白泥改良膨胀土液塑限和膨胀力试验探究

刘万林, 张 芹, 卢有谦, 吴广水, 于海浩

（1. 广西岩土力学与工程重点实验室 桂林理工大学, 广西 桂林 541004;2. 广西交科集团有限公司, 广西 南宁 530007）

膨胀土是一种水敏性极高的黏性土,随着含水率的改变会反复发生膨胀或收缩,引发公路、铁路路基开裂,边坡失稳,建筑物地基不均匀沉降等工程事故[1],因此研究如何降低膨胀土的胀缩能力具有重大工程意义。 土体改良是治理膨胀土的有效方法,围绕这一研究热点,学者们尝试了不同的改良剂和改良方法,按照改良机制可分为化学改良法和物理改良法。 常用的改良剂有石灰、水泥、工业碱渣、纤维等。 Soltani 等[2]进行了石灰-水泥改良膨胀土（化学方法） 与聚合物纤维改良膨胀土（物理方法） 的对比,发现化学方法处理的效果更为显著。 孙孝海等[3]采用水泥、工业碱渣改良膨胀土,发现工业碱渣掺比为10%时对液塑限的影响最显著。 Viswanadham 等[4]采用聚丙烯纤维改良膨胀土,得出纤维掺量为0.25%和0.5%时,能最大限度降低膨胀势和膨胀力。 根据黏土矿物在微观上的层状结构特点,Wiratama 等[5]采取植入铝、铁阳离子并配合煅烧的办法提高黏土矿物的结构稳定性,使膨胀土的膨胀性降低了50%。 Hu 等[6]采用PEA-230 溶液处理纳基蒙脱石和膨胀土,以成分单一的纳基蒙脱石为对照,通过Zeta 电位、XRD、SEM 等测试手段发现,PEA-230 溶液能够有效降低膨胀土的膨胀性。

采用非木材料制浆造纸的工厂在碱回收过程中,会产生大量白色固体废料,即造纸白泥,其主要成分为碳酸钙。 白泥中含有过量的碱性成分,pH 值为9.7～13.5[7-8],属于一般固体废料[9]。 据估计,每生产1 t 纸浆就会产生0.47 m3白泥[10]。 根据中国造纸协会的统计[11],2011—2020 年中国非木纸浆产量从1 240 万 t逐年降至525 万 t。 据此推算,造纸白泥的年排放量惊人。 造纸白泥通常采用填埋或堆放方式处理[12-13],造成了土地资源的大量浪费和环境的严重污染,因此必须采取合理的方式来处理。 白泥中含有大量的碳酸钙和金属离子,根据膨胀土的特性,认为白泥可作为改良膨胀土的材料。

本研究以南阳膨胀土为研究对象,通过液塑限和膨胀力这两个参数进行相互验证,探究了不同掺量的白泥对膨胀土的改良效果,并分析了其改良机制。 研究结论对膨胀土改良的理论研究、相关岩土工程问题的解决及白泥固废利用均有参考意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验原料

试验所用造纸白泥取自广西贺州某白泥尾矿库,膨胀土为南阳膨胀土。 图1 为原料的扫描电镜照片,可见膨胀土中黏土颗粒为薄片层状堆叠体,白泥颗粒棱角分明,团簇状聚集。 对原料进行基本的物理性质试验,各项指标如表1 所示。 采用1 ∶2的土水质量比测得白泥的pH 值为9.9,呈碱性。 南阳膨胀土液限为73.4%,塑性指数为41.1,在塑性分布图上位于A 线以上,属于高液塑限黏土,其自由膨胀率为65%,可判定为一种中膨胀性黏土。

表1 膨胀土和造纸白泥的基本物理性质Tab.1 Foundamental physical properties of expansive soil and white mud

图1 原料的扫描电镜照片Fig.1 SEM images of materials

图2 为原料的颗粒级配曲线,以0.005 mm 作为黏粒的界限粒径,膨胀土中黏粒占80%、粉粒占19%、砂粒占1%,而白泥中黏粒占25%、粉粒占72%、砂粒占3%。 进行X 射线衍射试验,分析原料的矿物成分,结果如图3 所示。 白泥的矿物成分主要为方解石,这是制浆造纸厂碱回收过程中的产物（Na2CO3+CaO+H2O→NaOH+CaCO3↓）[14]。 通过X 射线荧光分析试验,测得原料中的主量元素,如表2 所示。 分析表2 可知,白泥中主要含Ca 元素,此外还含有Si、Mg、Fe、Al 等元素。

表2 膨胀土和白泥的XRF 测试结果Tab.2 Results of XRF test of expansive soil and white mud %

图2 膨胀土和白泥的颗粒级配曲线Fig.2 Grain gradation curves of expansive soil and white mud

图3 膨胀土和白泥的XRD 试验结果Fig.3 Results of XRD test of expansive soil and white mud

1.2 试验方法

将膨胀土烘干碾细,分别过0.5 mm、2 mm 筛后装入密封袋备用。 将造纸白泥烘干碾碎,过0.5 mm 筛。按照0%、5%、10%、20%、40%的白泥掺量,将造纸白泥和膨胀土均匀混合,分别装入密封袋备用。 白泥掺量定义为白泥干质量和膨胀土干质量之比。 用白泥（white mud） 和膨胀土（expansive soil） 的英文首字母以及白泥掺量命名试样,如WE10 表示白泥掺量为10%的试样。

采用液塑限联合测定法测定改良土的界限含水率,仪器为数显式土壤液塑限联合测定仪,产自南京土壤仪器厂有限公司,操作过程参考GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[15]。 试验采用过0.5 mm 筛的土样,使用76 g 圆锥体进行锥尖贯入,控制锥入深度在17 mm 以内。 使用Excel 软件作双对数坐标系,绘制锥深与含水量的关系曲线。 取圆锥下沉深度17 mm 所对应的含水率为液限,下沉深度2 mm 所对应的含水率为塑限。 采用恒体积法测定膨胀力。 采用过2 mm 筛的土样,土的膨胀力和初始含水量负相关[16],因此初始含水量不宜过大也不宜过小,取塑限的一半作为初始含水量,即15%。 控制目标含水率误差低于±1%,静置1 周以上使水分分布均匀后进行试验。 设置1.45 g/cm3、1.55 g/cm3两个干密度,采用规格为61.8 mm×20 mm 的环刀,以静压法压制试样。 将试样放入膨胀仪,在锥形瓶中装入蒸馏水,开启蠕动泵,使用摄像头记录下膨胀力的变化过程,最后绘制膨胀力-时间关系曲线。

膨胀力测试装置由刚性框架、固结盒、荷重传感器、蠕动泵、摄像头和循环液容器组成,如图4 所示。 固结盒下部两侧开有小孔连接循环管道,试样放置在固结盒中,底部垫一层滤纸,置于透水石之上,循环液经透水石渗入试样。 试样顶部放置塑胶薄膜和刚性铁块,套上密封圈,防止水分从固结盒侧壁进入试样。 试验过程中,使用摄像头记录下荷重传感器数据采集仪的读数。

图4 膨胀力测试装置Fig.4 Equipment for testing swelling pressure

2 试验结果

2.1 界限含水率

图5 和图6 为界限含水率试验结果,具体数值见表3。 随白泥掺量的增加,液限、塑限和塑性指数持续降低。 从曲线的斜率可知,在5%的白泥掺量处斜率最大,表明膨胀土对较少掺量的白泥敏感度较大,而随掺量的增加曲线斜率逐渐变小,表明膨胀土对白泥敏感度逐渐降低。 由于造纸白泥不具备可塑性,因此可以根据所掺白泥比例进行试验结果预测。 以液限为例,其计算公式如下:

表3 界限含水率试验结果Tab.3 Results of boundary water contents test

图5 白泥掺量与界限含水率的关系Fig.5 Relationship between Atterberg limits and white mud content

图6 白泥掺量与塑性指数的关系Fig.6 Relationship between plasticity index and white mud content

对比预测结果和试验结果可知,混合物的界限含水率并非随白泥掺量成比例降低,对于白泥改良膨胀土的机制,必须综合考虑白泥对膨胀土的物理化学作用。

2.2 膨胀力

图7 为膨胀力-时间关系曲线。 曲线呈单峰结构,膨胀力先升高至峰值点而后降低并趋于稳定,随白泥掺量增加,这种峰值现象逐渐减弱。 此外,随着白泥掺量的增加,曲线的峰值点向左移,表明掺量越大,吸水速率越快,达到峰值所需时间越短。 及至40%的白泥掺量,膨胀力到达峰值只需10 min 左右。纯造纸白泥的膨胀力可以忽略不计。

图7 膨胀力-时间关系曲线Fig.7 Relationship between swelling pressure and time

图8 为白泥掺量与最高膨胀力的关系曲线,图9 为白泥掺量与极限膨胀力的关系曲线。 膨胀力试验结果具体数值见表4。 最高膨胀力为膨胀力变化过程中达到的最大值,极限膨胀力为最终稳定值,这两个值都能反映改良效果。 由于最高膨胀力高于极限膨胀力,所以必须予以重点关注。 从图8 和图9 中可见,改良土的膨胀力随白泥掺量先降低后增高,最优掺量为10%,干密度为1.45 g/cm3的试样最高膨胀力降低了46%,干密度为1.55 g/cm3的试样最高膨胀力降低了17%;掺量超过10%,膨胀力随掺量增加而上升。 可见,提高非膨胀性材料的比例,并不会获得持续的改良效果。 Phanikumar 等[17]采用纤维改良膨胀土得到了类似的试验结果,即膨胀力随纤维掺量先降低后升高,存在最优掺量。

表4 膨胀力试验结果Tab.4 Results of swelling pressure test

图8 白泥掺量与最高膨胀力的关系Fig.8 Relationship between maxium swelling pressure and white mud content

图9 白泥掺量与极限膨胀力的关系Fig.9 Relationship between limit swelling pressure and white mud content

3 白泥改良膨胀土机制分析

3.1 膨胀土中结合水的吸附机制

膨胀土属于黏性土,引起膨胀和塑性表现的有效成分为黏土矿物。 黏土矿物表面一般带有负电荷,并吸附有阳离子以达到电荷平衡。 遇水之后,阳离子在水分子热运动作用下向溶液中扩散,而极性的水分子受静电引力作用牢固地吸附于土粒表面,称为结合水。 结合水与自由溶液的性质不同,它具有更大的密度与黏滞度。 结合水的存在使得土体具有可塑性,结合水膜的厚度是液塑限的重要影响因素。 结合水膜厚度与黏土矿物类型、温度、溶液电解质浓度、酸碱度等因素有关,常用的理论为扩散双电层理论,扩散双电层越厚则结合水膜越厚。 Mitchell 等[18]介绍了土体-孔隙流体扩散双电层厚度的表达式:

3.2 白泥掺量对界限含水率的影响

液塑限由结合水膜厚度和颗粒大小决定,反映了土的持水能力,其受4 个因素影响:黏土矿物本身的类型与含量、比表面积、孔隙流体化学性质、孔隙结构[19]。

由图5 和图6 可见,掺入造纸白泥后,混合物的界限含水率并未随白泥掺量成比例降低,故必须考虑白泥的物理化学作用。 造纸白泥产生于苛化过程（Na2CO3+CaO+H2O→NaOH+CaCO3↓） ,成分以碳酸钙为主,作为氢氧化钠的伴生沉淀,还含有苛化过程中过量加入的石灰、硅酸钙、残余氢氧化钠以及由于纤维原料不同而伴生的铝、铁、镁化合物及尘埃杂质等[13]。

遇水之后白泥内的部分可溶盐溶解,使得孔隙流体中掺入较多钙、镁、铁等高价阳离子,提高了电解质的浓度。 由式（2） 可知,双电层厚度和孔隙流体中阳离子价数、电解质浓度负相关,因此掺入白泥后双电层厚度变小,少量白泥即可使液塑限迅速降低。 但白泥中的物质存在一定溶解度,因此这种剧烈的化学作用有一定限度。 造纸白泥颗粒以粉粒为主,颗粒间由于毛细作用而具有一定的持水能力,随着掺量的增加,白泥对膨胀土的替代作用越发明显,由持水能力较弱的白泥替代持水能力较强的膨胀土,混合物的液塑限逐渐降低。

3.3 白泥掺量对膨胀力的影响

压实膨胀土的微观结构见图10。 图10 中,膨胀土颗粒的基本单元为硅铝酸盐晶片,若干个晶片形成一个层叠体,若干个层叠体形成一个集合体。 相应地,压实膨胀土中存在3 类孔隙:黏土矿物晶片间孔隙（层叠体内） 、层叠体间孔隙（集合体内） 、集合体间孔隙[20-21]。 水分子渗入膨胀土晶片之间,在限制变形的情况下产生膨胀力。 膨胀力-时间曲线表现出升高、降低、稳定3 种形态,形成峰值曲线,对应膨胀力发展的3 个阶段:双电层发展阶段、层叠体裂解阶段、稳定阶段（图11） 。 在双电层发展阶段,在静电力和渗透作用下,水分进入晶层之间,形成结合水膜并不断增厚,同时晶体表面部分阳离子在布朗运动的作用下溶解于孔隙水中,晶层间的斥力得以发展,膨胀力逐渐提高。 结合水膜增厚、晶层间斥力发展到一定程度会引发部分层叠体裂解,集合体间孔隙坍塌,造成应力释放,从而观察到膨胀力降低。 在稳定阶段,未裂解的层叠体继续吸附水分,膨胀力略微升高,然后逐步稳定。 干密度越小,集合体间孔隙越大,因而层叠体裂解空间更大,峰值现象越明显。 对于同一干密度,随着白泥掺量的增加,白泥所占比例增大,充当骨架成分,且分布于膨胀土颗粒周围的白泥颗粒之间相互咬合,限制了层叠体的裂解,因而峰值现象逐渐减弱。

图11 膨胀力发展阶段Fig.11 Development phases of swelling pressure

在白泥掺量小于10%时,化学效应致使双电层压缩,导致混合物的膨胀力降低。 掺量超过10%,土水作用速率和膨胀力反而逐渐上升,可能是混合物的亲水性和孔隙结构特征造成的。 压实膨胀土吸水过程中,在毛细作用下水分经由试样中的毛细孔进入黏土颗粒片层之间[22],膨胀力缓慢增加。 造纸白泥以粉粒为主,过量的粉粒白泥增加了试样中的毛细孔道,即增加了水分渗入黏土矿物晶片之间的输送渠道。 此外,碳酸钙属于亲水性物质,而毛细作用与物质的亲水性有关,所以掺入过量碳酸钙会提高毛细作用速率。 因此,与素膨胀土和低白泥掺量膨胀土相比,高白泥掺量膨胀土的吸水速率更高,单位时间内有更多黏土矿物晶层发生膨胀,提高了试样的膨胀力。

4 结论

1） 10%的白泥掺量为最优掺量,可显著降低膨胀土的液塑限和膨胀力,使液限降低14%,塑限降低16%,膨胀力降低17%～46%。 继续增加白泥掺量,液塑限持续降低,但压实土样的膨胀力反而变大,当白泥掺量为40%时混合土样的膨胀力高于素土。

2） 造纸白泥对膨胀土的影响机制在于:白泥中部分可溶物溶解,提高了溶液中阳离子浓度,造成双电层压缩;造纸白泥对黏粒的替换作用;白泥的粉粒亲水性改变了混合物的亲水性和孔隙结构。 液塑限主要受到双电层压缩和造纸白泥替换作用的影响,随白泥掺量的增加而持续降低直至稳定。 对于压实土样,当白泥掺量低于10%时,受到双电层压缩和替换作用共同影响,膨胀力明显降低;当白泥掺量高于10%时,膨胀力还受到孔隙结构的影响,过量粉粒亲水性白泥改变了混合物的亲水性和孔隙结构,提高了试样的吸水速率,单位时间内有更多黏土矿物晶层发生膨胀,从而导致膨胀力变大。