粉煤灰及电石渣改良膨胀土干湿循环特性研究

张万涛 吕治刚 王 睿 李红昌

(1.安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011； 2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

1 概述

遇水膨胀、失水收缩是膨胀土的主要特点之一。在干湿季节循环交替的过程中，土体体积产生周期性的收缩和膨胀，导致土体结构破坏，进而为基础结构和上层建筑带来安全隐患[1,2]。

已有研究表明[3，4]，向土体中掺入石灰、水泥和粉煤灰等添加剂可有效降低土体膨胀性，且能提高土体强度。干湿循环作用对改良膨胀土工程性质的影响引起许多学者的关注[5,6]。

粉煤灰和电石渣为工业废料，如果随意堆放可造成严重的环境污染。但二者作为固化剂使用时，则有良好的固化效果。本文从经济和环保的角度出发，以粉煤灰和电石渣作为添加剂，旨在研究粉煤灰和电石渣改良土的干湿循环特性。其主要内容包括：1)干湿循环作用对改良膨胀土胀缩特性的影响；2)干湿循环作用对改良膨胀土强度的影响。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验用土为合肥市包河大道西侧包河区政府某基坑场地膨胀土，取土深度4 m～7 m，褐色～浅棕黄色，硬塑状态。其物理力学性质指标如表1所示。

表1 原状土的基本物理力学性质指标

试验所用粉煤灰和电石渣分别取自皖能电厂和合肥氯碱化工集团，二者均为排放量较大的工业废渣。

2.2 试验方法

综合自由膨胀率试验、界限含水率试验和击实试验结果，试验设计粉煤灰、生石灰与干土质量百分比为1∶0∶5,1∶0.1∶5，电石渣与干土质量比为1∶12.5和1∶10。

3 试验成果与分析

3.1 膨胀性

3.1.1无荷膨胀率试验

采用不同类型及掺量固化剂改良的膨胀土经过干湿循环作用后，其无荷膨胀率与干湿循环次数的关系曲线如图1所示。

由图1a)可以看出，与单独使用粉煤灰(F20)相比，混合使用粉煤灰和石灰(F20+L2)改良的膨胀土无荷膨胀率显著降低；而电石渣(S8和S10)改良土的无荷膨胀率略大于F20+L2改良土。这主要与添加剂中CaO含量有关。向膨胀土中加入含有CaO的添加剂后，Ca2+可置换出土中的单价阳离子，从而平衡粘土层表面的负电荷，减小粘土层间化学电斥力，降低土体膨胀性。此外，CaO遇水生成的Ca(OH)2为粉煤灰中的活性成分，如SiO2和Al2O3等提供了碱性环境，促进火山灰反应的发生，生成C-S-H,C-A-H等胶凝产物，可吸附粘土颗粒，使土体膨胀性降低。

由图1b)可知，随着干湿循环次数的增加，改良膨胀土的无荷膨胀率逐渐增大。

3.1.2膨胀力试验

图2为不同类型及掺量固化剂改良膨胀土经干湿循环作用后膨胀力的变化曲线。

如图2a)所示，增加固化剂掺量可减小膨胀土的膨胀力，而S8和S10改良土的膨胀力比F20和F20+L2改良土小。粉煤灰中活性氧化物成分含量较高，在石灰提供的强碱性环境中可以溶解出Si4+和Al3+等高价阳离子。这些阳离子可置换出粘土颗粒表面的K+，Na+等低价阳离子，使双电层厚度减薄，颗粒间的相互作用力降低。因此，混合使用粉煤灰和石灰可有效减小土体膨胀性。而土体中加入电石渣后，通过阳离子交换作用、火山灰反应可产生大量絮凝产物，填充土体结构孔隙，减小粘土矿物吸水膨胀、失水收缩的空间，从而改善土体胀缩特性。

图2b)表明，增加干湿循环次数可导致改良膨胀土的膨胀力增大，说明干湿循环作用削弱了改良土体的胀缩稳定性。

3.2 无侧限抗压强度

经过干湿循环作用后，改良膨胀土的无侧限抗压强度随干湿循环次数的变化曲线如图3所示。

如图3a)所示，掺入F20和F20+L2的试样强度为0.1 MPa～0.75 MPa；掺入S8和S10的试样强度为2.0 MPa～3.3 MPa。电石渣和粉煤灰均具有比表面积大、硅铝含量高等特点，二者的固化机制类似。但由于电石渣中CaO含量高于粉煤灰，因此前者改良土的无侧限抗压强度明显高于后者。

由图3b)可知，在干湿循环0次～5次时，改良土的无侧限抗压强度逐渐减小。在干湿循环初期，交替的膨胀和收缩作用破坏了试样内部结构的完整性，产生细微裂缝，导致试样强度明显下降。随着干湿循环次数的增加，裂隙继续发育，逐渐发展成为贯通裂缝；部分胶凝结构也逐渐被破坏，丧失粘结力，土体强度进一步降低。当干湿循环次数达到5次～10次时，试样强度的变化幅度趋于稳定。

4 结语

本文通过系统的室内试验对粉煤灰、电石渣改良土遭受干湿循环作用后的膨胀性、强度特性进行了研究，并得到以下几点结论：1)电石渣改善土体膨胀性的效果明显优于粉煤灰；且土体膨胀性随添加剂掺量增加而减小，无侧限抗压强度随之增大。2)随着干湿循环次数的增加，土体膨胀性增大，无侧限抗压强度降低。