粉煤灰-天然砂改良膨胀土强度特性试验研究

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068)

1 研究背景

膨胀土是一种具有较高液限的特殊黏性土，其富含亲水性矿物质——蒙脱石、伊利石、高岭石等，粒度多以黏粒为主[1-3]。一般膨胀土有较高强度和高承载力，经常被误认为可以作为良好的地基填充材料。然而这样的想法有失偏颇，因为膨胀土具有很大的吸水性，使得在潮湿气候条件下吸水体积变大，在干燥时失水体积收缩，反复胀缩使得膨胀土出现裂缝，导致土体失稳坍塌，易造成重大工程事故和巨大经济财产损失。改良膨胀土使其提高强度减少膨胀率的方法很多，如查甫生等[4]的研究表明粉煤灰不仅可以抑制膨胀土的胀缩性，还可以增加其强度，养护龄期为7 d时，随着粉煤灰掺量的增多，无侧限抗压强度曲线达到一个最高值；黎连文等[5]对粉煤灰改良膨胀土进行抗剪研究，试验结果表明粉煤灰掺量为14%时抗剪强度最大。还有人用绿色无污染的材料——天然砂对膨胀土进行改良，如杨俊等[6-8]在膨胀土中加入天然砂，其强度随着干密度和掺砂率变化而变化，当掺砂率>10%时抗剪强度开始减小，且无侧限抗压强度随着掺砂率的增加存在一个峰值。

粉煤灰改良膨胀土主要机理是离子交换[9]，天然砂改良膨胀土的机理是改良膨胀土级配。本文将2种改良机理不同的材料组成复合材料，研究2种材料不同掺量对膨胀土强度的影响。

2 试验材料

2.1 膨胀土

试验所用膨胀土取自南阳某公路施工工地，土体黏结成块，颜色呈褐黄色，肉眼可以看见白色钙质，且含水率较大，为强膨胀土，具体物理参数如表1所示。

表1 膨胀土的基本物理性质指标Table 1 Basic physical properties of expansive soil

2.2 粉煤灰

试验所用粉煤灰取自南阳某热电厂，其化学成分如表2所示。

表2 粉煤灰的组成成分质量百分比Table 2 Composition of fly ash %

从表2可以看出，该粉煤灰主要由SiO2，Al2O3，Fe2O3组成，CaO的含量不足10%，所以本试验所用粉煤灰根据美国实验与材料协会(American Society for Testing and Materiails,ASTM)分类法划分为F类。

2.3 天然砂

试验所用天然砂取自南阳某地区路段周边，其物理参数如表3所示。

表3 天然砂的物理性质指标Table 3 Physical properties of weathered sand

3 击实试验及结果分析

先将膨胀土用木锤敲打碾碎，然后经过孔径为2 mm的标准筛过滤，再把过滤后的膨胀土与天然砂、粉煤灰放入设置温度为105 ℃的烘箱中，烘烤24 h后取出。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)在标准条件下进行不同掺量比例的膨胀土、天然砂和粉煤灰复合土击实试验，结果如图1所示。图中砂5%代表砂掺量为5%，以此类推。

图1 最大干密度、最优含水量与粉煤灰掺量的关系Fig.1 Relations of maximum dry density and optimum water content against fly ash and weathered sand dosages

由图1(a)可见：

(1)在粉煤灰掺量一定时，天然砂掺量从5%～15%时，土样干密度逐渐增加；但天然砂掺量达到20%时，土体干密度反而降低。这是因为适量天然砂能有效改善膨胀土的级配，砂颗粒能填充入土颗粒之间的空隙，使土体更加密实，干密度增加；当砂颗粒过多时，摩擦阻力会增大，使得膨胀土难以击实，进而干密度降低。

(2)随着粉煤灰掺量的增加，土样的干密度逐渐降低。这是由于粉煤灰的密度比膨胀土小，此外，没有养护的土样也有一定的胶结作用，粉煤灰使土体黏性增加，不易击实。

由图1(b)可知，随着天然砂和粉煤灰掺量的同时增加，改良后膨胀土的最优含水量呈下降趋势。一方面是因为天然砂在土体中形成骨架体系，土体孔隙率增大，更容易渗透，导致最优含水量降低；另一方面，粉煤灰中二价的钙离子和镁离子与膨胀土中一价的钠离子和钾离子发生交换，使得结合水膜变薄，土颗粒联系更紧密，亲水性降低，最优含水率降低。

4 无侧限抗压试验及结果分析

试验所用仪器为YYW-Ⅱ型无侧限抗压仪，试样规格为直径Φ39.1 mm，高80 mm。按粉煤灰和天然砂掺量之和为20%，选取了5个复合改良比例。膨胀土∶天然砂∶粉煤灰分别为80∶20∶0，80∶15∶5，80∶10∶10，80∶5∶15，80∶0∶20。由击实试验选取干密度1.8 g/cm3,含水率21%，按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)进行制备试样，并养护7 d龄期。升降板速度控制在0.08 mm/min，当应变<3%时，每0.5%应变读取数据一次；应变≥3%时，每1%应变读取数据一次；当读数保持稳定时再继续增加3%～5%应变即停止试验。试验结果如图2所示。图中灰0%+砂20%表示粉煤灰掺量0%，天然砂掺量20%，以此类推。

图2 无侧限抗压强度与轴向应变的关系Fig.2 Relation of unconfined compressive strengthagainst fly ash and weathered sand dosages

由图2可知：

(1)灰10%+砂10%和灰15%+砂5%的2种复合材料改良比单一材料改良无侧限抗压强度有明显提高。

(2)随着粉煤灰掺量的增加和天然砂掺量的减小，无侧限抗压强度先增加后减小，灰15%+砂5%时无侧限强度最大。这是因为，一方面，膨胀土中掺入少量天然砂可以改良土体级配，砂颗粒和土颗粒互相包裹，增加了摩擦力，无侧限抗压强度增大；天然砂掺量过多时，砂颗粒将土颗粒架空，土体内部空隙增大，无侧限抗压强度减小。另一方面，经一段时间养护后，粉煤灰和膨胀土产生离子交换反应，形成新的强度高的胶凝物质，使土体黏结在一起，提高了无侧限抗压强度，随着粉煤灰掺量的增加，硬凝反应更强烈，无侧限抗压强度越高。

(3)当灰20%+砂0%时，无侧限抗压强度突然降低，可能的原因是：没有掺入天然砂的土样就没有砂颗粒与土颗粒摩擦提供的阻力；粉煤灰掺量过剩，多余的粉煤灰并没有和土体进行离子交换，相当于一种游离的无黏性的粉土。

综上所述，可以得出粉煤灰掺量为15%，且天然砂掺量5%时，二者对膨胀土强度提供的贡献最大。

5 三轴试验及结果分析

采用与无侧限抗压强度同样配比，用静压制样法，分4层均匀压实，制备高80 mm，直径39.1 mm的圆柱体三轴试样。在围压分别为100，200，300 kPa，剪切速率为0.08 mm/min的条件下进行固结不排水试验。对于出现软化的试样取最高点为峰值强度，对于出现硬化的试样取轴向应变为15%对应的强度值为峰值强度。使用仪器与试样如图3所示。

图3 全自动三轴仪Fig.3 Fully automatic triaxial instrument

图4 不同围压下三轴试验结果Fig.4 Triaxial test results under differentconfining pressures

三轴试验结果如图4所示。图中σ1-σ3为最大主应力和最小主应力之差，简称为主应力差。

由图 4可见：

(1)当轴向应变>7%时，在3种围压下，随着粉煤灰掺量增加与天然砂掺量减少，主应力差先增加后减小，且灰15%+砂5%时，主应力差最大，相应的抗剪强度也最大。

(2)灰10%+砂10%和灰15%+砂5% 2种复合掺量改良膨胀土比用单一材料改良土强度更大。

为了进一步研究粉煤灰-天然砂掺量对黏聚力与内摩擦角的影响，根据试验数据，给出了表4，并绘制了图5。

表4 粉煤灰-天然砂掺量对黏聚力和内摩擦角的影响Table 4 Effect of fly ash and weathered sand content oncohesion and internal friction angle of expansive soil

图5 复合材料不同掺量与内摩擦角、黏聚力的关系Fig.5 Relation between the proportion of eachadmixture and the internal friction angle and cohesionof expansive soil

从图5可以看出：

(1)随着复合材料中粉煤灰掺量的增加，内摩擦角先增加后减小，增加速度先快后慢，粉煤灰掺量为15%时，内摩擦角达到最大值。粉煤灰掺量从0%增加到5%，从5%增加到10%，从10%增加到15%时，内摩擦角分别提高了106%，24.7%，21%；而粉煤灰掺量从15%增加到20%时，内摩擦角降低了10.8%。原因为当粉煤灰掺入适量时，粉煤灰与土颗粒发生离子交换和胶凝反应，使颗粒胶结在一起，颗粒粒径变大，更加阻碍了颗粒间相对移动，表现为内摩擦角增大；但当粉煤灰掺入过多时，剩余的粉煤灰没有和土颗粒发生反应，游离在土颗粒和砂颗粒之间，吸水软化后利于颗粒间相对滑动，摩擦力减小，因而内摩擦角减小。

(2)当复合材料中天然砂掺量从0%增加到5%时，内摩擦角增加；天然砂掺量从5%增加到20%时，内摩擦角逐渐减小。其原因为砂颗粒有棱角，少量天然砂能增加颗粒之间的摩擦力，增大内摩擦角；当砂颗粒过量时，砂颗粒将其他颗粒架空，形成悬浮结构，颗粒间松散，使内摩擦角减小。

(3)当灰15%+砂5%时复合材料的内摩擦角最大。可能的原因为，这种复合掺量下粉煤灰颗粒、砂颗粒和土颗粒间包裹最为密实，3种颗粒充分互相接触，使内摩擦角最大。

由图5(c)和图5(d)可以看出：

(1)随着复合材料中粉煤灰掺量的增加，黏聚力逐渐降低。这是因为粉煤灰本身无黏性，且其活性离子与土颗粒发生离子交换和胶结作用，需要一定时间，粉煤灰遇水软化，加速了颗粒之间的移动，降低了膨胀土的黏聚力。

(2)随着复合材料中天然砂掺量的增加，黏聚力逐渐增加。这是因为天然砂遇水不会软化，砂颗粒越多则软化的粉煤灰颗粒越少，相对增加了改良膨胀土的黏聚力。

终上所述，在粉煤灰-天然砂复合材料中随2种材料掺量的增加，内摩擦角先增加后减小，且在内摩擦角最大值时改良土抗剪强度达到最高，表明复合改良土强度的提高主要来自内摩擦角贡献，从而得到最佳复合掺量比，即粉煤灰和天然砂掺量分别为15%和5%。

6 结 论

(1)粉煤灰掺量一定时，最大干密度随天然砂掺量增加呈先增大后减小趋势，而最优含水量逐步减少；天然砂掺量一定时，最大干密度及最优含水量随粉煤灰掺量增加均逐渐减小。

(2)在粉煤灰和天然砂掺量之和为20%条件下，随天然砂掺量减小，无侧限抗压强度与三轴抗剪强度先增大后减小，粉煤灰15%+天然砂5%时强度最大。

(3)在粉煤灰-天然砂复合材料中随2种材料掺量的增加，内摩擦角先增加后减小，且在内摩擦角最大值时改良土抗剪强度达到最高，表明复合改良土强度的提高主要来自内摩擦角贡献，此时粉煤灰和天然砂掺量分别为15%和5%。

(4)在2种材料掺量之和一定的条件下，随着复合材料中粉煤灰掺量的增加，黏聚力逐渐降低；随着天然砂掺量的增加，黏聚力逐渐增加。