超细粉煤灰水泥改良膨胀土试验研究*

2021-07-08付静

化学工程师 2021年5期

付静

（浙江长征职业技术学院建筑工程系，浙江杭州310000）

膨胀土是一种高塑性黏土，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定，对道路、高速铁路造成了极大的伤害[1,2]。然而膨胀土在我国境内分布广泛，且不同地区膨胀土的膨胀特性各有不同，因此，膨胀土地区修建道路、铁道工程难度加大[3]。膨胀土作为隐藏的地质灾害，其破坏形式具有长期性、反复性和潜在性，造成工程构筑物地基沉降开裂、岸坡跨塌和路基变形等工程事故，工程损失巨大。

因此，在膨胀土地区施工时，有必要对膨胀土进行改良，采用改良后的膨胀土完成工程建设[4]，保证工程质量。

目前，改良膨胀土的膨胀特性和提高其强度的方法有很多，多数研究者采用物理、化学和生物方式完成对膨胀土的改良[5-8]。李艳玲等[9]通过粉煤灰水泥对膨胀土进行改良，研究结果表明，掺加粉煤灰水泥能显著改善膨胀土的力学强度，当粉煤灰水泥掺量为30%时，其强度增幅最大。连继峰等[10]结合实际工程采用水泥、石灰和粉煤灰水泥对膨胀土进行改良，研究结果表明，石灰、水泥改良后的膨胀土具有良好的强度特性，降低了膨胀土的胀缩性能；但两者结合使用抵抗干湿的效果减弱。王隽峰[11]以云贵铁路为例，从设计和试验角度对膨胀土地区修建铁路发生的病害进行了分析和总结，提出膨胀土地区修建高速铁路的设计建议。傅乃强等[12]采用纤维粉煤灰水泥对膨胀土进行改良，研究结果表明，纤维的加入改善了粉煤灰水泥土样的脆性破坏模式;随着养护龄期的增加,改良土的强度逐渐提高。杨常所[13]通过石灰对膨胀土进行改良，研究结果表明，石灰掺量6%时，天河机场附近的膨胀土可以用作无砟轨道铁路基本体的填料。虽然对膨胀土的改良取得了一定的研究成果，但是，目前对于超细粉煤灰水泥改良膨胀土的工程特性尚缺乏系统的研究，因此，有必要对超细粉煤灰水泥改良膨胀土的工程特性进行室内试验研究。

本文采用超细粉煤灰水泥对膨胀土进行改良，研究了超细粉煤灰水泥掺量对膨胀土击实性能、自由膨胀率和力学性能的影响。可为超细粉煤灰水泥改良膨胀土在铁路工程方面的应用提供有效的参考。

1 实验部分

1.1 原材料

试验所用膨胀土选自成都地区，颜色呈现黄色或黄褐色，裂隙发育交叉呈现网纹状，土体内部能看见白色的钙质。膨胀土内部含大量的白色粘土粒，含量高达50%，其主要矿物成分有高岭土、伊利石和一定量的蒙脱石，具体的物理参数见表1。

表1 膨胀土物理性质指标Tab.1 Physical properties of expansive soils

粉煤灰水泥采用沈阳忆利粉煤灰水泥建材有限公司生产的超细粉煤灰水泥，主要成分由SiO2，Al2O3和Fe2O3组成，其化学成分见表2。为了激发超细粉煤灰水泥的活性，根据陈若莉的研究成果选取碱性激发机NaOH，由济南萧试化工有限公司生产的，分析纯NaOH呈白色粒状结构。

表2 粉煤灰水泥的化学组成（wt%）Tab.2 Chemical composition of fly ash cement

1.2 试验方案

按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）,将取回的天然膨胀土，碾碎后，在标准条件下，将膨胀土、不同掺量超细粉煤灰水泥和NaOH复合，其中粉煤灰水泥掺量质量分数为0%、5%、8%、12%和15%。首先，将碾碎后的膨胀土用2mm的标准筛进行过滤，然后将过滤后的膨胀土与超细粉煤灰水泥和激发剂NaOH放入烘箱中烘烤24h，取出搅拌均匀，进行击实试验。

将膨胀土风干碾碎过0.5mm筛，分别按照0%、5%、8%、12%、15%的质量百分数掺加超细粉煤灰水泥，拌和均匀，养护时间分别为7、14、28d。按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）进行膨胀土样的自由膨胀率试验。

采用YYW-2型无侧限抗压仪进行土样无侧限抗压强度测试，根据击实试验选取干密度1.7g·cm-3,含水率21.3%，土样制备根据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）进行，研究不同掺量超细粉煤灰水泥对膨胀土无侧限抗压强度的影响。

采用全自动三轴仪进行三轴试验，按试验规范《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）选取固结不排水试验（CU），研究不同围岩（100，300kPa），剪切速率为0.05mm·min-1的条件下进行CU试验。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰水泥掺量对膨胀土击实特性的影响

根据部分学者研究激发剂对粉煤灰水泥的激发作用，研究表明，NaOH掺量为12%时，对粉煤灰水泥的激发效果最好。因此，试验选取掺量为12%的NaOH与不同掺量的超细粉煤灰水泥相混合，研究不同掺量超细粉煤灰水泥对膨胀土击实特性的影响。图1、2为最大干密度、最优含水率与超细粉煤灰水泥掺量的关系曲线。

图1 最大干密度与超细粉煤灰水泥掺量的关系图Fig.1 Relation diagram of maximum dry density and cement content of ultra-fine fly ash

由图1可以看出，随着超细粉煤灰水泥掺量的增加，试样的最大干密度逐渐降低，主要原因是由于超细粉煤灰水泥的相对体积质量比膨胀土小，在相同体积下，超细粉煤灰水泥的质量小于膨胀土；而超细粉煤灰水泥作为矿物掺和料与膨胀土相混合，形成了新的胶结物质，使土样的粘性增加，从而降低了膨胀土的干密度。

由图2可知，随着超细粉煤灰水泥掺量的增加，土样的最优含水率逐渐降低，其原因是由于超细粉煤灰水泥中的Mg2+和Ca2+与膨胀土中的K+和Na+互相交换，颗粒之间紧密联系，导致结合水膜变薄，最佳含水量降低。

图2 最优含水率与超细粉煤灰水泥掺量的关系Fig.2 Relationship between optimal moisture content and content of superfine fly ash cement

2.2 超细粉煤灰水泥掺量对膨胀土自由膨胀率的影响

不同掺量超细粉煤灰水泥改良膨胀土的自由膨胀率见图3。

图3 自由膨胀率与超细粉煤灰水泥掺量的关系Fig.3 Relationship between free expansion rate and cement content of superfine fly ash

由图3可以看出，超细粉煤灰水泥的掺入可以有效改善膨胀土的自由膨胀率，养护龄期7d时，掺量5%的超细粉煤灰水泥的自由膨胀率为27%，与素膨胀土的自由膨胀率72%相比，降低了50%；随着超细粉煤灰水泥掺量的增加，自由膨胀率继续降低，但降低幅度缓慢。当超细粉煤灰水泥掺量为12%时，降低幅度为83.06%，掺量15%时，其降低幅度基本维持不变。其原因是由于超细粉煤灰水泥中高价阳离子与膨胀土中的低价离子发生置换反应，减小了膨胀土水膜厚度，从而使膨胀土的自由膨胀率有所降低。随着超细粉煤灰水泥掺量的增加，高价阳离子出现剩余，不能与膨胀土低价离子发生置换反应，从而减缓了膨胀土的自由膨胀率。根据规范可知，不同掺量的超细粉煤灰水泥改良膨胀土的自由膨胀率均≤40%，说明超细粉煤灰水泥改良膨胀土不具有膨胀性。同时比较养护龄期7、14和28d自由膨胀土率可知，养护龄期对不同掺量超细粉煤灰水泥改良膨胀土几乎没有影响。

2.3 超细粉煤灰水泥对膨胀土无侧限抗压强度的影响

将土样养护至28d进行无侧限抗压强度试验，结果见图4。

图4 无侧限抗压强度与轴向应变的关系曲线Fig.4 Relationship between unconfined compressive strength and axial strain

由图4可以看出，随着超细粉煤灰水泥掺量的增加，试样无侧限抗压强度先增加后减小。超细粉煤灰水泥掺量在5%~12%时，土样强度逐渐增加，当超细粉煤灰水泥掺量超过12%之后，抗压强度有所降低。

由图5可以看出，超细粉煤灰水泥改良膨胀土是存在峰值强度的，峰值处改良效果最优，掺量过高其峰值强度降低，改良效果变差。其原因一方面是由于超细粉煤灰水泥呈现微珠结构，随着掺量的增加，填充了土样中的孔隙，使土样的微结构变得密实，导致土样内部的摩擦角增大，使土体的强度增加，随着超细粉煤灰水泥的增加，土样内部的粘聚力降低比较明显，使土样的峰值强度开始降低。另一方面，超细粉煤灰水泥化学成分中的阳离子如Fe3+、Ca2+等与膨胀土中的离子产生交换，使土样中的双电层变弱，内部絮凝作用能力增强，形成团粒化效应，从而增强了土样的抗压强度。超细粉煤灰水泥掺量12%时，其土样的峰值抗压强度比未改良土样的峰值强度增加33.70%。因此，掺入适量的超细粉煤灰水泥对膨胀土进行改良，可以提高膨胀土的峰值抗压强度。

图5 膨胀土峰值强度与粉煤灰水泥掺量的关系曲线Fig.5 Relationship between peak strength of expansive soil and cement content of fly ash

2.4 超细粉煤灰水泥对膨胀土三轴试验结果的影响

不同超细粉煤灰水泥掺量改良膨胀土三轴试验结果见图6。

图6中σ1-σ3为最大主应力和最小主应力之差。

由图6可以看出，掺入超细粉煤灰水泥可以显著改善膨胀土主应力，随着超细粉煤灰水泥掺量的增加，主应力差呈现先增加后减少的趋势。与素膨胀土相比，当超细粉煤灰水泥掺量为12%时，主应力差最大，其改良后的膨胀土抗剪强度最大。当超细粉煤灰水泥掺量为15%时，其土样的抗剪强度开始降低。随着围压的增加，土样的抗剪强度增加，当围压100kPa时，与素膨胀土相比，不同超细粉煤灰水泥掺量（5%、8%、12%）其改良后的土样抗剪强度增加了12.64%、21.83%、29.89%。当围压300kPa时，与素膨胀土相比，不同超细粉煤灰水泥掺量（5%、8%、12%）其改良后的土样抗剪强度增加了20.05%、35.71%、68.45%。其原因是，随着超细粉煤灰水泥的掺入，在激发剂NaOH作用下，土样内部的微结构发生了改善，内部产生凝胶和钙质化合物，有效提高了改良后膨胀土的强度。