孙树林，唐 俊,，郑青海,，张淦钰，周立国,，尚文涛

（1.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；2.河海大学 地球科学与工程学院，南京 210098；3.安徽省交通规划设计研究院，合肥 230088；4.中水顾问集团中南勘察设计研究院，长沙 410014；5.安徽省电力设计院，合肥 230601；6.河海大学 土木工程与交通学院，南京 210098）

1 引 言

膨胀土是颗粒高分散、成分以黏土矿物为主、对环境的湿热变化非常敏感的高塑性黏土，具有吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特性。膨胀土的这种不良特性使得膨胀土地区房屋建筑、公路桥梁、水利工程以及机场等工程建设产生许多工程病害。

目前膨胀土主要采用石灰进行改性处理[1－4]，但采用石灰进行改性的成本较高，且对公路沿线环境的污染较大。近年来人们逐步开始利用固体废弃物对膨胀土进行改良[5－8]，如用铸造废砂、粉煤灰等掺料来改良膨胀土的工程性质。

本文利用高炉水渣对南京卫岗地区膨胀土进行改性研究，并通过与改性前的物理力学指标、胀缩指标、强度指标的对比，来确定高炉水渣改性效果。

2 高炉水渣的改性原理

水渣是把热熔状态的高炉渣置于水中急速冷却产生的。水渣的主要化学成分是CaO，其改良机制一是将高炉水渣改性剂掺入膨胀土之中后，高炉水渣成分中的高价阳离子能与黏土颗粒表面的低价阳离子发生交换[9]。离子交换对黏土颗粒还能产生絮凝或团聚作用，使土的组织结构发生变化，减小了黏粒含量；二是在膨胀土中掺入高炉水渣，增加粗颗粒含量，通过改变膨胀土原有的颗粒级配，减弱膨胀土的胀缩能力；三是膨胀土中的活性硅、铝矿物在Ca(OH)2的碱性激发下发生解离，在水的作用下与Ca(OH)2反应生成硅酸铝和铝酸钙。这个过程生成的新化合物是一种水稳性较好的结合材料。

3 试验材料矿物化学成分及基本物性指标

3.1 膨胀土

膨胀土采集于南京卫岗，取土深度为 1.6～2.0 m，其矿物成分、物理性质指标如表1、2所示。其自由膨胀率δef=51%，液限Lω=48.1%，塑限pω=19.5%，塑性指数Ip=28.6，所取的膨胀土天然含水率大部分接近塑限，自然状态下呈半坚硬状态，滑感较强，肉眼可看到少量的钙质结核。

表1 膨胀土的矿物成分（单位：%）Table1 Mineral compositions of expansive soil(unit:%)

表2 膨胀土物理性质指标Table2 Physical indices of expansive soil

由表2可以看出，土样自由膨胀率高达51%，塑性指数达28.6，可确定为弱膨胀土[10]。

3.2 高炉水渣

本文试验所用的高炉水渣取自于马鞍山钢铁公司第二炼铁厂，其化学成分见表3，颗粒组成见表4。

由表3可以看出，高炉水渣的主要化学成分是CaO和 SiO2，含量都在 30%以上，另外 Al2O3和MgO含量也比较多。这4种化学物质的含量近90%。从试验高炉水渣级配及粒径范围可以看出：试验所用高炉水渣就其颗粒大小及颗粒组成而言，类似于砂质土；高炉水渣中粒径小于 0.1 mm 的颗粒重占27%，从颗粒级配来看，不均匀系数K=9.5，级配良好。

表3 高炉水渣化学成分Table3 Chemical components of GBFS

表4 高炉水渣颗粒级配Table4 Particle size distributions of GBFS

4 土样制备

根据试验所需土样数量，将碾散的土样过2 mm筛（自由膨胀率试验过0.5 mm筛），过筛后用四分对角取样法，取出足够数量的代表性土样。对风干土测定风干含水率。参考Cokca等[11]所做高炉水渣作添加剂改性膨胀土的研究，选择高炉水渣的掺量分别为3个水平10%、15%、20%。取过筛后的风干土，平铺于不吸水的盘内，计算不同掺渣率和不同含水率所需要的渣和水的质量；用喷雾器喷晒预计水量均匀拌合土和渣，然后装入塑料袋中扎紧，养护一周，让膨胀土和高炉水渣充分反应作用。

5 改性试验

针对素土和3种不同掺量的高炉水渣改性土，分别进行基本物理特性、膨胀特性和强度特性对比试验，以探讨高炉水渣改性的效果及其工程特性。

5.1 基本物理特性试验研究

5.1.1 击实特性

对素土和改性土分别进行击实试验，探讨高炉水渣改性前后最大干密度和最优含水率的变化规律。试验结果见图1和表5。

由图1和表5可看出，在相同击实功下，3种高炉水渣改性土最优含水率相差不大，都在19%左右，但均比素土的小，最大干密度随着高炉水渣的掺入量的增加变化很小，基本维持在 1.75 g/cm3，均比素土的1.68 g/cm3大，并且改性土峰值区比素土要平缓。随着高炉水渣掺入量的增加有增强的趋势，这说明改性土的干密度对含水率的敏感性比素土小。

5.1.2 颗粒分析

对素土、高炉水渣、不同残渣率改性土进行颗分试验，如图2所示。在粒径分配曲线上，可以看出黏土颗粒明显减少，小于0.002 mm的胶粒含量明显减少（分别从24%减至16%、15%、13%），改性后的膨胀土不均匀系数提高到10以上，此种土中细颗粒充填于粗颗粒所形成的孔隙中，使得土质密度较高的力学特性较好。

图1 改性前后干密度与含水率的变化关系Fig.1 Relationships between dry density and moisture content before and after changing properties

表5 击实特性指标Table5 Indices for compacted behaviors

图2 土样的颗粒级配曲线Fig.2 Particle size distributions of the soil samples

5.1.3 自由膨胀率、界限含水率试验

自由膨胀率、界限含水率试验结果见表6。

从表6可以看出，自由膨胀率从改性前的51%下降到30%左右，已不具备膨胀土的基本特性；塑性指标也有明显改善，液限含水率也有所降低，塑性含水率变化不大，塑性指数从改性前最高32.3降低到19.1，可见其亲水性已大幅度下降。

表6 自由膨胀率、界限含水率指标Table6 Free swelling ratios and limited moisture contents

5.2 改性土的胀缩特性

膨胀土的胀缩特性是膨胀土的最基本特性，主要的影响因素为含水率和干密度。所以本文试验针对膨胀土及其改性土在压实度分别为93%、94%、96%的情况下，研究膨胀量和含水率之间的变化关系。

5.2.1 无荷膨胀量

膨胀土改性前后无荷膨胀量变化见表7。

表7 无荷膨胀量Table7 Swelling percentages without loading

从表7可以看出，膨胀土改性前后在相同含水率的情况下，压实度越高，无荷膨胀量越大，而在相同压实度的情况下，无荷膨胀量又随含水率的增加而减小。无荷膨胀量同时受击实含水率与击实干密度的控制，但含水率对膨胀量的影响比干密度显著。掺入高炉水渣的膨胀土无荷膨胀量有了明显的降低，当掺渣率为15%时，无荷膨胀量降到最低，最小的只有原来的40%，可见高炉水渣对膨胀土的膨胀特性能够起到很好的抑制作用。

5.2.2 50kPa荷载下膨胀量

图3为50 kPa荷载条件下膨胀土改性前后膨胀量随含水率变化关系曲线。

由图3以及表8可以看出，改性前后的膨胀土在50 kPa荷载下的膨胀量与无荷膨胀量变化规律和趋势基本一致。在50 kPa荷载下素土的最小膨胀量大于 1%，但是掺入高炉水渣后的改性土，50 kPa荷载的膨胀量最小的已经接近0。3种配比的改性土在最优含水率附近，在不同压实度的情况下，膨胀量均小于 0.7%。掺渣率为 15%和 20%的改性土 3种压实度的不同含水率的膨胀量都在0.7%以下。通过膨胀量试验可以看出，高炉水渣对膨胀土的膨胀特性有了显著的改善。

图3 膨胀土改性前后50 kPa荷载下膨胀量Fig.3 Swelling percentage versus moisture content relationships for expansive soil before and after improvement

表8 50 kPa荷载下的膨胀量Table8 Swelling percentages under 50 kPa loading

5.3 强度特性

5.3.1 抗剪强度

对素土和改性土抗剪强度特性的研究通过采用压制样进行不同垂直压力下直接快剪试验（饱水、非饱水状态）来完成，抗剪强度指标如表9所示，表中c为黏聚力，φ为内摩擦角。

从表9可以看出，改性土的直剪试验的抗剪强度指标较素土发生明显变化。素土饱水时强度衰减幅度巨大，黏聚力只有非饱水时的10%左右，内摩擦角也发生锐减。由此说明水稳性很差。改性土非饱水和饱水强度均有显著提高，黏聚力最高达到216.4 kPa，是素土的两倍，内摩擦角也小幅增大，而且改性土的饱水强度衰减幅度比素土小得多。试验结果表明，高炉水渣能够有效地提高抗剪强度及其水稳定性。

5.3.2 无侧限抗压强度

对素土和3种掺量改性土分别按其最优含水率制备了压制样，分别开展饱水和非饱水无侧限抗压强度试验。表10给出了最优含水率和最大干密度条件下压制样的试验结果。

表9 抗剪强度参数Table9 Shear strength parameters

表10 改性土无侧限抗压强度指标Table10 Indices for uncomfined compressive strength of improved soil

从表10可以看出，饱和膨胀土无侧限抗压强度远低于非饱和膨胀土无侧限抗压度，软化系数只有0.01，吸水软化非常明显。改性土的无侧限抗压强度比素土的略小，并且3种掺渣率的改性土之间相差不大，但软化系数都是较大的提高，均大于0.5。

6 结 论

（1）改性后的膨胀土黏粒含量降低，大幅改善了膨胀土的颗分级配。减小干密度对含水率的敏感度。

（2）改性土的自由膨胀率、液限、塑性指数均有不同程度的降低。

（3）膨胀土中掺入高炉水渣可有效抑制膨胀土的膨胀，降低膨胀势。膨胀土的无荷膨胀量、有荷膨胀量明显降低。

（4）高炉水渣改性膨胀土的抗剪强度、无侧限抗压强度试验表明，改性土具有较高的强度，且饱水后其强度衰减较小，具有较高的浸水强度，水稳性得到了提高。

（5）综合考虑试验的各项指标，掺入15%高炉水渣时，可以达到最佳改性效果。

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