石屑粉煤灰改良膨胀土的胀缩和强度特性*

王和鱼，章君飞，黄志成，李 强

（1.浙江韦宁工程审价咨询有限公司，浙江 杭州 310000；2.卓尚服饰（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000；3.杭州之江城市建设投资集团有限公司，浙江 杭州 310000；4.中天建设集团有限公司，浙江 杭州 310000）

随着我国城镇化的推进，楼房等建筑物及硬化道路必然会持续发展，在楼房等建筑物地基处理及硬化道路路基施工过程中往往会遇到膨胀土的地质环境，易对建筑物及道路造成危害。

膨胀土是种高塑性黏土，通常情况下承载力较高，因吸水膨胀及浸水承载力衰减等特性导致性质极不稳定[1]。膨胀土中微观分子“面-面连接”的叠聚体是膨胀土中的一种普遍的结构形式，这种结构比团粒结构具有更大的吸水膨胀能力。因此，对膨胀土膨胀特性的研究及浸水后强度性能的改良措施具有重要的工程意义[2-7]。

本文以掺粉煤灰膨胀土为原材料，包括Ι 级粉煤灰膨胀土与Ⅱ级粉煤灰膨胀土，通过改变粉煤灰的品质及其掺量，研究粉煤灰品质及掺量对膨胀土膨胀特性及力学强度的改良效果[8-11]，建立不同品质的“粉煤灰掺量-膨胀土膨胀率”模型，为改良膨胀土的应用提供指导意义，本研究将有利于建筑物地基及公路路基等膨胀土施工环境的正常运行保障，提高膨胀土利用的安全性，为有效改良膨胀土路基、资源化利用粉煤灰提供科学依据[12-15]。

1 实验部分

1.1 原材料

水：纯净自来水。

粉煤灰：Ι 级粉煤灰，堆积密度为680kg·m-3；Ⅱ级粉煤灰，堆积密度为640kg·m-3。化学组成见表1，物理指标见表2。

表1 试验用粉煤灰化学组成成分Tab.1 Chemical composition of fly ash for test

表2 试验用粉煤灰物理性能指标Tab.2 Physical performance index of fly ash for test

膨胀土：本试验试样呈现灰黄色，其中主要矿物成分蒙脱石、伊利石和高岭土的质量百分比分别为50%、15%和20%，比重2.78，液限67.8%，塑限为34.6%，黏粒含量为48%。

1.2 实验方法

（1）抗压强度 将试样土体烘干、碾碎后按试验配合比与粉煤灰混合均匀，两种品质粉煤灰掺入膨胀土的质量分数分别为0%、3%、6%、9%、12%和15%。将粉煤灰与膨胀土均匀拌和后，加入水，混合均匀后闷24h 并击实，之后将试件移至养护室，分别对在标准养护条件下7、14 和28d，掺加粉煤灰质量分数为0%、3%、6%、9%、12%和15%试样进行无侧限抗压强度试验，试验仪器根据规范要求选用应变控制式无侧限抗压强度仪。

（2）自由膨胀率 自由膨胀率试验可用于判定黏性土在无结构力影响下的膨胀潜势。该指标作为评价膨胀土应用性能具有重要意义，具体参照（GB50112-2013）《膨胀土地区建筑技术规范》以及（JTJ051-93）《公路土工试验规程》进行试验，试验仪器根据规范要求选用漏斗和支架。

1.3 实验配合比

本研究以掺粉煤灰膨胀土的自由膨胀率、抗压强度作为配合比设计的主要依据（见表3）。设置粉煤灰掺量质量分数分别为0%、3%、6%、9%、12%和15% 6 组试验，通过改变粉煤灰掺量，对不同掺量的两种粉煤灰膨胀土试件的力学强度指标、自由膨胀率和空白组膨胀土的力学强度指标、自由膨胀率进行对比，以便研究Ι 级粉煤灰与Ⅱ级粉煤灰两种品质的粉煤灰在膨胀土中的最佳掺量。此外，研究“粉煤灰掺量-膨胀土膨胀率”模型及“粉煤灰掺量-膨胀土强度”模型，便于施工应用。

表3 试验配合比设计Tab.3 Test mix design

以空白组膨胀土试样为基准，采用等质量替代的方法，以两种不同品质的粉煤灰等质量取代膨胀土，保证各试验组试样总质量不变，以排除质量因素造成试验误差。此外加水量参照有关标准，为保证试验顺利进行，采用最优含水率的方式确定各试验组需水量，总质量相同的情况下，需水量采用相同量，减少变量影响。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

表4 为不同粉煤灰品质、不同掺量下用于公路安全施工的膨胀土无侧限抗压强度数据（抗压强度包括7、14 及28d 数据）。

表4 不同粉煤灰品质及掺量膨胀土抗压强度测试结果Tab.4 Test results of compressive strength of expansive soil with different fly ash quality and content

由表4 可以看出，不同品质、不同掺量粉煤灰对用于膨胀土抗压强度影响不同。在粉煤灰品质相同条件下，随着粉煤灰掺量增加，试件7d 抗压强度逐渐增加，原因在于粉煤灰与膨胀土间发生离子交换作用和火山灰作用，粉煤灰中高价离子促使粘土颗粒产生了絮凝作用且粉煤灰中的SiO2和Al2O3能与膨胀土作用生成具有胶凝性质的产物（与水泥中硅酸盐的水化产物相同），从而提高土体强度。在粉煤灰掺量达12%左右时，抗压强度增幅效果减弱，达到平缓状态，试样14 及28d 抗压强度增长率有所提高，在达到12%掺量时增长幅度同7d 龄期相似，达到平缓状态，继续增加粉煤灰掺量无益于膨胀土抗压强度的增加，因此，粉煤灰的最佳掺量以12%为最佳。

2.1.1 粉煤灰掺量对膨胀土抗压强度的影响 Ι 级和Ⅱ级粉煤灰掺量与膨胀土抗压强度变化关系分别见图1、2。

由图1、2 可见，掺入粉煤灰能有效提升膨胀土的强度性能。

图1 抗压强度-Ι 级粉煤灰掺量关系曲线Fig.1 Relation curve between compressive strength and primary fly ash content

图2 抗压强度-Ⅱ级粉煤灰掺量关系曲线Fig.2 Relation curve between compressive strength and secondaryfly ash content

2.1.2 粉煤灰品质对膨胀土抗压强度的影响 各龄期不同品质粉煤灰掺量与膨胀土抗压强度变化关系见图3。

图3 不同品质煤灰膨胀土抗压强度对比图Fig.3 Comparison of compressive strength of expansive soil with different quality of coal ash

由图3 可以看出，Ⅱ级粉煤灰的变化趋势与Ι级粉煤灰类似，但同龄期、同掺量下作用效果相对较弱，原因在于品质较好的粉煤灰颗粒微珠更圆润规则，与膨胀土作用时接触面积更加充分，7d 龄期时，掺Ι 级粉煤灰膨胀土抗压强度比掺Ⅱ级粉煤灰的高12.3%左右；14d 龄期时，掺Ι 级粉煤灰膨胀土抗压强度比掺Ⅱ级粉煤灰的平均高15.7%左右；28d 龄期时，掺Ι 级粉煤灰膨胀土抗压强度比掺Ⅱ级粉煤灰的平均高16.8%左右，因此，改善膨胀土强度性能应注意使用品质较好的粉煤灰。

2.2 自由膨胀率

2.2.1 粉煤灰掺量对膨胀土自由膨胀率的影响 不同粉煤灰品质、不同掺量下用于公路安全施工的膨胀土自由膨胀率见表5，各龄期变化趋势见图4、5。

表5 不同粉煤灰品质及掺量膨胀土自由膨胀率测试结果Tab.5 Test results of free expansion rate of expansive soil with different fly ash quality and content

由图4、5 中可以看出，掺加粉煤灰对膨胀土膨胀特性的改良效果明显，在粉煤灰品质相同条件下，随着粉煤灰掺量增加，试件自由膨胀率逐渐降低，原因在于粉煤灰主要由SiO2、Fe2O3及Al2O3等氧化物组成，这些氧化物含有大量高价阳离子，通过离子交换作用，这些高价阳离子对粘土颗粒的絮凝起促进作用，减少了土体比表面积和亲水性，进而减少因土体吸水膨胀而产生的膨胀力。在粉煤灰掺量达12%左右时，膨胀土试样自由膨胀率增幅效果减弱，达到平缓状态，继续增加粉煤灰掺量对膨胀土膨胀率的抑制效果有所减弱。

图4 自由膨胀率-Ι 级粉煤灰掺量关系曲线Fig.4 Relation curve between free expansion rate and primary fly ash content

图5 自由膨胀率-Ⅱ级粉煤灰掺量关系曲线Fig.5 Relation curve between free expansion rate andsecondary fly ash content

2.2.2 粉煤灰品质对膨胀土自由膨胀率的影响

随着粉煤灰掺量的增加，膨胀土膨胀率呈现先降低后平缓的趋势，因此膨胀土中掺加粉煤灰能改良其膨胀特性，但有一定的限值。不同品质、不同掺量粉煤灰对用于膨胀土抗压强度影响不同。

由图6 可以看出，Ⅱ级粉煤灰的变化趋势与Ι级粉煤灰类似，但作用效果较弱，原因在于品质较好的粉煤灰颗粒微珠更圆润规则，粉煤灰中高价阳离子与膨胀土作用时接触面积更充分，因此，改善膨胀土膨胀特性也应注意使用品质较好的粉煤灰。

图6 不同品质煤灰膨胀土自由膨胀率对比图Fig.6 Comparison of free expansion rate of expansive soil with different quality of coal ash

2.2.3 “粉煤灰掺量-膨胀土自由膨胀率”模型 为探究粉煤灰掺量与膨胀土膨胀特性之间趋势的联系，便于确定最优掺量，建立Ι 级“粉煤灰掺量-膨胀土自由膨胀率”模型与Ⅱ级“粉煤灰掺量-膨胀土自由膨胀率”模型见图7、8（模型采用幂指数函数）。

图7 Ι 级粉煤灰掺量对膨胀土自由膨胀率的影响Fig.7 Effects of primary fly ash content on the free expansion rate of expansive soil

图8 Ⅱ级粉煤灰掺量对膨胀土自由膨胀率的影响Fig.8 Effect of secondary fly ash content on the free expansion rate of expansive soil

本研究以粉煤灰抑制膨胀土膨胀的减缩率与其掺量比值作为一个参考指标，简称为“膨胀减缩比”，该比值越大，表明粉煤灰作用效率越好，反之越差。本指标对判定膨胀土中粉煤灰等用以抑制其膨胀特性物质的最优掺量具有重要指导意义，通过试验验证，本文将膨胀减缩比最低限值定义为0.75（比值参数，无量纲），大于0.75 时，表明用以抑制膨胀土膨胀特性的物质可继续增加，小于0.75 时，表明抑制膨胀土膨胀特性的物质继续增加意义不大，效率较低，继续增加粉煤灰掺量造成材料浪费，以Ι 级粉煤灰为例，28d 龄期各试验组膨胀减缩比见表6。

表6 不同粉煤灰掺量膨胀土膨胀减缩比Tab.6 Expansion reduction ratio of expansive soil with different fly ash content

由图7、8 可以看出，各龄期模型拟合度均达0.98 以上，拟合度较高，以标准养护状态下28d 龄期掺Ι 级粉煤灰膨胀土自由膨胀率为例，对该模型曲线进行处理，该模型为（2）：

式中 y：28d 龄期膨胀土的自由膨胀率，%；y0=18.80，A=10.54，t=0.0481，x 表示粉煤灰掺量，%。

通过该模型可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，膨胀土28d 膨胀率逐渐呈现下降趋势，与试验趋势吻合，且下降速率依据数学求导方式，得出下降速率随粉煤灰掺量增加逐渐趋于平缓。此外，掺Ⅱ级粉煤灰膨胀土自由膨胀率模型与Ι 级粉煤灰拟合曲线一致，待定参数y0、A、t 不同。

曲线上斜率表示该点的“膨胀减缩比”，通过定义，膨胀减缩比拟合公式为（3）：

式中 Ex：膨胀减缩比，代表抑制膨胀土膨胀量的作用效率，无量纲；x：粉煤灰掺量，%。

膨胀减缩比最大时，粉煤灰掺量最值用Xm表示，依据数学方法推导：Xm=12.9%，与本文试验结果基本一致，如表6 所示。在28d 龄期时，粉煤灰掺量12%，膨胀减缩比略大于0.75，粉煤灰掺量存在增加的空间，但增加空间较小，因此，粉煤灰掺量在12%时，对膨胀土膨胀特性的抑制效果可认为较好。

3 结论

本文针对建筑物地基及公路路基存在膨胀土质施工环境，通过对掺粉煤灰膨胀土进行抗压强度及自由膨胀率试验，研究粉煤灰品质及掺量对膨胀土的强度及膨胀特性的改良效果，主要结论如下：

（1）掺入粉煤灰可提高膨胀土的无侧限抗压强度，同掺量下Ⅰ级粉煤灰提高效果优于Ⅱ级粉煤灰的混凝土，建议在建筑物地基及公路路基等存在膨胀土质环境的生产施工中应用Ⅰ级粉煤灰。

（2）随着粉煤灰掺量的增加，膨胀土无侧限抗压强度呈现先增加后趋于平缓的状态，在粉煤灰掺量12%时，膨胀土试样的抗压强度提升效果基本达到最优。

（3）随着粉煤灰掺量的增加，膨胀土自由膨胀率呈现先下降后趋于平缓的状态，在粉煤灰掺量12%时，粉煤灰对膨胀土膨胀特性的抑制效果较好，继续增大掺量抑制效果不再明显。

（4）本文提出“膨胀减缩比：参考指标，该指标以0.75 作为分界值，大于该值则抑制膨胀土膨胀特性的物质可继续增加，小于该值则无益于膨胀土膨胀特性的改良且浪费材料。