土的0.049降低到0.029(Cc=12%)及0.014 6(Cc=27%)。

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)对湿陷性黄土的分类规定可知向黄土中添加的水泥窑灰含量超过12%以后，黄土就由中等湿陷性变为轻微湿陷性，当水泥窑灰含量大于27%时，湿陷系数降低为0.014 6，黄土被改性成非湿陷性土。

2.3 水泥窑灰改性黄土的强度特性

图5是黄土和改性土的无侧限抗压强度值随水泥窑灰掺量的变化关系。水泥窑灰掺量从0增大到15%，无侧限抗压强度的值从732 kPa增大到1 400 kPa，增加了99.45%。之后无侧限抗压强度缓慢增加，当掺灰率为27%时，无侧限抗压强度值为1 560 kPa，增加了113.1%，说明向黄土中添加水泥窑灰能够显著提高其无侧限抗压强度。随着掺灰率的增大，试样的无侧限抗压强度值增大，最后趋于稳定，符合指数函数关系。

图5 无侧限抗压强度随掺灰量的变化关系Fig.5 Unconfined compressive strength vs ash content

图6 无侧限抗压强度随养护龄期的变化关系Fig.6 Unconfined compressive strength vs curing period

水泥或石灰改性黄土一般都具有后期强度，为研究水泥窑灰改性黄土是否也具有后期强度以及强度如何发展，对掺灰率为3%，9%，15%和19%的混合物压实样分别进行了7 d，14 d，21 d和28 d的养护，无侧限抗压强度随养护龄期的变化如图6所示。由图可知随着养护龄期的增长，不同掺灰率试样的无侧限抗压强度值均增大，且增大幅度随掺灰率的增大略有增大，根据趋势，养护28 d土体的后期强度基本达到稳定。

2.4 微观试验结果

通过以上试验结果可知，改性黄土的压缩性和湿陷性都显著降低，而强度明显提高。为了进一步从微观上分析水泥窑灰对黄土的改性机理，对纯黄土、掺灰率3%和15%的改性黄土试样分别进行了压汞试验和扫描电镜试验。

图7为压汞试验所得的改性黄土试样累积体积曲线和孔径分布曲线。由图中可以看出，黄土的孔隙累积体积最大，改性土的孔隙累积体积随掺灰率的增大而减小。总体孔隙体积降低意味着试样密实度的增大，这有利于提高黄土的强度，降低其湿陷性。同时，黄土和改性后黄土的孔径分布曲线均有3个峰值。根据Shear等[18]对孔隙的分类，在黄土和改性黄土中都存在的孔隙类型属于颗粒间孔隙(0.014～1.8 μm)，峰值对应直径分别约为0.04 μm和0.4 μm，但改性黄土相应孔径对应的峰值略低。纯黄土的另一组峰值孔径属于团聚体间的孔隙(70～4 000 μm)，直径大约为100 μm。在改性后的黄土中，团聚体间的孔隙消失，取而代之的是团聚体内部的孔隙(1.8～70 μm)，峰值向左偏移，即孔隙直径减小。掺灰率为3%改性土的直径约为60 μm，而掺灰15%的峰值直径降低为17 μm左右。说明向黄土中添加水泥窑灰，的确对减少压实土体中团聚体间的孔隙起到了重要作用，但对颗粒间孔隙作用不明显，各孔隙类型示意图如图8所示。

图7 改性土孔径累积体积和分布曲线Fig.7 Cumulative volume and pore size distribution curves of the pore diameter of the stabilized loess

图8 各类型孔隙示意图Fig.8 Sketch for different types of pores

图9是掺灰率分别为0%，3%和15%改性黄土的扫描电镜结果。从图9a可以看出纯黄土试样的颗粒大多为片状、扁平状，粒状较少，颗粒间主要以面-面、面-边的形式接触；土颗粒表面有少量碎屑微粒，为支架微胶结结构。图9b的颗粒形态以粒状为主，土体孔隙主要为粒间孔隙(镶嵌孔隙)，呈缝隙状、次圆状及不规则状，分布较均匀，连通性较差，颗粒间接触多位点接触，颗粒表面碎屑附着物明显增多，土体结构呈镶嵌半胶结结构。当掺灰率增大到15%(图9c)时，颗粒形状更加细小，碎屑微粒更多，颗粒之间的接触方式以直接接触-胶结接触为主，成凝块胶结结构。

水泥窑灰添加到黄土中后，在有水存在的条件下，水泥窑灰中的fCaO会与土体中的水分发生水化作用，产生Ca(OH)2等水化产物。游离态的Ca(OH)2快速吸附在黏土表面，并与空气中的CO2不断发生碳化反应产生固体CaCO3，使颗粒间产生强烈的硬化凝结作用。另一方面Ca(OH)2经水化作用会有Ca2+、OH-析出，与黄土颗粒表面吸附的N+、K+等阳离子发生交换和吸附作用，同时带有2个正电荷的Ca2+还可以吸引带有负电荷的黏土颗粒，使黏土颗粒发生絮凝作用并形成絮凝产物，即碎屑附着物，增强颗粒间的黏结。

综上所述，黄土中添加水泥窑灰能够降低土体总孔隙比，主要是降低团聚体间孔隙数量，使其转化为团聚体内部孔隙。同时水泥窑灰与黄土反应生成的碎屑颗粒物质，也填充在黄土颗粒间，或者附着颗粒表面，充分发挥胶结作用。通过物理填充和胶结作用使黄土结构变得致密，从而降低土体的压缩性和湿陷性，提高土体的强度。另外连接点处产生断裂或错动也是造成黄土湿陷的主要原因之一[19]，而当水泥窑灰和黄土发生化学反应时，会生成胶结混合物，附着在颗粒间和颗粒表面，改变颗粒间的连接方式，使连接点更加牢固，强度更大，起到降低黄土湿陷性的目的，同时也会改善黄土孔隙的孔径分布特性，增强土的结构强度。

3 结论

(1)向黄土中添加水泥窑灰能够显著降低黄土的压缩性和湿陷性。掺灰率从0增大到27%，土体由中压缩性改变为低压缩性，由中等湿陷性黄土改善成为轻微湿陷乃至不湿陷性土。

(2)水泥窑灰改性黄土的强度得到了大幅提升，并且能够使土体具有一定的后期强度，养护龄期宜大于28 d。

(3)水泥窑灰通过与黄土发生碳化和水化反应产生絮凝状碎屑颗粒，改变了土体孔隙类型和土颗粒连接方式，使土体结构变得密实，颗粒间连接点更加牢固，土体微结构变化规律为：支架大孔微胶结结构→镶嵌微孔半胶结结构→凝块胶结结构。对减少团聚体间的孔隙有很大贡献，改性黄土的总孔隙体积降低。

(4)从消除黄土的湿陷性角度考虑，水泥窑灰的适宜掺量应大于27%；从提高黄土强度特性的角度考虑，掺灰量大于15%即可满足条件，具体施工中根据实际情况要求再适当增大水泥窑灰的掺量。