工业碱渣改良云南典型膨胀土的膨胀特性试验

孙孝海， 谢建斌， 陈 伟， 赵一锦， 江 胜， 刘道炎

(1. 云南大学 建筑与规划学院， 云南 昆明 650000； 2. 中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河 065200)

膨胀土的分布范围十分广泛，分布在40多个国家,其中我国膨胀土的覆盖总面积超过10万km2.膨胀土由蒙脱石、伊利石和高岭石等矿物构成，因具有特殊的发育孔隙和裂隙结构等微结构特征,使得膨胀土遇水膨胀、失水皱缩，这种反复涨缩特性对地基、地坪、地下室、隧道和房屋建筑等土木工程建筑的稳固造成巨大危害.商拥辉等[1]、李朝辉等[2]、杨俊等[3]、王文良等[4]和赵红华等[5]通过室内试验，证实了石灰对膨胀土的强度、胀缩性、无侧限抗压强度等具有明显的影响.庄心善等[6]、李儒天[7]和兰常玉等[8]通过动三轴试验和无侧限抗压试验，分析了粉煤灰对膨胀土的动强度、抗压强度等的影响规律.陈永青等[9]、曾娟娟等[10-11]和文畅平等[12]利用生物酶显著提高了膨胀土的力学性能.除了上述应用较多的改性材料，董柏林等[13]、安爱军等[14]和邓友生等[15]通过在膨胀土中加入碎石、石灰-火山灰、聚丙烯纤维和风化砂，对膨胀土进行改良研究.

工业碱渣是一种使用氨碱法制碱而产生的工业废料.氨碱法生产一吨纯碱，会产生约10 m3的废液，其中含废渣300～600 kg.这些废弃碱渣的堆放不仅占用大片土地，还会对环境和水体造成污染.但是碱渣中含有许多钙离子，可以作为改良膨胀土的有效成分.工业碱渣能有效降低膨胀土的膨胀性质.

为此，针对云南典型膨胀土，通过掺工业碱渣和水泥改良膨胀土的对比试验，探讨工业碱渣改良云南典型膨胀土的可行性，提出掺工业碱渣改良膨胀土的具体措施及方案.

1 试 验

1.1 试验材料

本试验用土取云南省蒙自市文澜镇上海路路段，取土深度约为1.5～2.0 m，混杂少许钙质结核及隧石.云南蒙自典型膨胀土的自由膨胀率71.0%，天然含水率23.5%，液限64.8%，塑限23.2%，内摩擦角13.31°，黏聚力6.98 kPa.

通过SEM电镜扫描试验、XRD定料分析试验，对云南蒙自典型膨胀土的矿物含量进行分析，其中主要成分蒙脱石、伊利石、高岭石、长石和石英的质量分数分别21.74%，10.14%，42.88%，8.77%及16.35%.根据GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》，可以判定云南典型膨胀土属于中膨胀潜势的膨胀土.

通过XRF化学全元素分析试验，可得到膨胀土主要化合物质量分数，其中SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaCO3，CaO，K2O，MgO，TiO2，MnO，Na2O的质量分数分别为20.53%，12.20%，14.47%，35.81%，10.51%，0.61%，0.92%，1.01%，1.31%和2.63%.由此可知，云南典型膨胀土中SiO2，Al2O3和Fe2O3等3种氧化物的质量分数达到47.20%.

工业碱渣的主要成份为CaSO3，CaCO4，CaCl2和CaO等钙盐，大量的Ca2+是工业碱渣可以作为改良膨胀土的基础.水泥是常用的改良膨胀土材料.

1.2 试验方案

1) 对不同掺量的水泥(掺量分别为2%，4%，6%，8%，10%)、工业碱渣(掺量分别为10%，20%，30%，40%，50%)和水泥(掺量分别为2%，4%，6%，8%，10%)+工业碱渣(掺量分别为10%，20%，30%，40%，50%)改性膨胀土和素膨胀土，利用铁支架、无颈漏斗、量土杯及量筒等组成的膨胀率测试设备，进行自由膨胀率测试对比试验.

2) 探讨等级压力分别为12.5，25.0，50.0，100.0，200.0和400.0 kPa时，进行不同掺量水泥、工业碱渣和水泥+工业碱渣改性土交叉试验，利用杠杆式固结仪进行胀缩位移和膨胀力的测定试验.

3) 当垂直压力分别为100，200，300和400 kPa时，进行不同掺量水泥、工业碱渣和水泥+工业碱渣改性土的抗剪强度对比试验.本次试验所需仪器为单联直剪仪.

4) 为了便于比较掺料的不同掺量对改良膨胀土的影响效果，将3种改性土划分为5个等级，其中等级1为水泥、工业碱渣以及水泥+工业碱渣中水泥和工业碱渣的掺量分别为2%和10%；等级2中水泥和工业碱渣的掺量分别为4%和20%；等级3中水泥和工业碱渣的掺量分别为6%和30%；等级4中水泥和工业碱渣的掺量分别为8%和40%；等级5中水泥和工业碱渣的掺量分别为10%和50%.

2 结果与分析

2.1 膨胀率对比试验

分别制备5种掺量的水泥、工业碱渣和水泥+工业碱渣混合料，共计15组改性土和1组素膨胀土.为降低试验误差，每个土样各制备两份，共32组土样.利用自制仪器，进行不同掺量改性土的自由膨胀率对比试验，结果如表1所示.

表1 素膨胀土和改性膨胀土自由膨胀率统计表 %

由表1可知，3种掺料均对云南典型膨胀土的自由膨胀率有明显抑制效果.这是由于3种改性材料中高价阳离子Ca2+，Al3+和Fe3+等与膨胀土中的低价离子Na+和K+等进行了交换，减小了结合水膜厚度，土颗粒之间的间距变小，使得膨胀土的膨胀率变小.云南典型膨胀土的自由膨胀率约为71.0%，工业碱渣掺量为30%时，自由膨胀率仅为5.0%；水泥掺量为6%时，自由膨胀率约为6.5%；水泥+工业碱渣中水泥和工业碱渣的掺量分别为6%和30%时，自由膨胀率约为10.5%.

分析工业碱渣、水泥和水泥+工业碱渣在最佳掺量时的最小自由膨胀率可知，工业碱渣约是水泥的0.77倍，是水泥+工业碱渣的0.48倍.因此，本次膨胀土自由率试验研究表明，工业碱渣相对于传统的膨胀土改良材料—水泥而言，具有更为明显的效果.

2.2 胀缩位移交叉试验

施加压力分别为12.5，25.0，50.0，100.0，200.0和400.0 kPa时，改性土因膨胀力显著减小，胀缩位移连续出现两次负值，即停止施压.施加第1级压力后，立即向水槽中注水，直至淹没土样；施加压力后，分别按照施加时间1，2，4，8，12，16，20和24 h读取百分表数值，以最后稳定的数值作为土样高度变化值.不同掺量的改性膨胀土及素膨胀土在不同压力荷载下的胀缩位移曲线如图1-3所示.其中w(水泥)和w(工业碱渣)分别为水泥和工业碱渣的掺量.

图1 压力荷载与水泥改性土胀缩位移关系

由图1可知，水泥对胀缩位移有一定影响.同一掺量膨胀土的胀缩位移随着压力荷载的增大而减小，说明膨胀土孔隙率随压力荷载增加而逐渐减小；相同压力荷载下，胀缩位移随着掺量的增加而减小.压力荷载为12.5 kPa时，素膨胀土和掺量分别为2%，4%，6%，8%，10%水泥改性土的胀缩位移分别为1.12，0.75，0.45，0.27，0.26和0.25 mm，其中掺量10%水泥改性土的胀缩位移约为素膨胀土的0.22倍，约为掺量2%水泥改性土的0.33倍，说明膨胀土的固化已经足够，如果继续加大掺量，反而使膨胀土过度收缩，甚至产生裂缝.素膨胀土和掺量2%，4%，6%，8%，10%水泥改性土在压力荷载分别为240，75，50，42，42，42 kPa时，胀缩位移为0；10%水泥改性土的膨胀力约为素膨胀土的0.18倍，约为2%水泥改性土的0.55倍.掺量为6%，8%和10%水泥改性土的胀缩位移曲线变化基本一致，说明最佳水泥掺量为6%.

图2 压力荷载与工业碱渣改性土胀缩位移关系

由图2可知，工业碱渣对胀缩位移有明显影响.压力荷载为12.5 kPa时，素膨胀土和掺量分别为10%，20%，30%，40%，50%工业碱渣改性土的胀缩位移依次为1.12，0.20，0.11，0.04，0.04和0.04 mm，掺量50%的工业碱渣改性土的胀缩位移约为素膨胀土的0.04倍，约为掺量10%改性土的0.15倍；这6种膨胀土在压力荷载分别为240，25，20，12，12和12 kPa时胀缩位移为0，且掺量50%工业碱渣改性土的膨胀力约为素膨胀土的0.05倍，约为10%改性土的0.48倍.掺量为30%，40%和50%工业碱渣改性土胀缩位移，随压力荷载的变化曲线相差较小，说明工业碱渣的最佳掺量为30%.

图3 压力荷载与水泥+工业碱渣改性土胀缩位移关系

由图2,3可知，水泥+工业碱渣改性土的胀缩位移曲线与水泥改性土基本一致.压力荷载为12.5 kPa时，10%水泥+50%碱渣改性土的胀缩位移约为素膨胀土的0.24倍，约为2%水泥+10%碱渣的0.42倍；当膨胀土胀缩位移为0时，10%水泥+50%碱渣改性土的膨胀力约为素膨胀土的0.18倍，约为2%水泥+10%碱渣改性土的0.28倍.6%水泥+30%碱渣、8%水泥+40%碱渣、10%水泥+50%碱渣的改性土随压力荷载的变化曲线相差较小，说明改性土中水泥和碱渣的最佳掺量分别为6%和 30%.

综上，相对于素膨胀土，3种改性材料均可以有效抑制膨胀土的胀缩位移，较小压力下可实现胀缩位移为0.工业碱渣最佳掺量为30%，此时对抑制膨胀土的胀缩最显著，这对路基、地基和边坡等依靠重力形式抑制膨胀土变形的基建工程具有重大意义.

2.3 膨胀力对比试验

膨胀反压法是指为了保持试样体积不变而施加的平衡荷载.利用膨胀反压法对素膨胀土、不同掺料和不同掺量改性土进行一维固结试验，测各土样膨胀力.不同掺量下,水泥、工业碱渣及水泥+工业碱渣改性土的膨胀力随掺量变化关系曲线如图4所示.

由图4可知，3种改性材料的膨胀力曲线变化相似，随着掺量的增加，膨胀力逐渐减小，说明掺量和被置换出亲水性黏粒数量呈正比例关系.工业碱渣抑制膨胀力的效果最明显，阻碍膨胀土吸水膨胀变形，此时工业碱渣会对黏土颗粒产生一定的阻力，故改性土的膨胀力随着掺量的增加而大大减小.

图4 改性土膨胀力与掺量关系曲线

由图4还可知，改性土等级为0～1时，膨胀力变化幅度最大，等级大于3时，膨胀力基本不变；水泥改性土、水泥+工业碱渣改性土随着等级变化的膨胀力曲线基本重合，工业碱渣膨胀力曲线在等级大于3时与其余两条曲线大致平行，说明3种掺料改性土的最佳改性土等级为3，此时改性土中的水泥和工业碱渣的掺量分别为6%和30%，且水泥将云南蒙自典型膨胀土的膨胀力从240 kPa降低到45 kPa，工业碱渣将膨胀力降低到15 kPa，水泥+工业碱渣将膨胀力降低到40 kPa.

在最佳掺量下，工业碱渣的最小膨胀力仅为水泥的0.33倍，为水泥+工业碱渣的0.38倍.云南蒙自典型膨胀土均对3种改性材料的敏感性较强，且随着掺量的增加，敏感度放缓.

2.4 抗剪强度对比试验

土的抗剪强度表示土能够承受而不发生剪切破坏的最大剪应力.本试验通过单联直剪仪进行固结快剪试验，最后根据库伦定理计算土的抗剪强度参数，即黏聚力和内摩擦角.改性土的黏聚力和内摩擦角与掺量的关系曲线如图5，6所示.

图5 改性土黏聚力与掺量关系曲线

由图5可知，水泥改性土和水泥+工业碱渣改性土的黏聚力曲线变化趋势相似.改性土等级为1，2时，黏聚力基本保持不变；等级从2增加到3时，曲线斜率最大；等级大于3时，黏聚力随着掺量的增加呈缓慢变化；工业碱渣的黏聚力曲线总体上呈倒V形状，等级为3时，黏聚力达到最大值，此时掺量为30%.

云南蒙自典型膨胀土黏聚力为6.98 kPa.水泥掺量为8%(改性土等级4)时，黏聚力为97.00 kPa，增大约14倍；工业碱渣掺量为30%时，黏聚力为190.00 kPa，增大约27倍，水泥+工业碱渣中水泥和工业碱渣掺量分别为8%和40%(等级4)时，黏聚力为86.00 kPa，增大约12倍.可见，工业碱渣对提升云南蒙自典型膨胀土的黏聚力效果优于水泥和水泥+工业碱渣.

图6 改性土内摩擦角与掺量关系曲线

由图6可知：工业碱渣改性土内摩擦角曲线高于水泥和水泥+工业碱渣；在等级为1～4时，工业碱渣内摩擦角随着掺量增加而增大；等级为4时，掺量为40%，内摩擦角最大.水泥和水泥+工业碱渣曲线变化相似，且水泥改性土在等级从4增大到5时，内摩擦角变化不大，故认为内摩擦角在等级为4时最大，此时掺量8%；水泥+工业碱渣改性土在等级为5，即其中水泥和工业碱渣掺量分别为10%和50%时，内摩擦角最大.

云南蒙自典型膨胀土内摩擦角为13.31°.水泥改性土在掺量为8%时，内摩擦角为30.00°；工业碱渣改性土在掺量为40%时，内摩擦角为46.00°；水泥+工业碱渣改性土中水泥和工业碱渣掺量分别为10%和50%时，内摩擦角为24.00°.可见3种掺量的改性土内摩擦角分别增大了约2.3，4.0和1.8倍.工业碱渣对膨胀土内摩擦角的影响远大于水泥和水泥+工业碱渣，在最佳掺量为40%时，内摩擦角达到最大值.

综上，工业碱渣对云南蒙自典型膨胀土抗剪强度改良效果最佳，远优于水泥.工业碱渣掺量为30%时，工业碱渣改性土黏聚力和内摩擦角分别为190.00 kPa和40.00°；工业碱渣掺量为40%时，黏聚力和内摩擦角分别为175.00 kPa和46.00°，均远大于云南蒙自典型膨胀土的黏聚力(6.98 kPa)和内摩擦角(13.31°).

3 结 论

1) 不同掺量水泥、工业碱渣和水泥+工业碱渣均对云南蒙自典型膨胀土的自由膨胀率有一定的抑制效果.同一掺量时，工业碱渣对膨胀土自由膨胀率抑制效果最好，当其掺量为30%时，抑制效果最佳，自由膨胀率仅为5.0%，远低于云南蒙自典型膨胀土的自由膨胀率71.0%.

2) 云南蒙自典型膨胀土在3种改性掺料的作用下，胀缩位移均在较小压力荷载下快速变为0，甚至被压缩.在胀缩位移试验中，工业碱渣、水泥及水泥+工业碱渣改性膨胀土中工业碱渣和水泥最佳掺量分别为30%和6%.

3) 工业碱渣在掺量为30%时，改性土膨胀力仅为15 kPa，远小于云南蒙自典型膨胀土的膨胀力240 kPa，仅为掺量6%水泥改性土膨胀力的0.33倍；当工业碱渣掺量超过30%时，改良效果没有明显变化.

4) 不同掺料及掺量明显影响云南蒙自典型膨胀土的抗剪强度参数，即黏聚力和内摩擦角.工业碱渣改良效果强于水泥和水泥+工业碱渣.当工业碱渣掺量为30%时，黏聚力最大值为190.00 kPa；掺量为40%时，内摩擦角峰值为46.00°.

5) 综合考虑各试验数据，得出工业碱渣改良膨胀土的最佳掺量为30%～40%.