水利堤防工程分散性土改性试验研究

刘国华，田 军，田茂勤

(1.济南市水利工程服务中心大冶水库服务处，山东 济南 271100；2.济南市水利工程服务中心乔店水库服务处，山东 济南 271100)

0 引言

分散性土具有抗冲蚀能力低、渗透系数小、强度小、破坏过程隐秘且迅速等特点，广泛分布在我国北方地区[1-2]。随着水利工程建设的不断推进，将分散性土作为填筑材料进行堤防、土石坝的建设的情况不可避免，但在应用之前，需对分散性土作合理的特殊处理，改善其工程特性，才能确保水利工程建筑物的长期稳定与安全[3-7]。

当前，对分散性土进行改性的主要手段包括以下几类：一是利用石灰、水泥及其它固化剂材料对分散性土进行改性；二是利用土工布、膜料、非分散性土等将分散性土进行包裹处理，隔断或者减少分散性土与水直接接触；三是利用砂、土工布对分散性土建筑物进行被动保护，防止发生渗透破坏。粉煤灰作为一种最常见的工业废渣，具有颗粒细、压缩性小、 强度高、水稳性强等诸多优点，是最为常用的一种不良地质改良材料，在膨胀土、软土、湿陷性黄土中应用较为广泛，在分散性土改良中也有一些研究，但仍显不足，因此，有必要进行进一步的研究和探讨[8-14]。

本文设计开展了不同粉煤灰掺量下的分散性土改性试验，并对改性土的力学性能和耐久性进行了分析，以期能为分散性土在水利工程中的合理应用提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试验材料

分散性土：试验土样取自山东某堤防工程现场，土样的颗粒相对密度为2.7，液限为36.2%，塑限为20.3%，塑性指数为15.9%，最大干密度为1.72 g/cm3，最优含水率为18.5%，pH值为9.8，粉粒和黏粒占比分别为59.3%和40%，属低液限黏土，主要矿物成分为石英、钠长石、方解石、伊利石等，易溶盐、中溶盐、难溶盐和有机质的含量分别为2.2g /kg、1.8 g/kg、114 g/kg以及6.6 g/kg。该土体在5 cm水头作用下冲蚀5 min后，孔径增大至原来3.5倍，且水流浑浊；通过碎块试验，发现在崩解的土块周围存在大量呈“云雾状”的土壤悬液；土样分散度D为67.6%≥50%，钠百分比Ps值为87%≥60%，交换性钠离子百分比为22.3%≥15%。故经综合判定，试验所用土样为分散性土[15]。分散性土的颗粒级配曲线见图1。

粉煤灰：颗粒相对密度为 2.06，不均匀系数11.0，曲率系数1.2，主要化学成分为SiO2和Al2O3，占比分别为61.6%和22.9%。试验用粉煤灰需先烘干24 h，然后再过0.5 mm筛以保证粉煤灰颗粒的均匀性。

图1 分散性土颗粒级配曲线

1.2 试验方案

共设计6种不同粉煤灰掺量下的分散性改性试验，其中试验1组为对照试验组，粉煤灰掺量为0，其余五组为粉煤灰改性试验组，粉煤灰掺量分别为2%、4%、6%、8%和10%，养护龄期分别为0 d、1 d、3 d、5 d和7 d，压实度均为96%，通过分散性试验获得粉煤灰最佳掺量后，对比改性前后的力学性能和耐久性，改性试验方案见表1。通过击实试验得到不同粉煤灰掺量下对应的改性分散性土的最大干密度和最优含水率情况见表2。

表1 土体改性试验方案

1.3 试验内容

分散性试验：利用针孔试验、碎块试验等对不同粉煤灰掺量和养护龄期下的改性土进行分散性试验，获取粉煤灰最佳掺量。

力学性能试验：包括压缩试验、单轴抗压试验以及渗透试验，获取改性前后分散性土的工程力学参数。

冻融循环-降雨冲刷试验：按比例制作堤防工程模型，在堤防工程模型表面填筑30 cm厚的改性分散性土，先对模型进行冻融损伤(冻融循环7次)，然后模拟在降雨作用下的抗冲蚀性能。按照大暴雨等级进行降雨冲刷，每次降雨量为70 mm，降雨强度为3.5 mm/min，降雨完成之后，干燥24 h，然后再进行下一次降雨冲刷，如此往复10次，收集冲刷下来的泥浆，经干燥处理后统计降雨重画堤防工程的土体流失情况。

表2 分散性和改性土击实参数

2 试验结果分析

2.1 分散性试验结果

为方便分析，将分散性土定义为1，过渡性土定义为2，非分散性土定义为3，首先得到了在不同粉煤灰掺量和养护龄期下(压实度为96%)试验组对应的分散性试验结果，见图2。从图中可以看到：随着粉煤灰掺量的增加，分散性土逐渐向过渡性土转变，并最终演变为非分散性土，当粉煤灰掺量为2%时，不同养护龄期下改良土体仍然是分散性土；当粉煤灰掺量为4%，养护龄期为0～1 d下，改良土体为分散性土，当养护龄期为1～5 d时，改良土体为过渡性土，当养护龄期达到7 d后，改良土体为非分散性土；当粉煤灰掺量为6%时，养护龄期为0～3 d时，改良土体为过渡性土，当养护龄期达到5 d后，改良土体均为非分散性土；当粉煤灰达到8%之后，改良土体的分散性受养护龄期的影响较小，均表现为非分散性土。从试验结果可知，粉煤灰掺量以及养护龄期均对粉煤灰改性分散性土的改性效果有较大的影响，增加粉煤灰掺量和适当延长养护龄期，能够使土体的分散性大大降低，由于在实际施工过程中，一般会预留3～7 d的养护时间，因此，从节约粉煤灰成本来讲，粉煤灰的最佳掺量应在4%～6%。

图2 分散性试验结果

2.2 力学性能试验结果

取粉煤灰掺量为5%，养护龄期为7 d，压实度为96%情况下的分散性土进行了室内力学性能试验，结果见表3。从表中可以看到：土体改良前，压缩模量和压缩系数分别为4.32 MPa和0.19 MPa-1，掺入粉煤灰进行改性后，压缩模量提升至11.66 MPa，提升幅度达到170%，压缩系数降低为0.14 MPa-1，表明粉煤灰可以有效改善分散性土体的压缩特性，这是因为掺入粉煤灰后，会通过离子交换和硬凝反应，从而改变土体的骨架单元连接方式，从点接触逐渐转变为面接触，土体内部架空的孔隙数量大大降低，因而压缩性得到有效改善；改良前土体的单轴抗压强度仅为383.2 kPa，而掺入粉煤灰改良后，分散性土的抗压强度提升至590.5 kPa，提升幅度为54.1%，这是因为粉煤灰掺入后，会迅速与土体中水分发生水解反应，随着龄期增大，粉煤灰会与分散性土发生离子交换和硬凝反应，生成强度较高且不同于水的胶结物质，这些胶结物质能够增强土颗粒之间的黏结力，从而能抵抗更高的应力作用；土体改良前，分散性土的抗渗坡降为15.98，而经粉煤灰改良后，抗渗坡降提升至32.05，提升幅度为100.6%，表明改良后土体的抗渗性能有大幅提升，相对更不易发生渗透破坏，这是因为粉煤灰与土颗粒发生胶凝发硬。增强了土体之间的黏结力，同时，部分胶凝物质填充包裹在土颗粒之间，减少了渗流通道，因此，粉煤灰能够显著改善分散性土的抗渗能力，能够提升堤防工程的安全性。

表3 改性前后分散土力学性能参数

2.3 冻融循环-降雨冲刷试验结果

试验得到的冻融循环-降雨冲刷作用下的泥沙流失情况见图3。从图中可以看到：土体改良前，泥沙累计流失量近似呈线性增加，经改性后，泥沙累计流失量呈对数型增加，泥沙颗粒流失率在逐渐减小，经10次降雨冲刷后，改性土的累计泥沙流失量为7 902 g，改良前分散性土的累计泥沙流失量为13 062 g，泥沙受雨水冲刷的流失量相对降低39.5%，表明改性后的分散性土的抗雨水冲刷能力得到较大幅度提升，且随着降雨次数的增加，土壤抗冲蚀能力逐渐增加，这是因为：在降雨前期，改良土体内的水分(含水率)较低，粉煤灰与土颗粒之间的硬凝反应需要充足的水分支持，随着降雨次数增加，粉煤灰与土体硬凝反应得到完全发挥，因而抗雨水冲蚀能力在后期显著强于改性前的分散性土体。在实际施工过程中，为了提高前期改性土的抗雨水冲刷能力，建议适当增加改性土的含水率，同时重视后期养护工作，可以在很大程度上减少雨水对堤防的冲蚀。

将粉煤灰掺量为5%，养护龄期为7 d，压实度为96%的改良土首先在室内进行冻融。

图3 冻融循环-降雨冲刷试验结果

3 改性机理探讨

通过上文分析可知：粉煤灰对黏性分散性土的改性作用主要通过离子交换反应和硬凝反应来实现，两种反应的改性机理为：(1)离子交换：在改性初期，粉煤灰中的活性物质，如SiO2和Al2O3等会与水发生水解和水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等，可以起到一定的絮凝胶结作用，而后粉煤灰中所携带的高价阳离子Fe2+、Mg2+通过与土体原有的低价钠离子进行交换(离子交换能力取决于化合价和离子水化半径)，使得土颗粒间的双电层厚度减小，土颗粒之间的斥力减小、引力增大，从而使土体产生絮凝，降低土体分散程度。(2)硬凝反应：随着水化水解反应的持续进行，析出的钙离子超过自理交换所需的量后，在碱性环境下，会与土体中的矿物成分(SiO2和Al2O3)等发生化学反应，生成稳定的结晶化合物，并逐渐在水和空气驱动下硬化，填充在土颗粒之间并促进颗粒之间胶结，从而降低分散土的压缩性，提高强度、抗渗性和抗冲刷能力。

4 结语

(1)随着粉煤灰掺量和龄期的不断增加，分散性土会逐渐向过渡性土转变，并最终转变为非分散性土，从节约工程成本讲，粉煤灰最佳掺量应在4%～6%。

(2)经粉煤灰改性后，分散性土的抵抗压缩变形的能力、强度以及抗渗性能均得到有效提升，提升幅度分别达到170%、54.1%和100.6%。

(3)改性后的分散性土在经历多次冻融循环-降雨冲刷作用后，其表面抗冲蚀能力较分散性土得到显著增强，建议在实际工程中，适当增加改性土前期的含水率以提升堤防的抗冲蚀能力。

(4)粉煤灰在分散性土中的研究应用仍相对较少，受试验条件限制，并未对压实度等其他因素进行充分分析，这将在今后做进一步补充。