阳离子聚丙烯酰胺:粉煤灰改良膨胀土剪切试验

王靖 张京斌 江金亮 刘丰宁

(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京210098；2.河海大学大禹学院，江苏 南京210098；

3.河海大学土木与交通学院，江苏 南京210098）

0 引言

膨胀土是主要由亲水的粘土矿物组成,具有重大的高可塑性。膨胀土吸水膨胀和脱水收缩。在膨胀土上的建筑物会随季节气候的变化而多次产生不均匀的升降，造成大量裂缝，对公路路基和大型结构物具有严重的破坏性，而且还会带来强度的应变软化，造成边坡坍滑[1]。近年来，随着国家高速公路、铁路事业的快速发展,许多公路、铁路修筑在膨胀土地区,膨胀土的病害问题每年都会给国家造成巨大的经济损失[2]，对膨胀土的改良成为了近几年来的研究热点[3-5]。

阳离子聚丙烯酰胺作为一类具有水溶性的有机高分子化合物，对膨胀土的土体结构具有化学固化和改变的效能[6]。阳离子聚丙烯酰胺这类高聚物一般采用水溶液的形态与土壤混合,阳离子聚丙烯酰胺改良膨胀土的强度是建立在聚合物本身的胶结能力上，有掺入量较少,运输方便,改良膨胀土后，膨胀土的水理性质效果变好等优点。通过离子交换法使得粉煤灰和与土壤中的水分和泥土细颗粒组合，阻断了土壤的毛细管结构，从而改善膨胀土的强度和稳定性。

本文在分析阳离子聚丙烯酰胺、粉煤灰改良膨胀土优点的基础上，探讨了利用阳离子聚丙烯酰胺-粉煤灰掺和料对膨胀土进行改良试验。通过室内试验，研究阳离子聚丙烯酰胺-粉煤灰掺和物改良膨胀土的抗剪切强度。

1 改良机理

1.1 阳离子聚丙烯酰胺

阳离子聚丙烯酰胺是一种水溶性有机高分子化合物，化学结构式如图1所示，该有机物联接有多个N原子，具有更强的正电荷，利用其聚合物的效果，它可以和蒙脱石、伊利石发生离子交换反应。分子链上的大量氨基在矿物晶面上形成氢键，并形成对膨胀土颗粒表面的薄膜。这种吸附反应和较强的静电作用会削弱晶层间的排斥力，阻碍外来水浸入晶层，使得膨胀土中蒙脱石和伊利石的亲水性和膨胀特性发生了根本性的变化[7]。

1.2 粉煤灰

粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，是一种火山灰质活性粘土材料。粉煤灰颗粒是多孔的，呈蜂窝状，其比表面积大，吸附能力很高，颗粒的粒径范围在0.5～300μm，粉煤灰的孔隙率比较高，在50%～80%，因此粉煤灰具有很强的吸水性。粉煤灰的活性主要来自活性SiO2和活性Al2O3在一定碱性条件下发生的水化反应[8]。在膨胀土中掺入粉煤灰,产生的离子交换作用与硬凝作用,能够减小膨胀土的膨胀趋势同时提高膨胀土的强度。含水量一定的条件下，粉煤灰与膨胀土混合后,会减少膨胀土的及胀缩性，提高膨胀土的强度、水理性质等。

2 试验方法

剪切试验按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)[9]进行。阳离子聚丙烯酰胺含量为阳离子聚丙烯酰胺质量与膨胀土试样与阳离子聚丙烯酰胺质量的和之比，试验中粉煤灰比率是指粉煤灰质量和烘干膨胀土质量之比。

本次试验采用的是快剪试验，进行土的直接剪切试验时，在烘干的膨胀土中掺入不同含量的粉煤灰，即按不同比例称取一定质量的粉煤灰与烘干后的膨胀土土样混合，将一定质量的阳离子聚丙烯酰胺的水溶液均匀掺入膨胀土的混合物中,24h后击实制样，再进行直接剪切试验。试验试样制备过程中膨胀土含水量均采用膨胀土的最优含水量22.81%。

3 试验材料

膨胀土为含有机质含量极低的南京下蜀土与蒙脱石含量较高的粘土矿物按一定比例混合而成，其物理性质指标见表1。阳离子聚丙烯酰胺试样为固体颗粒，粉煤灰来自南京市下关电厂，物理性质见表2。

表1 膨胀土物理性质指标

表2 粉煤灰物理性质指标

4 试验成果分析

图1 200kPa垂直压力下抗剪切强度

在固定阳离子聚丙烯酰胺的浓度分别为0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%下，改变粉煤灰的掺入量分别为4%、6%、8%、10%、12%，进行直接剪切试验。在200kPa垂直压力下改良土的抗剪切强度见图1，改良后膨胀土的粘聚力、内摩擦角粘聚力与阳离子聚丙烯酰胺-粉煤灰含量关系分别见图2、图3。

在阳离子聚丙烯酰胺的浓度一定的情况下，掺入粉煤灰量增加的情况下，膨胀土的抗剪切强度也随之增强，掺入粉煤灰含量在6%-8%时，改良效果较为明显，掺入粉煤灰含量再增加时，改良土的抗剪切强度几乎不变，反而略有下降，因为但是随着掺粉煤灰量的增加，达到反应所需量时，使得大量多余的粉煤灰存在于土颗粒之间。在掺入粉煤灰量一定的情况下，阳离子聚丙烯酰胺含量增加的同时，膨胀土的抗剪切强度也随之增加，当阳离子聚丙烯酰胺的含量超过0.5%时，膨胀土的抗剪切强度几乎不再提高，这是因为土壤颗粒间形成的网状膜结构已趋于稳定状态。

试验的结果表明，在粉煤灰含量既定的情况下，添加阳离子聚丙烯酰胺可以提高膨胀土的抗剪强度，这与文献[7-9]的论述相一致，掺入阳离子聚丙烯酰胺可以增强膨胀土土颗粒之间的粘聚力，阳离子聚丙烯酰胺对膨胀土不发挥提高内摩擦角的作用。阳离子聚丙烯酰胺-粉煤灰混合改性膨胀土，可以有效而改良膨胀土的粘聚力、内摩擦角，土体抗剪强度将大幅增加。膨胀土中阳离子聚丙烯酰胺含量既定情况下，随着粉煤灰掺入量的增加，膨胀土的抗剪切强度存在一个最大值，这个最大值在掺粉煤灰6%～8%之间存在。这是由于粉煤灰粒径较小，吸水后容易软化，在掺入粉煤灰大于8%剪切时会降低内摩擦角反而起到润滑作用。

图2 粘聚力与阳离子聚丙烯酰胺-粉煤灰含量关系

图3 内摩擦角与阳离子聚丙烯酰胺-粉煤灰含量关系

5 结论

5.1 膨胀土的粘聚力随着阳离子聚丙烯酰胺含量增加而增大，当膨胀土中阳离子聚丙烯酰胺含量为0.3%时，膨胀土粘聚力的增加幅度最大；

5.2 膨胀土中阳离子聚丙烯酰胺含量既定情况下，随着粉煤灰掺入量的增加膨胀土的抗剪强度存在一个峰值点，这个峰值点在掺入6%～8%的粉煤灰之间时存在。

5.3 利用阳离子聚丙烯酰胺和粉煤灰混合物改性膨胀土剪切强度试验，确定出改良膨胀土时，添加0.3%-0.5%的阳离子聚丙烯酰胺以及6%-8%的粉煤灰为宜（百分比为质量干重比）。

［1］李树军.吉林水利[J].2004（10）：24-25.

［2］刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

［3］谭罗荣，孔令伟.膨胀土的强度特性研究[J].岩土力学，2005（07):3-7.

［4］王保田，张福海，张文慧.改良膨胀土施工技术与改良土的性质研究[J].岩石力学与工程学报,2006(S1):573-577.

［5］马少坤，赵乃峰，周东,等.南宁膨胀土长期压缩特性研究[J].岩土力学，2013,(08):157-163.

［6］王艳萍,胡瑞林,李志清,等.膨胀土路堤的化学改性试验研究[J].工程地质学报，2008(01)：126-131.

［7］苏群,徐渊博,张复实.国际以及国内土壤固化剂的研究现状和前景展望[J].黑龙江工程学院学报，2005(03):5-8.

［8］王亮.粉煤灰综合利用研究[D].天津：天津大学，2007.

［9］中华人民共和国交通部.公路土工试验规程[S].北京:人民交通出版社,2007.