粉煤灰改性分散性土的变形特性研究

(杨凌职业技术学院水利工程分院，陕西 杨凌 712100)

1 研究背景

分散性土的重要特征是遇水分散并流失从而导致破坏，会对工程的安全性造成严重威胁，虽然国内外学者在分散性土的相关工程特性、分散机理以及改性方面做了大量的工作并取得了一定的成果，但是由于分散性土发现较晚，工程实例较少，因而对分散性土的改性以及工程应用等研究都不够深入[1]。

文献检索表明，在我国分散性土的分布较为普遍，新疆、宁夏等西北地区的水利工程、道路工程实践中均有遇到[2-6]。众多工程实践已经表明，工程事故与分散性土之间存在着必然的联系[2]。分散性土对水利工程、道路工程等工程的危害性极大，一旦发生事故，将会对人类的生命财产安全造成巨大的威胁。由于某些工程施工无法避开有分散性土分布的地区或满足工程要求的土料场距离施工场地太远，因此分散性土改性研究就显得尤其重要和紧迫。

2 研究内容及方法

本研究的内容主要包括以下几个方面：

在陕西杨凌黄土中加入质量分数为0.16%的碳酸钠，人工配制分散性土。选取粉煤灰为改性材料，分别配制粉煤灰掺量为0、4%、6%、8%、10%共五组土样，在每种粉煤灰掺量下制备压实度为0.88、0.90、0.92、0.94、0.96的五组土样，每组土样的含水率均为最优含水率。得到各组土样的压缩系数、压缩指数和压缩模量等反映土体压缩性质的参数，并由此研究粉煤灰掺量和压实度对于改性分散性土变形特性的影响。

3 研究过程

3.1 配置分散性黄土

本文试验所用的分散性土由陕西杨凌黄土土样加入质量分数为0.16%的碳酸钠改性而成，并将土样放置数月以使Na+充分均匀扩散，配制人工分散性土的碳酸钠采用无水碳酸钠。

在分散性土配制完成后，对配制好的分散性土土样进行针孔试验，试验结果表明，该土样在针孔试验中在50mm水头下针孔迅速扩大(见图1)，水流浑浊(见图2)，可判定为分散性土。

图1 人工分散性土针孔试验典型照片

3.2 人工分散土针孔试验

对于人工配制的分散性土，选取粉煤灰作为改性材料，分别配制粉煤灰掺量为0、4%、6%、8%、10%共五组土样，每组土样3个平行试样，共15个土样。在各组样达到最优含水率状态下，对各组土样采用《分散性土研究》中介绍的针孔试验方法，参照美国材料与试验协会制定的针孔试验(ASTM D4647—93)进行，试验结果表明:粉煤灰掺量为0，在50mm的水头下针孔迅速扩大，10min后水流非常浑浊，可初步判定为分散性土(D2)；粉煤灰掺量为4%，在180mm的水头下，水流浑浊，可初步判定为过渡性土(ND3)；粉煤灰掺量为6%，在180mm的水头下，针孔冲蚀速度较慢，水流浑浊情况肉眼可见，在380mm的水头下，水流较浑浊，可初步判定为过渡性土(ND3)；粉煤灰掺量为8%，在1020mm的水头下，5min后水流明显有些颜色，开始变得较浑浊，可初步判定为非分散性土(ND2)；粉煤灰掺量为10%，在1020mm的水头下，水流依然清澈，试验结束时的针孔直径不扩大，可初步判定为非分散性土(ND1)，如图2所示。

综合以上试验结果，在人工分散性土中加入粉煤灰外加剂后，随着粉煤灰掺量的增加，人工分散性土的分散性逐渐减小。当粉煤灰掺量为4%时，土样转变为过渡性土；当粉煤灰掺量为8%时，土样转变为非分散性土。

图2 针孔试验典型照片

3.3 分散土击实试验

根据粉煤灰掺量不同和压实度不同对土样分组进行固结(压缩)试验，试验参照水利部制定的土工试验规程(GB/T 50123—1999)进行。通过压缩试验，计算各组土样的压缩系数、压缩指数和压缩模量等反映土体压缩性质的参数，并由此研究粉煤灰掺量和压实度对于改性分散性土变形特性的影响。

3.3.1 击实试验结果

由土样的击实试验结果(见表1)可以看出，不同粉煤灰掺量的土样最优含水率和最大干密度有所不同，但不同土样之间最优含水率和最大干密度的差别比较微小，粉煤灰掺量0和10%的土样最大干密度相差0.1g/cm3，最优含水率相差2.0%。因此在实际试验中，各土样的含水率取五种土样最优含水率的平均值19.8%，各土样含水率相同；各土样的最大干密度取五种土样最大干密度的平均值1.66g/cm3，在同一压实度下的土样，各土样的干密度相同。

表1 不同粉煤灰掺量的土样击实试验结果

3.3.2 不同粉煤灰掺量的改性土压缩试验

采用粉煤灰掺量为0、4%、6%、8%、10%的土样，压实度分别为0.88、0.90、0.92、0.94、0.96进行变形特性研究时，土样的e-lgp压缩曲线见图3～图7。

图3 粉煤灰掺量为0的素土压缩曲线

图4 煤灰掺量为4%的改性土压缩曲线

图5 粉煤灰掺量为6%的改性土压缩曲线

图6 粉煤灰掺量为8%的改性土压缩曲线

图7 粉煤灰掺量为10%的改性土压缩曲线

3.3.3 试验结果分析

根据压缩试验结果，可以计算出各种试验条件下土样的压缩系数和压缩模量等压缩性指标。由于土的压缩系数不是常量，它随压力的增加及压力增量取值的增大而减小，因此本试验采用100kPa和200kPa范围的压缩系数和压缩模量来衡量土的压缩性高低。土样压缩系数、压缩模量与粉煤灰掺量及土样压实度的关系见表2和表3。由表中数据可以看出：

a.在相同的荷载作用下，同一压实度的改性土，随着粉煤灰掺量的增加，改性土的压缩系数逐渐减小，压缩模量逐渐增大，说明粉煤灰可以降低分散性土的压缩性。

b.在相同的荷载作用下，同一粉煤灰掺量的改性土，随着压实度的增加，改性土的压缩系数逐渐减小，压缩模量逐渐增大，说明提高土体压实度也可以降低分散性土的压缩性。

c.人工分散性土，在压实度0.88～0.96的情况下，土样的压缩系数始终很大，压缩性始终很高，为高压缩性土或非常接近高压缩性土，在工程中会对建筑物造成严重危害，可以看出只有在分散性土中添加外加剂改性才能有效降低其压缩性。

d.粉煤灰掺量为4%和6%的改性土情况与素土相似，由于粉煤灰外加剂含量较少，对分散性土的改良效果有限，土体压缩性很高。

表2 压缩系数与粉煤灰掺量及压实度的关系

表3 压缩模量与粉煤灰掺量及压实度的关系

e.粉煤灰掺量为8%的改性土，在压实度0.88～0.92的情况下，土体的压缩性较高，在压实度为0.94和0.96时，土体压缩系数为0.25和0.24MPa-1，压缩性有很大幅度的降低。

f.粉煤灰掺量10%的改性土，在压实度为0.88时土体压缩系数为0.28MPa-1，土体压缩性很低。随着压实度的提高，改性土的压缩性持续降低，变形特性显著改善，适合应用于工程中。

4 结论与问题

本文以杨凌黄土为原始土样，采用加入碳酸钠的方法人工配制分散性土，选取粉煤灰为改性材料，通过压缩试验方法，研究了粉煤灰掺量对改性土变形特性的影响。研究结论如下：

a.不加外加剂的人工分散性土的压缩性很高，应用于工程中会对建筑物造成危害，粉煤灰作为外加剂对人工分散性土的分散性有显著的改良效果，随着粉煤灰掺量的增加，人工分散性土的分散性逐渐降低。当粉煤灰掺量为4%时，分散性土变为过渡性土。当粉煤灰掺量为8%时，分散性土变为非分散性土，分散性显著降低，消除了其对工程的危害性。

b.随着粉煤灰掺量的增加，人工分散性土的压缩性逐渐降低。同时分散性土的压缩性也受到土体压实度的影响，4%和6%掺量的粉煤灰外加剂虽然可以降低分散性土的压缩性，但由于粉煤灰较少，压缩性降低幅度有限，即使土体压实度很高，变形特性也很难满足工程要求。8%掺量的粉煤灰会使分散性土的压缩性有较大幅度的降低，但同时要保证土体的压实度不低于0.94，改性土的压缩性才容易满足工程的要求。10%掺量的粉煤灰会使分散性土的压缩性大大降低，显著改善分散性土的变形特性，保证土体压实度不低于0.90，改性土的压缩性非常低，变形特性容易满足工程要求。

在实际工程应用中，建议分散性土的粉煤灰外加剂掺量不低于8%，并提高土体压实度，以保证改性效果。目前粉煤灰已在建筑工程方面广泛应用，未来可以更好地应用于改善分散性土的压缩性