粉煤灰改良Q3黄土填料变形特性试验研究

杨晓松 党进谦 杨 瑶 徐 镕 杨保存*

(1 塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)(2 西北农林科技大学水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100)

湿陷性黄土遇水后在自重或者非自重荷载作用下产生的湿陷性变形具有突发性、非连续性和不可逆性，会对其上的各种建、构筑物造成严重破坏。黄土湿陷性机理、湿陷性评价方法及其控制技术等关键问题是岩土工程界长期的研究热点[1]。

对于黄土湿陷性机理，井彦林等[2]提出了击实率的概念，对原状黄土湿陷性与击实率等指标的相关性进行挖掘。查甫生等[3]引入电阻率法进行黄土湿陷过程中的微结构变化规律定量分析。朱元青等[4]考虑吸力对黄土湿陷变形的影响，研制了一套可以控制吸力的非饱和土湿陷三轴仪，为深入研究黄土湿陷特性提供了有力的工具。李国玉等[5][6]、谷琪等[7]和王泉等[8]考虑气候因素影响下的冻融作用，对黄土湿陷原因和机理进行研究，从而将黄土湿陷性的研究范围拓展到广大冻土地区。随着建筑规模日益增大，工程涉及到的湿陷性土层厚度越来越大，常规湿陷性研究成果已无法满足各种大型工程需求。基于此, 邵生俊等[9]、杨校辉等[10]、姚志华等[11]和马闫等[12]对大厚度黄土湿陷性变形特征和评价方法进行探讨。张爱军等[13][14]对伊犁某大型渠道工程湿陷性黄土渠基进行现场浸水试验，分析了伊犁黄土强烈自重湿陷性的历史原因和内在原因；进一步，结合渠道工程实际，充分考虑渠道工程防渗层的作用，提出了基于增湿变形的渠道工程渠基黄土湿陷性评价方法。这些研究成果从黄土湿陷机理和评价方法方面进行了深入探讨，但是尚不能很好的指导工程建设。

传统意义上认为，黄土经过压实能很大程度上减少其湿陷性，能够基本满足建筑物强度和稳定性要求。然而在实际工程中，仍有不少压实黄土地基在运行多年以后出现二次或多级湿陷病害。本文从工程性质改良和工业废料变废为宝的角度对粉煤灰改良Q3黄土填料的压缩和湿陷变形特性进行试验研究，以期更好的指导工程实践。

1 试验条件

1.1 试验材料

粉煤灰取自陕西靖原第二电厂，最大干密度为1. 13 g/cm3，最优含水率为33. 67%，其化学成分见表1。黄土取自西北农林科技大学南区地平面以下2 m处的扰动黄土，土样为黄褐色，具有较大孔隙，土质均匀，土体疏松，属马兰黄土(Q3)。所用黄土的物理性质指标见表2。

1.2 试验方案

结合工程实践，选用粉煤灰掺量为0%、10%、15%、20%和25%(干粉煤灰与风干黄土质量之比)，养护龄期为0 d、7 d、14 d和28 d。根据击实试验结果，选用控制干密度1. 60 g/cm3,控制含水率17%。压缩试验采用标准固结试验。湿陷变形试验采用双线法，最大垂直压力为1 600 kPa，分6级加荷，加荷压力分别为50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa和1 600 kPa。

2 结果与分析

2.1 压缩变形试验

试验结果见表3，压缩系数与粉煤灰掺量和养护龄期的变化关系曲线见图1和图2。

根据图1，粉煤灰改良Q3黄土填料的压缩系数随着粉煤灰掺量的增加而逐渐减小。以0 d养护为例，当粉煤灰掺量由0%增加到10%时，压缩系数减小29. 9%；随着粉煤灰掺量增加至15%、20%和25%时，压缩系数减小的趋势减缓，分别减13. 4%、9. 4%和1. 8%。经过7 d、14 d和28 d养护的试样，压缩系数随着粉煤灰掺量的增加呈比较平缓的减小趋势。以28 d养护为例，随着粉煤灰掺量由10%逐渐增加到25%，压缩系数分别减小3. 2%、3. 9%和2. 7%。

表1 粉煤灰化学成分组成

表2 土样的基本物理性质指标

表3 压缩系数av0. 1～0. 2/MPa-1试验结果

图1 压缩系数与粉煤灰掺量关系曲线

图2 压缩系数与养护龄期关系曲线

图2表明，粉煤灰改良Q3黄土填料的压缩系数随着养护龄期的增加而逐渐减小。粉煤灰掺量为10%和15%时，压缩系数与养护龄期关系曲线变化趋势相同，即7 d养护时，减小幅度较大，分别为12. 9%和8. 8%，随着养护龄期的增加，变化曲线以近似线性规律减小。

未改良Q3黄土填料(粉煤灰掺量0%)在试验条件下的压缩系数为0. 298，为中等压缩性土。掺入适量粉煤灰进行改良以后，压缩系数虽仍在0. 1～0. 5之间，为中等压缩性土，但其压缩系数已大大减小。以粉煤灰掺量25%的改良Q3黄土填料为例，0 d养护时，压缩系数较未改良时减小46%；28 d养护时，压缩系数较未改良时减小52. 3%。可见，利用粉煤灰作为添加剂改良Q3黄土填料的压缩变形特性是可行的。

2.2 湿陷变形试验

湿陷变形试验结果见表4和表5。

表4 湿陷系数δ试验结果

表5 15%-200kPa湿陷系数δ试验结果

图3 湿陷系数与垂直压力关系曲线

图4 湿陷系数与粉煤灰掺量关系曲线

图5 湿陷系数与龄期关系曲线

图3为湿陷系数与垂直压力关系曲线。关系曲线都具有峰值湿陷压力和峰值湿陷系数。粉煤灰掺量为0%和10%时较为明显，峰值湿陷压力分别为200 kPa和100 kPa，峰值湿陷系数分别为0. 032和0. 028。

湿陷系数与粉煤灰掺量的关系曲线见图4。在各级垂直压力作用下，关系曲线表现出相同的变化趋势。粉煤灰掺量小于15%时，改良Q3黄土填料的湿陷系数随着粉煤灰掺量的增加而逐渐减小；粉煤灰掺量大于15%时，改良Q3黄土填料的湿陷系数随着粉煤灰掺量的增加而增加。15%粉煤灰掺量的改良Q3黄土填料在各级垂直压力作用下都具有最小的湿陷系数。

进一步将15%粉煤灰掺量的改良Q3黄土填料试样进行0 d、7 d、14 d和28 d养护，研究湿陷系数改良效果的时间效应。结合工程实际，10米以内土层垂直压力为200 kPa。根据试验结果表5、湿陷系数与龄期关系曲线图5，200 kPa垂直压力下，15%粉煤灰掺量改良Q3黄土填料的湿陷系数随着养护龄期的延长逐渐减小。

3 结论与讨论

利用粉煤灰作为添加剂能够很好的改良Q3黄土填料的变形特性。

(1) 压缩系数随着粉煤灰掺量的增加和养护龄期的延长呈逐渐减小的变化趋势，减小的幅度亦随之逐渐变缓。

(2) 湿陷系数与粉煤灰掺量的关系曲线存在拐点，即15%。15%粉煤灰掺量的改良Q3黄土填料在各级垂直压力下都具有最小的湿陷系数，且随着养护龄期的延长，200 kPa垂直压力下的湿陷系数逐渐减小，具有较好的时效性。

分析认为，粉煤灰自身具有活性和火山灰效应。当粉煤灰与Q3黄土填料在一定含水率条件下充分拌和以后，黄土填料、粉煤灰含有的碱性氧化物如Na2O、K2O和CaO与粉煤灰所含有的难溶酸性氧化物如SiO2、AL2O3和Fe2O3等发生一系列的水解水化反应，如离子交换作用、碳酸化作用、凝胶作用、团粒作用和结晶作用等。这些水解水化反应并不是相互独立，而是相互联系、相互影响和同步进行[15][16]。水解水化反应加强了改良Q3黄土填料颗粒间的团聚作用，提高了土体的密实性，加强了土颗粒间的联结，强化了土体的结构性，从而能够很好地改良Q3黄土填料的压缩和湿陷变形特性。由于水解水化反应过程比较缓慢，因而粉煤灰改良Q3黄土填料的改良效果具有时间效应。

最优粉煤灰掺量是特定条件下粉煤灰充分水解水化反应所需的量。当粉煤灰掺量超过最优掺量，多余的粉煤灰将不会参与水解水化反应，而是作为无黏性材料分散在土体中，对改良土体结构起着弱化作用。这种结构弱化作用将随着粉煤灰掺量的增加逐渐增强。

综合压缩和湿陷变形试验结果与分析，在试验条件下，粉煤灰改良Q3黄土填料变形特性的最优掺量为15%。

[1] 刘东生.中国的黄土堆积[M].北京:科学出版社,1965:49-53.

[2] 井彦林,许彦卿,林杜军,等.黄土的湿陷性与击实试验指标关系研究[J].岩土力学,2011,32(2):393-397.

[3] 查甫生,刘松玉,杜延军,等.黄土湿陷过程中微结构变化规律的电阻率法定量分析[J].岩土力学,2010,31(6):1692-1698.

[4] 朱元青,陈正汉.研究黄土湿陷性的新方法[J].岩土工程学报,2008,30(4):524-528.

[5] 李国玉,马巍,穆彦虎,等.冻融循环对压实黄土湿陷变形影响的过程和机制[J].中国公路学报,2011,24(5):1-5.

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[7] 谷琪,王家鼎,司冬冬,等.不同含水率下黄土冻融循环对湿陷性影响探讨[J].岩土工程学报,2016,38(7):1187-1192.

[8] 王泉,马巍,张泽,等.冻融循环对黄土二次湿陷特性的影响研究[J].冰川冻土,2013,35(2):376-382.

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[13] 张爱军,邢义川,胡新丽,等.伊犁黄土强烈自重湿陷性的影响因素分析[J].岩土工程学报,2016,38(S2):117-122.

[14] 张爱军,邢义川,汪海涛,等[J].基于增湿变形的渠道工程黄土渠基湿陷性评价方法[J].水利学报,2017,48(1):41-51.

[15] 杨晓松,刘井强,党进谦.粉煤灰改良氯盐渍土工程特性试验研究[J].长江科学院院报,2012,(11):82-86.

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