工业碱渣改性膨胀土室内试验研究

孙孝海，谢建斌，赵一锦，陈伟，张文豪，江胜

(云南大学 建筑与规划学院，云南 昆明 650500)

0 引 言

膨胀土是一种以亲水性矿物为基本成分的高塑性特殊土，吸水膨胀，失水收缩、开裂，这些特性会导致修筑在膨胀土地基上的建筑物或构筑物发生破坏。因此，众多专家学者[1-5]对膨胀土进行改良研究，使其满足工程建设要求。陈永青等[6]、董泊林等[7]、安爱军等[8]利用生物酶、碎石、石灰-火山灰等改良膨胀土，表明生物酶能有效提高改良膨胀土的力学性能；碎石掺量对改良膨胀土的效果影响明显，中等强度膨胀土建议在最优含水率条件下掺碎石25%,以达到较优改良效果；石灰-火山灰对膨胀土进行改性后,土颗粒胶结紧密，降低了孔隙的连通性，有效抑制了膨胀土的胀缩特性；邓友生等[9]对不同长度聚丙烯纤维按0.0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%质量分数进行改良膨胀土研究；刘祖强等[10]建立了干湿循环作用下渠顶膨胀土的竖向变形模型，研究了渠顶变形与干湿循环的关系；谢辉辉等[11]开展环剪试验，研究干湿循环次数与膨胀土的峰值强度的联系；边加敏[12]分析了石灰改良膨胀土的水稳定特性；徐海波等[13]等通过室内常规三轴试验证实掺入水泥明显影响膨胀土的塑限、塑限指数和自由膨胀率；符策岭等[14]等通过一系列室内试验，得到膨胀土基本物理力学性能和水稳定性等各项指标的变化规律；张雁等[15]等从微观角度揭示煤矸石粉改良膨胀土强度变化机理。

常见的膨胀土改良方法包括水泥、石灰和碎石等，而工业碱渣在改良膨胀土中的应用较为少见。国内外学者研究发现，工业碱渣能有效抑制膨胀土的膨胀变形。云南地区的土质偏酸性，同时为了使工业碱渣得到更好的利用，本文通过大量室内试验探讨掺工业碱渣改良膨胀土的可行性，以期为工业碱渣改良膨胀土提供指导和借鉴。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

试验用土取自蒙自市上海路路段，黄褐色，其中混杂少许钙质结核以及隧石，取土深度为1.5～2 m。该区域膨胀土主要为中膨胀潜势的膨胀土，不均匀系数Cu=7.973，曲率Cc=1.255，其他基本物理力学特性如表1所示。

表1 蒙自膨胀土物理力学参数

工业碱渣的主要成分为 CaCO3，CaO，MgCO3，CaCl2，NaCl，Na2SO4，CaSO4等，其中CaCO3，CaO可以有效改良膨胀土。而水泥中均含有CaO，SiO2，Fe2O3，Al2O3等成分，以往也有众多学者将之运用于改良膨胀土，并取得较好效果。

1.2 试验方案

(1)分别设计素膨胀土、素膨胀土掺水泥(2%,4%，6%，8%，10%)、素膨胀土掺工业碱渣(10%，20%，30%，40%，50%)、素膨胀土掺水泥+工业碱渣(2%+10%，4%+20%，6%+30%，8%+40%，10%+50%)16组土样，进行自由膨胀率、颗粒级配和液塑限对比试验。

(2)素膨胀土、素膨胀土掺水泥(2%，4%，6%，8%，10%)、素膨胀土掺工业碱渣(10%，20%，30%，40%，50%)、素膨胀土掺水泥+工业碱渣(2%+10%，4%+20%，6%+30%，8%+40%，10%+50%)共计16组土样，每组制备5个不同含水率的土样，其中2个大于塑限，2个小于塑限，1个接近塑限，即2个土样含水率大于23.2%，2个小于23.2%，1个接近23.2%，分别进行击实试验。

(3)为便于试验数据处理，将不同掺料比的水泥(2%，4%，6%，8%，10%)、工业碱渣(10%，20%，30%，40%，50%)、水泥+工业碱渣(2%+10%，4%+20%，6%+30%，8%+40%，10%+50%)划分为5个等级，其中1等级为2%的水泥、10%的工业碱渣和2%+10%的水泥+工业碱渣，其余4个等级依次类推。

2 3种掺料自由膨胀率对比试验

为提高试验准确性，在进行自由膨胀率试验前，共制备了48组试样(每种掺料比制备3份)，将48组试样放置于室内阴暗处，静置12 h。3种改性膨胀土的自由膨胀率随掺料等级变化的结果如图1所示。

图1 不同掺料比改性膨胀土自由膨胀率曲线

由图1可知，3种改性土的自由膨胀率随掺料等级的变化规律基本相似，均使云南蒙自膨胀土的自由膨胀率大幅度下降。其中随着掺料等级递增，3种改性膨胀土的自由膨胀率先快速减小，然后小幅度上升，最后趋于稳定。掺料等级为3时，自由膨胀率最小，此时工业碱渣掺料比为30%，将蒙自典型膨胀土的自由膨胀率从71%降至18%左右；水泥改性土和水泥+工业碱渣混合改性土的最小自由膨胀率约为24%和28%，相差不大。3种改性土样在最佳掺料比时，工业碱渣的最小膨胀率约是水泥的75%，是水泥+工业碱渣的64%。试验表明，工业碱渣对抑制云南典型膨胀土的效果优于常见的改性材料水泥。

试验中，3种改性掺料提供大量的高价阳离子，如Al3+，Fe3+等，通过与膨胀土自带的离子发生置换反应，使膨胀土对水分子的吸引力减小，进而降低结合水膜厚度，所以改性土样的自由膨胀率变小；膨胀土中的水附低价离子数目一定，随着掺料比不断增加，置换离子的速率逐渐缓慢，而剩余掺料与水发生反应，导致改性膨胀土膨胀率出现微小提高。

3 基本物理性质试验

3.1 膨胀土改性土颗粒分析试验

膨胀土的颗粒级配是不同地区膨胀土工程性质呈现差异的主要原因之一。采用四分法对角取土样，加入掺料后对16组土样密封24 h，最后将其风干烘烤。通过筛分法对16组土样进行颗粒级配试验，结果如图2所示。

图2 不同掺料比与素膨胀土颗粒级配对比曲线

从图2可以看出，素膨胀土的颗粒曲线变化趋势与不同掺比的水泥、工业碱渣、水泥+工业碱渣颗粒曲线相似。颗粒粒径在10～100 mm时，随着掺料比的增加，各粒径所占质量分数变化较小；粒径为0.1～10 mm时，3种掺料的不同掺比对素膨胀土的粒径影响较大，不同粒径颗粒质量分数随着掺料比的增加而变大，其中水泥和水泥+工业碱渣的颗粒大小曲线基本相同，而工业碱渣对该区间的改良明显优于水泥和水泥+工业碱渣。掺料比6%，8%和10%的水泥改良膨胀土颗粒级配曲线基本重合，说明素膨胀土对超过6%后的掺料比敏感度下降，同样水泥+工业碱渣的最佳掺料比为6%+30%，工业碱渣提升素膨胀土颗粒粒径的最佳掺料比为30%。

添加水泥、工业碱渣和水泥+工业碱渣3种改性材料后，素膨胀土的黏粒质量分数不断下降，粉粒和砂粒质量分数不断提高，出现这种现象的原因是掺料中的成分与蒙自膨胀土发生离子交换，生成络合物，使膨胀土颗粒产生凝聚反应，聚集成大颗粒。3种改性掺料都在一定程度上抑制了蒙自膨胀土的胀缩潜势，其中以掺加工业碱渣的改性膨胀土最为明显，且工业碱渣在掺料比10%时，素膨胀土的敏感性最明显，随着掺料比继续增大，抑制效果逐渐增强，直至掺料比30%时，抑制效果最好。

3.2 液塑限试验

测定土体的液塑限对了解、掌握土体性状至关重要，通过液塑限联合测定法测定云南蒙自膨胀土素土以及众多改良土的液限和塑限，试验结果如图3所示。

图3 不同掺料比与阿太保界限关系曲线

由图3可见，水泥改性土的液限和塑性指数随着水泥掺料比的增加缓慢减小，掺料比2%～4%时，下降幅度最大。水泥+工业碱渣改性土的液限和塑性指数曲线的变化趋势相似，整体上随着掺料的增加逐渐减小，掺料等级为0～1(0～2%+10%)时，素膨胀土对水泥+工业碱渣较为敏感；掺料比为4(8%+40%)时，塑限达到最大值，塑性指数达到最小值。工业碱渣改性土的液限和塑性指数曲线随着掺料比的增加先减小后缓慢增加，对0%～10%的掺料比敏感度最大，塑限曲线在掺料比40%时，达到最大值，此时塑性指数曲线达到最小值。3种掺料曲线整体变化趋势相似。

分析产生上述现象的原因：不同掺料比的3种掺料中含有大量的钙离子化合物，在水的作用下，水化生成 Ca(OH)2等水化物，使膨胀土聚集成粒径较大的颗粒，将散乱的土颗粒变成一种凝结、有序结构，膨胀土含水率下降，因此液限减小；膨胀土的黏性颗粒四周聚集大量的阴离子，这些负电荷在电场作用下吸附水中的水化阳离子形成双电子层，其整齐排列在土颗粒表面，成为结合水膜，膨胀土随着结合水膜厚度增加而胀缩，而掺料中含有的化合物与水反应生成可溶性的钙离子，这些钙离子与膨胀土中的低价离子发生置换反应，使结合水膜厚度降低，导致塑限产生变化；同时这些水化物增大了土颗粒之间的胶结力，降低土颗粒的孔隙率，增强了土体密实度，所以土体塑性指数随着掺料增加而逐渐减小，但是素膨胀土中的离子数目一定，当掺料比超过某一界限值时，液塑限变化将很小，且剩余掺料与水发生发应，造成液塑限曲线浮动。

综上所述，水泥、工业碱渣以及水泥和工业碱渣对蒙自膨胀土的液塑限影响明显。其中，工业碱渣影响最明显，当工业碱渣掺比达到40%时，塑限增至约37%，液限降至约42%，塑性指数降至约5.3，远小于10。说明掺加工业碱渣对云南蒙自膨胀土的胀缩特性抑制效果明显。

3.3 击实试验

为了确定向蒙自膨胀土中加入改良掺料是否会对最大干密度和最优含水率产生影响，将制备好的土样放入塑料袋中，密封静置24 h，然后进行室内击实试验，结果如图4所示。

图4 最大干密度与最优含水率关系曲线

由图4可见，掺加改性掺料后，蒙自膨胀土的最优含水率与最大干密度均有一定变化，整体上干密度随含水率的变化曲线呈倒V形，随着含水率的增加先增大后减小。其中最大干密度和最优含水率随着水泥掺比的增加先减小再增加，当水泥掺比6%时，最大干密度约1.48 g/cm3，最优含水率21%。掺加水泥+工业碱渣混合改性掺料后的最大干密度随着掺料比增加而减小，最佳含水率先减小后增大，当掺料比为4%+20%时，最佳含水率约为20.1%，此时最大干密度约为1.54 g/cm3。掺加工业碱渣改性掺料后，随着掺比增加干密度逐渐减小，最优含水率先逐步减小后增大，当工业碱渣掺比为30%时，最大干密度约为1.42 g/cm3，最优含水率约为19.3%。3种改性掺料的最大干密度和最佳含水率均小于蒙自膨胀土重塑土的最大干密度1.55 g/cm3与最佳含水率24%。其中工业碱渣对膨胀土的影响最为显著，掺加工业碱渣后，改性土干密度与含水率关系曲线较素膨胀土的曲线缓和，掺比为30%时，最大干密度与最优含水率均较素膨胀土减小很多，改良效果最佳。

适量的改性掺料能有效改善膨胀土的级配，粒径小的水泥或工业碱渣颗粒能填入土颗粒之间，并形成新的凝聚矿物，增大土颗粒间的胶结力，降低土样的击实效果，使土体干密度减小，当掺料比过大时，多余掺料会加大粉粒和砂粒之间的摩擦阻力，干密度也会降低；掺入改性掺料后，膨胀土颗粒与高价阳离子交换，降低了土颗粒周围的双电层密度和厚度，土样孔隙率减小，更加容易被击实，因此，土体最优含水率减小。

4 细观分析

通过SEM进行扫描电镜试验，观察分析3种改性膨胀土样的微观结构。素膨胀土、水泥改性土、水泥+工业碱渣改性土、工业碱渣改性土的微观结构示意图如图5～8所示。

图5 素膨胀土微观结构

图5为电镜下蒙自膨胀土的微观结构，主要表现为连续的、杂乱分布的基质状微结构，黏土基质主要呈聚集状，以面与面、面与边、边与边排列形成集聚体。由于天然膨胀土一般含有大量的蒙脱石，蒙脱石是由上下硅氧四面体构成的3层结构，因此该基质状微结构总体上比较松软和散乱，基质状之间和基质状内部存在大量孔隙，且裂隙发育稳定以往研究成果表明,这种基质状微结构面-面之间的联结力较弱,且具有很强的吸水性能，双电子层理论和晶格扩张理论可解释膨胀土的膨胀机理。

图6 水泥改性膨胀土微观结构

图7 水泥+工业碱渣改性膨胀土微观结构

图8 工业碱渣改性膨胀土微观结构

从图6～8可看出，在3种改性掺料作用下，膨胀土形成具有蜂窝状、骨架状、海绵状的混合结构。改性掺料在水的作用下，生成具有凝胶性和黏结性的物质，将松散的基质聚集成大颗粒、矿物聚合体等，且这些较大颗粒紧密地组合在一起，相较于黏聚基质以面与面、面与边、边与边的方式结合更加密实，明显提高了蒙自膨胀土散乱和蓬松的状态。胶结物质很大程度上充满孔隙或间隙，使土颗粒的结合更加紧密，有效阻隔了水分子进入。从3种改性掺料改良膨胀土的微观图可见，工业碱渣对抑制云南典型膨胀土的吸水膨胀的效果好于传统改性掺料水泥和混合掺料水泥+工业碱渣。

5 结 论

(1)相对于水泥和水泥+工业碱渣，工业碱渣对膨胀土自由膨胀率抑制效果最好。当掺比为30%时，自由膨胀率仅为18%，远远低于未掺料膨胀土的自由膨胀率71%。

(2)素膨胀土在3种改性掺料的作用下，通过离子交换降低膨胀土黏粒质量分数，提高粉粒和砂粒质量分数，其中工业碱渣的改良效果最为显著。

(3)3种改性掺料液塑限曲线整体变化趋势相同。水泥掺料的液限曲线逐渐下降，塑限上升，并且随着水泥掺料比的增加，塑性指数逐渐减小；掺入工业碱渣后，液限曲线先减小后增大，塑限曲线先提升后下降，掺料比为30%时，塑性指数最小。

(4)工业碱渣对膨胀土的击实曲线影响最大，当工业碱渣掺比为30%时，最大干密度约为1.42 g/cm3，最优含水率约19.3%，远小于蒙自膨胀土重塑土的最大干密度1.55 g/cm3与最佳含水率24%。