粉煤灰改良花岗岩残积土试验研究

刘 胜,陈志波,陈伟文,韦 毅

(国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室； 福州大学环境与资源学院； 地质工程福建省高校工程研究中心,福建 福州 350116)

0 引言

花岗岩残积土在我国南方分布广泛,而且厚度较大,是受特定气候、地理和地质环境影响形成的具有特殊成分和结构特征的特殊土,具有一定的区域性[1]. 花岗岩残积土扰动后易丧失结构强度[2],透水性大且花岗岩残积土具有软化及崩解特性,因此其工程性质较差,为提高其工程特性,可采用石灰、水泥等材料来改善.

粉煤灰作为电厂燃烧产生的一种副产品,排放量逐年增加,加大了环境的污染. 因此,在粉煤灰的合理应用方面不少学者进行了较多的研究[3-10]. 粉煤灰具有一定的活性,可作为改性材料,达到改变土体不良工程性质的目的.

在工程领域,粉煤灰虽得到广泛应用,但在花岗岩残积土改性方面应用较少. 本文以粉煤灰为掺合料代替传统的石灰、水泥等进行未过筛的花岗岩残积土改良试验,研究花岗岩残积土中掺入粉煤灰对花岗岩残积土的基本物理力学性质指标、渗透性及水稳定性的影响. 同时还探讨养护龄期对掺,粉煤灰花岗岩残积土的影响,以期指导工程实践.

1 试验土样与方案

1.1 试验土料

试验土料为花岗岩残积土掺入定量粉煤灰而形成的混合土料(本文简称为改良土).

1.1.1 粉煤灰

试验中所用的粉煤灰料来自河南巩义豫联电厂. 该电厂的粉煤灰具有颗粒细、比重小,呈粉末状,孔洞多等特性,其主要成分为硅、铁、铝、钠等元素的氧化物,其物质成分性质指标见表1.

表1 粉煤灰性能指标

1.1.2 花岗岩残积土

试验所需花岗岩残积土料取自福州某一边坡治理工程,其基本物理性质如表2所示. 颗粒的级配分布范围如表3所示,其中粒径大于0.5 mm的粗砂含量达到42.5%,而粗颗粒(>0.075 mm)含量达到59.6%,呈现粗、细颗粒均较多的两极分布特征.

表2 土样的物理性质指标

表3 土样粒径分布

1.2 试验方案

粉煤灰改良花岗岩残积土采用粉煤灰掺量为设计的重要指标,粉煤灰掺量定义为粉煤灰占残积土质量的百分比,用字母a表示[11]. 粉煤灰掺量分别为0%、5%、10%、15%和20%,相应的粉煤灰与残积土土样的质量比分别为0%、5%、10%、15%和20%.

1.2.1 击实试验

击实试验采用标准击实仪器,其中击实仪尺寸φ=102 mm×116 mm,击实锤为2.5 kg,分3层击实,每层25击,单位体积击实功约为592.2 kJ·m-3 [12]. 根据击实试验结果得到上述各掺量下混合土料的最大干密度(ρd max),其余3种试验的制样干密度以测得的最大干密度乘以0.95； 制样时,控制其含水率为最优含水率. 制得的试样经密封后在湿度≥90%、温度为(20±2)℃的标准条件下分别养护1、7、14和28 d.

1.2.2 直剪试验

直剪试验仪器为南京土壤仪器厂制造的ZJ型三速电动等应变直剪仪. 直剪试验尺寸采用φ=61.8 mm×20 mm,采用快剪试验,每次试验的轴向压力为100、200、300、400 kPa[13].

1.2.3 渗透试验

渗透试验仪器为TST-55型渗透仪,为变水头渗透试验,对试验试样进行渗透系数测定. 渗透试验尺寸为φ=61.8 mm×40 mm,一种试样具有不同的养护龄期,达到龄期后,测定该试样的渗透系数.

1.2.4 湿化试验

图1 土壤湿化试验仪Fig.1 Soil wetting tester

湿化试验主要通过试样的水稳定性来体现,水稳定性一般通过测定土体浸入水中之后的崩解情况来确定[14],其中湿化试验的尺寸为φ=61.8 mm×40 mm,参考公路土工试验规程中湿化试验方法[13],所采用的湿化试验仪(如图1)用于改良土试样的崩解试验研究,试验所测得的崩解率如下式.

(1)

式中：Bc为未放试样时浮筒与水面相平读数,B0为试验开始(即t=0)时浮筒与水面相平读数,Bt为t时刻时浮筒与水面相平读数,At为t时刻的崩解率.

2 试验结果及分析

2.1 击实试验成果分析

图2为各粉煤灰掺量下花岗岩残积土的击实曲线. 根据击实试验结果,整理得到花岗岩残积土的粉煤灰掺量与最大干密度和最优含水率的关系曲线,见图3.

图2 各粉煤灰掺量下花岗岩残积土的击实曲线Fig.2 The compaction curves of dispersive granite residual soilmodified with fly

图3 粉煤灰掺量与最优含水率和最大干密度关系曲线Fig.3 The relation curves of mixed fly ash and the ρd max and wop

由图3可看出： 在本试验研究范围内,当花岗岩残积土中的粉煤灰掺量增加时,最大干密度与最优含水率均发生了明显变化. 最大干密度在数值上呈增长趋势,而最优含水率呈递减趋势； 粉煤灰掺量为20%时,掺合后土体的最大干密度比未掺合的花岗岩残积土提高约4%,而最优含水率却降低了10%以上. 当花岗岩残积土中加入少量的粉煤灰后,其整体密度得到提高,达到施工要求密度的需水量也大大降低. 造成上述试验现象的原因可能是由于粉煤灰的粒径较细,花岗岩残积土的粒径呈现“两头大中间小”,颗粒之间孔隙较大,掺入一定量的粉煤灰填充大颗粒之间的孔隙,同时反映出粉煤灰颗粒相对于花岗岩残积土的亲水性较差. 在花岗岩残积土中掺入粉煤灰后,残积土可在较小的含水率下通过压实达到稳定状态.

2.2 直剪试验成果分析

图4、图5为不同养护龄期的改良土的粘聚力、内摩擦角变化曲线. 从图中可看出： 掺入粉煤灰后,花岗岩残积土的粘聚力得到显著的增加,在粉煤灰掺量为15%时,粘聚力提高最多,且随着龄期的增加,粘聚力的变化越大. 掺粉煤灰后,花岗岩残积土内摩擦角略有降低,但总体上受粉煤灰掺量影响不大.

图4 粉煤灰改良土的粘聚力变化Fig.4 Curves of cohesion vs. mixed fly ash quantity

图5 粉煤灰改良土的内摩擦角变化 Fig.5 Curves of internal friction angle vs. mixed fly ash quantity

图6、图7为不同粉煤灰掺量改良土的粘聚力、内摩擦角变化曲线. 从图中可看出： 对于不同粉煤灰掺量的改良土来说,随着龄期的增加,改良土的粘聚力显著提高,呈现增长趋势,并在粉煤灰掺量为15%时的养护龄期的影响最为明显. 改良土的内摩擦角随着龄期的增长,呈现增大的趋势,在14 d龄期后逐渐趋于稳定.

图6 龄期变化对改良土粘聚力的影响Fig.6 Relationship of cohesion of modified soilvs. curing period

图7 龄期变化对改良土内摩擦角的影响Fig.7 Relationship of internal friction angle ofmodified soil vs. curing period

图8 改良土抗剪强度与垂直压力关系曲线 Fig.8 Curve between the stress strength of modified soil and the vertical pressure

图8为在龄期28 d时,不同掺量的粉煤灰改良土抗剪强度与垂直压力的关系曲线. 由图可看出： 掺入粉煤灰后,花岗岩残积土的抗剪强度得到显著的提高,在粉煤灰掺量为15%时,其龄期为28 d时的抗剪强度较其他掺量的要高.

综上所述,在一定养护龄期下,花岗岩残积土中掺入15%粉煤灰能显著提高其抗剪强度,增强了改良土的整体性和稳定性.

2.3 渗透试验成果分析

图9为龄期不同的改良土随粉煤灰掺量变化的渗透性变化曲线. 由试验结果可看出： 掺入粉煤灰后,改良土的渗透系数有较大幅度降低； 同一养护龄期下,当粉煤灰掺量从5%一直提高到20%时,渗透系数总体基本没有变化,即继续增加粉煤灰掺量未能有效降低改良土渗透系数.

值得注意的是,养护期为1 d时,当粉煤灰掺量由5%变化到20%时,改良土的渗透系数反而有略微增大. 其原因可能是粉煤灰掺量为5%时,其最优含水率较其他粉煤灰掺量较高,粉煤灰与花岗岩残积土发生物化反应时,5%掺量时改良的花岗岩残积土的最优含水率相对较高,粉煤灰颗粒周围有较充足的水分,物化反应相对于其他掺量较充分,因此,出现渗透系数较低的现象.

图10为龄期对不同掺量粉煤灰改良土渗透特性变化曲线. 由试验结果可以看出： 随着养护龄期的增加,改良土的渗透系数逐渐降低,降低趋势逐渐趋于稳定. 除1 d龄期外,不同掺量粉煤灰的改良土在相同龄期时,无较明显的差别.

图9 粉煤灰改良土渗透特性变化Fig.9 Curves of permeability vs. mixed fly ash quantity

图10 龄期对改良土渗透特性的影响Fig.10 Relationship of permeability of modified soilvs. curing period

综上所述,粉煤灰改良土的抗渗性增加,且随着龄期增加,抗渗性增强,但粉煤灰掺量的变化对抗渗性影响较小.

2.4 湿化试验成果分析

在进行湿化试验时,改良的重塑样的崩解速率是先快后慢,在崩解30 min后,崩解率变化较小,在崩解时间为60 min时,试样的崩解几乎稳定,所以取崩解时间为60 min时所对应的崩解率进行对比分析.

图11为不同粉煤灰掺量下改良土的崩解率变化,养护时间较少时,粉煤灰掺量的变化对改良后花岗岩残积土的崩解率无明显影响. 有一定的养护时间(如14 d),5%到20%掺量的粉煤灰均使改良土的崩解率降低. 养护28 d后,粉煤灰掺量为15%时,改良土的崩解率明显低于其余掺量.

图12为龄期对不同掺量粉煤灰改良土的崩解率的影响,可以看出,随着龄期的增加,粉煤灰改良土的崩解率显著降低,且崩解率的变化与龄期密切相关,如粉煤灰掺量为5%时,崩解率降低,但降低幅度随龄期的增大逐渐趋于平缓； 粉煤灰掺量为10%、15%和20%时,崩解率随龄期显著降低,其中,粉煤灰掺量为15%时,崩解率随龄期变化最为明显.

图11 粉煤灰改良土的崩解特性变化Fig.11 Curves of slake durability testvs. mixed fly ash quantity

图12 龄期对改良土的崩解特性的影响Fig.12 Relationship of slake durability test of modified soilvs. curing period

综上所述,一定养护龄期下,花岗岩残积土掺入15%的粉煤灰,较其余掺量崩解率低,具有良好的水稳定性.

3 结语

1) 当花岗岩残积土中的粉煤灰掺量增加时,最大干密度与最优含水率均发生了明显变化. 最大干密度在数值上呈增长趋势,而最优含水率呈递减趋势.

2) 粉煤灰改良的花岗岩残积土,随着龄期的增加抗渗性增强,但其粉煤灰掺量的变化对渗透性能影响较小.

3) 花岗岩残积土中掺入15%的粉煤灰,养护一定时间,明显提高了花岗岩残积土的水稳定性,其抗剪强度也得到较大的提高. 建议在要求花岗岩残积土相对密度较高的地基或坝体工程中,掺入一定的粉煤灰,既能提高工程的安全性,又能有效地利用粉煤灰,达到减少粉煤灰占地的问题,降低环境污染.