硅灰改良膨胀土室内试验研究

单熠博 王保田 张福海 韩少阳

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京 210098； 2. 河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心， 南京 210098)

膨胀土是一种含强亲水矿物(蒙脱石和伊利石)的高液限粘土，具有显著的遇水膨胀失水收缩的特性，在这种反复收缩变形的过程中便形成了膨胀土的多裂隙性，从而导致膨胀土强度的降低，膨胀土中裂隙的存在是膨胀土边坡失稳的主要原因[1]．膨胀土不利的工程特性会对工程建设造成困扰，严重的会直接带来建筑物的破坏，从而直接造成经济损失，因此膨胀土也常称作灾害性土．开挖后的膨胀土工程边坡和地基，受地下水、降雨，土压力、温度等环境影响较大，故现在有广泛的学者对膨胀土治理进行了研究[2]．目前主要膨胀土治理方法有：置换法、熟石灰法、水泥法、复掺水泥和石灰法、电极控制阳离子法、加筋法、化学改良剂法等方法．当在膨胀土地区修建建筑物时，由于膨胀土的工程性质指标不能满足工程设计规范要求，而采用大量的非膨胀土去置换填土，必然会造成土地资源浪费，因而最行之有效的方法便是对膨胀土进行改良；石灰被认为是改良膨胀土效果较好的无机材料[3],但是在生产石灰的过程中会导致环境的污染，并且会导致土体的渗透性增加．R.Goodarzi[4]等通过采用硅灰水泥复掺来改良膨胀土，研究了改良剂对固化时间及渗透性的影响．Umit Calik、Erol Sadoglu[5]等认为珍珠岩粉与石灰复掺使得改良后膨胀土具有更高抗剪强度及水稳性．黄震[6]通过膨胀土的胀缩裂隙与抗剪强度的关系对膨胀土改良的效果进行了评价．

本文通过不同掺量的硅灰对膨胀土进行改良，以不同的判别指标研究对膨胀土的改良效果．试验主要通过改良土的膨胀性、物理力学特性及水稳性，对改良效果进行评价．

1 试验材料与改良机理

1.1 试验材料

试验土样取自秦淮东河，其自由膨胀率为61%，液限为51.6%，塑性指数为28%．根据路基设计规范的要求[7]，该膨胀土不能作为路堤填料．对秦淮东河土样进行了基本物理性质和膨胀性试验，试验结果见表1；试验所使用硅灰的特性参数见表2．

表1 试验土样的基本物理性质指标

表2 试验所用硅灰的特性参数

1.2 膨胀土改良机理

硅灰又名微硅粉，其主要成分是SiO2，含量占90%以上，是冶炼金属硅和硅铁时从烟尘中所收集的粉末状材料．如果不加以回收利用，直接排放到空气中，将会对大气造成污染．硅灰颗粒细小，硅灰中的SiO2属无定型的物质，活性高，比表面积大，具有较强的火山灰性质．随着国内外对硅灰的研究，使得这种副产品在工程中应用越来越广泛[8]，主要应用于制备高强度混凝土、耐火材料、水泥等领域．

硅灰对膨胀土的改良机理主要包括离子交换作用，硅灰表面的吸附作用，硅灰的胶结作用与填充作用[9]．具体改良机理为：硅灰中含有少量的CaO和MgO，掺入膨胀土后会产生Ca2+、Mg2+，可与粘土颗粒所吸附的低价K+、Na+等离子置换，使得粘土双电层厚度变薄．当膨胀土与硅灰拌合后，由于硅灰巨大的比表面积，遇水后易形成偏硅酸(H2SiO3)，从而形成胶体团粒．胶体团粒附带的H+被粘粒表面所带的负电荷吸引，使团粒包围在粘粒周围，改善了粘土颗粒之间的粘接作用，使粘土颗粒之间的结合力增加，从而减少了粘粒的吸水作用，增强了土体的水稳性．硅灰颗粒细小，平均粒径在0.5～1 μm，能有效地填充膨胀土的孔隙，使土粒之间联结更加紧密，从而降低土体的渗透性．渗透性的大小将直接影响土体裂隙的发育[10]，土体渗透性的降低将导致降雨入渗的速率减慢及对边坡的影响深度降低，从而减少边坡微裂隙的产生和发育，增强边坡的稳定性．

1.3 试验方案

将现场取来的膨胀土填料拌匀后测定其初始含水率，将土样风干至其含水率10%以下，并过2 mm筛，取2 mm筛下土样分成3份，分别掺入2%、3%、5%的灰剂量的硅灰，加水至最优含水率，将土样密封24 h以使其含水率均匀．按压实度92%制样，将制备好的试样置于标准养护箱中进行养护，在不同养护龄期进行改良土的物理力学性质试验．

2 试验结果分析

2.1 改良前后土体膨胀性变化

硅灰改良膨胀土的自由膨胀率及线膨胀率试验结果分别见表3、图1以及图2所示．由表3可以得出，硅灰改良膨胀土的自由膨胀率均有降低，且都降至30%以下．依照国家标准“膨胀土地区建筑设计规范”[11],自由膨胀率小于40%的粘性土判定为非膨胀土，故改性后的膨胀土为非膨胀土．但是自由膨胀率随养护龄期的增加并无较大程度降低，主要原因是离子交换反应及土粒表面粘结作用的增强发生在养护前期．图1、图2分别为相同养护龄期不同硅灰掺量及相同硅灰掺量不同养护龄期线膨胀率随时间变化的关系曲线．

表3 硅灰改良膨胀土自由膨胀率试验结果

图1 不同硅灰掺量线膨胀率随时间变化的关系曲线(7 d)

图2 不同养护龄期线膨胀率随时间变化的关系曲线(3%硅灰)

由图1、图2可以发现，不同掺量硅灰改良膨胀土的线膨胀率较素土有明显降低，并且随着养护龄期的增加而降低，具体表现为1～7 d下降幅度较大，7 d后线膨胀率趋于稳定．表明了经硅灰改良的膨胀土的膨胀性得到了明显的抑制．

2.2 改良前后土体物理力学性质

土样改良前后无侧限抗压强度随养护龄期的变化如图3所示，4次干湿循环后的快剪强度指标与改良前后液塑限变化见表4、表5．

图3 改良土无侧限抗压强度随养护龄期变化关系曲线

硅灰掺量/%粘聚力C/kPa内摩擦角φ/°04.67.5218.616.2322.314.8516.814.6

表5 改良前后土体液塑限变化

在进行无侧限抗压强度试验前，试样饱和的过程中，素土样因浸水破坏而导致无法进行无侧限抗压试验．由图3可得经改良的膨胀土均具有较高的无侧限抗压强度，无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而增加，但并不随着硅灰掺量的增加而增加，其中3%的硅灰掺量在28 d养护龄期时具有较高的强度．由表4可以看出改良土在经历4次干湿循环后内摩擦角与粘聚力较素土有较大提高，但随着硅灰掺量的增加，5%掺量的改良土的抗剪强度指标呈现出下降的趋势．说明硅灰掺量的增加可能导致土体中存在过多未反应的细小硅灰颗粒，不能与土体形成团聚体，从而降低了改良土体的内摩擦角与粘聚力．由表5可知，经过硅灰改良的膨胀土，其液限减小，塑性指数明显降低．这表明经硅灰改良的膨胀土，土中黏粒含量有明显的减少．

2.3 改良土的水稳性

试验采用同一压实度，分别按其最优含水率制备的环刀样养护至28 d，进行干湿循环试验研究改良土的水稳定性．在室温(25±2)℃条件下，将土样浸泡水中至饱和含水率27%后，从水中取出试样风干至天然含水率20%，此为一个干湿循环过程．通过改良土在干湿循环过程中裂隙发展情况以及绝对膨胀率、相对膨胀率来评价硅灰对膨胀土水稳性改良的效果．

通过观察掺入硅灰的改良土试样在干湿循环过程中裂隙的变化，由图4可得(取5%硅灰掺量为示例)：试样在干湿循环过程中，土样表面无较大贯穿的裂隙，土样边缘没有土颗粒掉落的现象，可以认为经过改良后的土体在干湿循环的过程中表现出较好的水稳性．由图5、图6可得：试样在干湿循环过程中的绝对膨胀率及相对膨胀率较素土均有明显的降低，其降低幅度随掺灰量的增加而增加，在第一次干湿循环后的降低幅度在60%～80%之间，并随着干湿循环次数的增加，绝对膨胀率及相对膨胀率都趋于稳定．这说明经硅灰改良的土体能有效增强土颗粒之间的粘结作用而减少水分子对其连接作用的影响，从而提高了改良土的水稳性．

图4 改良膨胀土干湿循环过程裂隙发展情况

图5 绝对膨胀率随干湿循环次数变化关系曲线

图6 相对膨胀率随干湿循环次数变化关系曲线

3 结 论

膨胀土由于其不利的工程性质,在工程建设中需进行改良，在利用硅灰作为一种新型的无机改良剂改良膨胀土的室内试验中，有着较好的改良效果．其改良前后的各项物理力学性质指标表明：

1)经硅灰改良后的膨胀土，其自由膨胀率均降低到30%以下，其中5%硅灰掺量改良土降至28%．其浸水后线膨胀率较素土降低明显．随着养护龄期增加，1～7 d下降幅度较大，7 d后线膨胀率趋于稳定，表明硅灰改良反应主要在养护前期．

2)通过改良土的无侧限抗压强度试验可得，经硅灰改良的膨胀土具有较高的强度．养护龄期对其后期强度影响不大，且随着硅灰掺量的增加，其改良土的强度略有减小．

3)通过改良前后土体的界限含水率变化可得，经硅灰改良的膨胀土的液限及塑性指数均有明显的降低．

4)经硅灰改良的膨胀土具有较好的水稳性，在干湿循环过程中，试样表面无较大贯穿裂隙，其绝对膨胀率和相对膨胀率较素土均有大幅度的降低，其水稳性表现良好．在经历4次干湿循环后，改良土较素土仍具有较高的内摩擦角与粘聚力．