秸秆灰渣改良膨胀土三维膨胀特性试验研究

张德恒，孙树林，徐奋强

(1.南京工程学院 建筑学院，南京 211167;2.河海大学 a.交通与土木工程学院;b.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室;c.地球科学与工程系，南京 210098)

膨胀土因富有强亲水性黏土矿物(如蒙脱石和伊利石)多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性黏性土，具有吸水膨胀、失水收缩的特点，经常引起一些工程事故［1－6］。利用固废物改良膨胀土越来越引起人们的重视［7－10］，并在抑制膨胀土的膨胀性、提高膨胀土强度等方面取得了很多成果［11－15］。但有关膨胀土体积改变与添加剂的线性关系方面的系统研究还缺乏报道。

本文旨在以一定比例的秸秆灰渣添加到膨胀土中进行击实、三维自由胀缩特性、膨胀压力和无侧限抗压强度4个试验，研究改良后膨胀土的三维胀缩特性及强度变化特征。

1 试验材料

以江苏南京地区的膨胀土为例，取土深度为1.5～2.5m，颜色为灰黄色，其物理性质指标见表1。由表1可知，膨胀土的自由膨胀率为70%，由规程［16］可知属于中性膨胀土。膨胀土液限54.4%，塑限24.2%，土的天然含水量30.3%，击实特性最优含水量14.0%，最大干密度1.85 g/cm3。

秸秆灰渣取自江苏地区生物质发电厂，主要以农作物为燃料，秸秆灰分为2种:细灰和灰渣。细灰直接装袋送往化肥厂作为生产化肥的有机原料，而秸秆灰渣颗粒较大难以破碎，以堆放填埋或者直接作为道路填料使用。秸秆灰渣特征为:颗粒质量较轻，以硬结核为主，难以破碎，颜色为灰黑色。颗粒分布如表1所示，矿物成分如表2所示。

图1是试样颗粒级配分布曲线，从图中可以看到，秸秆灰渣粒径大于0.075mm的颗粒含量超过了全重的85%，类似于细砂。素土通过添加改良剂之后其级配曲线有平缓的趋势，试样颗粒分布不均匀，级配良好。

2 试验方案

2.1 试样制备

根据规程［16］取足够的素土及灰渣，先将其进行烘干碾碎，然后试样过2mm的筛。试样制备步骤为:

表1 膨胀土和秸秆灰渣的物理性质指标Table 1 Physical properties of expansive soil and straw ash

表2 膨胀土和秸秆灰渣的化学成分Table 2 Chemical composition of expansive soil and straw ash

图1 试样的颗粒级配曲线Fig.1 Particle size distributions of soil samples

(1)将试验所需土样数量分成4份，然后掺入不同含量的秸秆灰渣。秸秆灰渣质量∶素土质量=0∶100，10∶100，15∶100，20∶100。

(2)把步骤(1)得到的试样掺和均匀，然后分层洒水搅拌，使其含水量控制在18%左右，最后密封湿闷24 h，以上试样制备均在塑料袋内完成，然后按照规程［16］对每种配比试样进行重型击实试验。

(3)由击实试验得到最大干密度及最优含水量，试样通过脱模器慢慢推到等直径硅胶模套筒内，硅胶模有较好的弹性，试样直径为152mm，高为110mm，放入养护箱养护7 d，养护条件为25℃，湿度保持在95%，然后进行三维膨胀试验。

(4)根据无侧限抗压强度模具的体积及击实试验得到的最大干密度及最优含水率称取试样，将称取的试样分3层放入击实模具内击实，每个配比分为养护与非养护试样。将击实好的试样放入养护箱中，养护条件为25℃，湿度保持在95%，养护7 d，试验方法按照规程［16］的T0148—93进行试验。以上试样直径40mm，高度为100mm，测量设备为百分表，量程为10mm，分度值为0.01mm，抗压设备为应变控制式无侧限抗压强度仪。

(5)根据规程［16］进行膨胀压力试验、膨胀土收缩试验，试样尺寸:环刀直径61.8mm，高20mm，收缩试验含水率为液限含水率。

2.2 试验过程

本试验分为以下3个阶段:

(1)对不同配比的改良膨胀土进行液塑限试验和击实试验，分析每种配比的液塑限变化特征及最大干密度与最优含水率的变化情况，试验参照规范［16］。

(2)将养护好的试样放入三维自由体膨胀仪里，进行三维自由体膨胀试验，土样直径为152mm，高为110mm，试样上下2面加盖透水石且与试样直径大小相等，要保证试样底部水面不高于透水石，上部透水石保证有一层水膜，底部水位与试样底部平齐，上面水流速度应该等于仪器底部的水流速度。数据记录主要集中在试验的前3 d，开始读数30min/次，3 h后读数频率为120min/次。根据规程［16］进行膨胀压力试验和膨胀土收缩试验，由各种配比得到的液限含水率制作收缩试样，然后迅速转移到环刀中，让其在自然状态下收缩24 h后放入烘箱(温度为105℃)内进行烘干，烘至试样体积与质量不再发生改变，测量其竖向与侧向变形量。通过三维自由膨胀试验、三维自由收缩试验和膨胀压力试验研究膨胀土的胀缩特性，并且根据其特征确定秸秆灰渣含量的最佳配比。

(3)对最佳配比进行液塑限试验、击实试验及自由体应变和膨胀压力试验，并对每种配比及最佳配比进行无侧限抗压强度试验，研究掺渣量对无侧限抗压强度的影响。

3 试验结果及分析

3.1 掺秸秆灰渣对膨胀土物理力学特性的影响

图2 秸秆灰渣与击实特征的关系曲线Fig.2 Relationship between straw ash content and compaction characteristics

把湿闷后的试样进行击实试验，击实方法选用规程［16］中的重型击实仪，击实试样为4组，秸秆灰渣含量分别为0%，10%，15%，20%，共计20个击实试样，分别求得4组试样的最大干密度及最佳含水率。从图2中可以看出，素土的最大干密度随着秸秆灰渣的增加而减小，当灰渣从0%～20%添加到膨胀土中时试样最大干密度从1.85 g/cm3降到1.73 g/cm3，这是由于灰渣的相对密度低于膨胀土，并且秸秆灰渣粗颗粒代替了黏土颗粒，同时秸秆灰渣黏聚性不高，过多的掺入灰渣反而使得改良土难以击实。最佳含水率随着灰渣的添加逐渐增大，这是因为灰渣颗粒较大且多含有孔隙，在秸秆灰渣与膨胀土湿闷时吸水所引起的，同时秸秆灰渣中的CaO遇水发生反应生成Ca(OH)2也需要一定量的水。

液塑限试验如表3所示，从表中可以看出，随着秸秆灰渣含量从10%增加到20%，膨胀土的液限降低，塑限增加，导致其塑性指数不断减小。J.K.Mitchell［17］的研究表明，塑性指数越小，膨胀土的膨胀性则越差，说明秸秆灰渣能够抑制膨胀土的膨胀。

3.2 掺秸秆灰渣对膨胀土胀缩特性的影响

图3为素土的三维自由膨胀结果，从图中可以看到素土的竖向膨胀应变、侧向膨胀应变及体膨胀应变特征，体膨胀应变在500min前主要是竖向膨胀应变引起的，之后主要是侧向应变引起的，这主要是因为当竖向应变达到一定程度时，随着试样土体含水率的增大，土体的自重应力影响了竖向变形。

不同灰渣含量的试样体应变与时间的关系曲线如图4所示，图5为灰渣含量与膨胀土应变的关系曲线。从图4、图5中可以看出，膨胀土与改良土相比，改良土的三维自由膨胀潜势随着秸秆灰渣的增加逐渐降低。试验数据如表3所示，体膨胀应变从12.72%降低到4.76%;竖向膨胀应变从7.32%降到2.07%，降低了71.72%;侧向膨胀应变从2.49%降到1.31%，降低了47.39%。由此可见膨胀土与改良土的体膨胀应变主要是由竖向膨胀应变引起的，其主要原因是:秸秆灰渣含有大量的活性氧化钙、氧化硅、氧化铁及氧化铝，这些氧化物遇水形成可用于离子交换的高价 Ca2+、Al3+和Fe3+等，可促使黏性土颗粒的絮凝产生硬凝反应，养护后可以提高膨胀土的强度并抑制膨胀土的体积变形。

从表3中还可以看出:①膨胀土随着秸秆灰渣的增加，竖向收缩应变与侧向收缩应变逐渐减小，竖向收缩从13.70%降到4.15%，侧向收缩从15.70%降到5.66%，体收缩应变从38.66%降低到14.70%;②同种灰渣含量情况下侧向收缩应变要比竖向收缩应变大，从而可知体收缩应变主要由侧向收缩应变引起的;③膨胀土膨胀压力较大，膨胀潜势较高，但是随着秸秆灰渣含量的增加，膨胀土的膨胀压力逐渐降低。当秸秆灰渣含量从0%增加到10%，15%，17%和20%时，改良土的膨胀力与素土相比分别降低了44.9%，76.7%，85.4% 和93.7%，直观表明秸秆灰渣可以降低膨胀土的膨胀力。

图3 素土的膨胀应变与时间的关系曲线Fig.3 Curves of swell strain of soil vs.time

图4 体膨胀应变与时间的关系曲线Fig.4 Curves of volumetric swell strain vs.time

图5 灰渣含量与膨胀应变的关系曲线Fig.5 Curves of straw ash content vs.swell strain

3.3 秸秆灰渣掺量的线性确定方法

通过改良土体的三维自由膨胀应变、三维自由收缩应变和膨胀压力试验可以假设秸秆灰渣最佳含量的线性关系，公式如下:

式中:C为秸秆灰渣含量(%);Cfp为控制三维自由体膨胀的灰渣含量临界值;Cfs为控制三维自由体收缩的秸秆灰渣临界值;Cpy为控制膨胀土膨胀力的灰渣含量临界值;a1，a2，a3为秸秆灰渣含量的影响因子，根据3个平行试验，3个影响因子都应该取0.33，但是三维自由体膨胀、三维自由体收缩是引起工程破坏的主导因素，所以三维自由体胀缩的影响因子相对于膨胀压力的影响因子占有较大的比例。

表3 试验结果Table 3 Test results

根据试验分析结果，三维自由体膨胀应变、三维自由体收缩应变和膨胀压力对膨胀土的影响因子分别取0.4，0.4，0.2，所以秸秆灰渣的最佳含量为

当三维自由体膨胀应变临界值取5%，三维自由体收缩应变临界值取17%，膨胀压力取50kPa时，公式中的Cfp，Cfs，Cpy由图6的拟合曲线分别求得 Cfp=17.97%，Cfs=16.51%，Cpy=16.41%，所以最佳含量C=0.4×17.97%+0.4×16.51%+0.2×16.41%≈17%。当掺灰渣量为17%时，三维自由体膨胀试验、体收缩试验和膨胀力试验以及液塑限指标试验重新进行，试验结果如表3所示。从表3可以看出，相对于15%的灰渣，17%灰渣的膨胀土液限降低，塑限增大，塑性指数降低;三维自由体膨胀、收缩应变小于临界值;膨胀压力降低。

图6 灰渣含量与体应变和膨胀压力的关系曲线Fig.6 Curves of straw ash content vs.volumetric strain and swelling pressure

3.4 掺秸秆灰渣对膨胀土无侧限抗压强度的影响

无侧限抗压强度试验结果如图7、图8所示。从图7中可以看到，没有经过养护与经过7 d养护后的强度形成鲜明对比。没有经过养护的试样随?着灰渣含量的增加，无侧限抗压强度逐渐增加，但是增加幅度不大;养护7 d后的试样随着掺渣量的增加，无侧限抗压强度逐渐增加，而且增大的幅度随着掺渣率的增加而明显增长，在灰渣含量为15%～17%时出现峰值，随后开始降低。

没有经过养护的试样无侧限抗压强度的提高主要是因为秸秆灰渣里含有少量的氧化钙与膨胀土快速发生硬凝反应，生成黏性较强的胶结物质，而使土样的无侧限抗压强度迅速提高，但是幅度不大;经过7 d养护后，不同配比的试样无侧限抗压强度都有明显的增加，此阶段主要是因为试样经历了一些列的化学、物理变化:氧化硅、氧化铝及氧化钙与土颗粒的絮凝作用减小土颗粒之间的间距;试样在空气中的碳化作用;灰渣里含有的氧化物在击实后使之与土作用时产生硬凝反应并且胶结在一起形成粗颗粒，硬凝反应及胶结作用对无侧限抗压强度的提高起到决定性作用［18］。

图8为经7 d养护龄期后，秸秆灰渣含量0%，10%，15%，17%，20%的膨胀土无侧限抗压强度与竖向应变之间的关系曲线，从图中可以看到，无侧限抗压强度随着应变的增大逐渐增大，没有出现峰值，素土与20%秸秆灰渣含量的改良土在应变为3.5%时强度基本不再增加，其余试样在应变为4%时强度不再增加。可以认为改良土的无侧限抗压强度最大值位于应变为4%时。从图7的试验结果可以看出，秸秆灰渣含量15%与17%的无侧限抗压强度非常接近，分别为393.12kPa和387.52kPa，并无明显变化。通过无侧限抗压强度试验可知:秸秆灰渣改良膨胀土的最佳掺渣率为15%～17%。

图7 灰渣与养护龄期对无侧限抗压强度的影响Fig.7 Influence of straw ash content and curing age on unconfined compressive strength

图8 无侧限抗压强度与竖向应变之间的曲线Fig.8 Curves of unconfined compressive strength vs.vertical strain

4 结论

通过对秸秆灰渣、膨胀土混合物的三维自由体膨胀应变、体收缩应变和无侧限抗压强度试验研究，得出如下结论:

(1)膨胀土的最大干密度随着秸秆灰渣含量的增加而降低，最优含水率却逐渐增大;随着秸秆灰渣含量的增加，膨胀土的液限降低，塑限增大，导致其塑性指数降低。

(2)通过膨胀土的三维自由体膨胀应变、体收缩应变和膨胀压力试验最终确定秸秆灰渣最佳含量的线性方程为C=0.4Cfp+0.4Cfs+0.2Cpy，最佳含量为17%;体应变随着秸秆灰渣的增加逐渐降低，当膨胀土中添加17%灰渣时，三维自由体膨胀应变为4.94%＜5%，体收缩量为13.84%＜15%，膨胀力降为30kPa。

(3)没有经过养护的试样，对无侧限抗压强度影响不明显;经过7 d养护之后，膨胀土随着秸秆灰渣含量的增大而提高，并且在15%含量时最大值为393.12kPa，试验证明无侧限抗压强度最大时体膨胀应变为6.01%，超出限值5%。从体积变化与强度2个方面考虑，秸秆灰渣的最佳配比为17%时试样无侧限抗压强度为387.52kPa，与灰渣含量15%时强度无明显变化，然而体膨胀应变为4.94%，小于限值5%，所以通过三维膨胀特性确定添加剂含量非常重要。

(4)利用秸秆灰渣改良膨胀土不仅提高了膨胀土的工程特性，又使得固废物得到妥善处理并达到保护环境的目的。

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