高速公路膨胀土边坡化学改良试验研究

张伟刚，王瑞虎，朱经亮，朱明杨

（1苏交科集团股份有限公司,江苏南京210019；2华设设计集团股份有限公司,江苏南京210014）

膨胀土被认为是影响工程安全性最具威胁性的因素之一,膨胀土主要由强亲水性粘土矿物(蒙脱石)组成,它能通过控制土体中的水分变化而产生胀缩行为,这种行为会对高速公路膨胀土边坡稳定性造成威胁甚至破坏[1-2]。工程建设中膨胀土要么需要开挖和更换,要么需要改变其性质以满足具体的工程要求,但是前者工作量大,经济成本高,因此,通过化学改良增强膨胀土的稳定性是研究者们研究的热点[3-4]。

通过前人的研究及工程实践,目前常用的几种典型膨胀土稳定剂有熟石灰、硅酸盐水泥、沥青和石油磺酸盐等,其中,熟石灰是全球最常用的稳定剂,因为它与粘土矿物具有更好的和易性[5-6],并且石灰在水环境下会导致周围环境pH值升高并分解粘土颗粒,产生SiO32-和Al3+离子等,它们与Ca2+离子等反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等胶凝产物,使得土体的强度有所增加[7-8]。但是,目前常用的稳定剂普遍存在经济成本高等问题,因此,寻找一种综合的、低成本的稳定剂,如可行的工业废料,具有重要的意义。

木质素磺酸盐(S)是一种以木质素为基础的有机聚合物,是造纸加工工业的废弃副产物,处理不当会对环境造成严重问题,此外,作为世界上最大的造纸国家,木质素磺酸盐在中国拥有丰富的资源[9-10]。因此,本文研究利用木质素磺酸盐作为稳定剂改善膨胀土的岩土性能的可行性。以往的研究仅通过木质素磺酸盐改善不同土壤的各种土工性质,且这些研究主要集中在粉砂质土、粉砂质粘性土和低塑性粘土,关于膨胀土的研究很少[11-13]。研究表明木质素磺酸盐改善土壤性质主要是通过物理作用[14],为了更好地改善膨胀土性质,本研究拟使用熟石灰（M）和木质素磺酸盐作为复合稳定剂,从而增强高速公路膨胀土边坡稳定性。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本研究使用的膨胀土取自河南省南阳市某高速公路边坡,对其进行XRD测试,得到其主要矿物成分如图1所示,结果表明,膨胀土中黏土矿物平均占51%,即蒙脱石(47%)、伊利石(4%)和其他非黏土矿物如微斜长石(4%)、钠长石(7%)和石英(38%),其化学成分见表1。经过室内试验测定了该膨胀土的基础岩土特性,即土的液限为61.8%,塑性指数为39.7%,土壤的自由膨胀指数为85%,土壤活度为1.85。木质素磺酸盐取自河南省新乡新亚纸业,其XRD谱图显示其为无定形性质；熟石灰中Ca(OH)2含量达84%。

图1 膨胀土XRD测试结果Fig. 1 XRD test results of expansive soil

1.2 试验方案及方法

首先通过塑性指数（PI）对复合稳定剂的最佳比例进行优选,PI值越低,土体的收缩/膨胀行为越低。复合稳定剂的不同组合形式m见表2,每种组合的掺量从0到6%,最后根据PI值最小确定复合稳定剂最佳配合比及掺量。为了探究木质素磺酸盐和熟石灰改善膨胀土的作用机理,在确定复合稳定剂最佳配合比及掺量的基础之上,通过控制变量法改变单一物质的掺量进行进一步测试,对处理后膨胀土的各种岩土特性,如塑性、膨胀和收缩特性、导水性和强度特性进行了评估。

采用锥形贯入仪进行膨胀土的塑性试验(GB/T 50123-1999)；采用自由膨胀指数试验(GB 50112-2013)来评估土壤的膨胀行为；根据标准AS 1289-2001对膨胀土进行了线性收缩试验,以评估土壤样品的收缩行为；采用无侧限抗压强度评价土样的力学性能(GB/T 50123- 1999),土样在95%的最大干密度下被压实在一个内径为50 mm、高度为100 mm的圆形模具中,分三层均匀压实；通过XRD和SEM测试膨胀土的矿物成分和微观结构变化。

2 试验结果分析

2.1 稳定剂对塑性指数的影响

塑性指标是土体的主要物理性质之一,它直接反映了土体的体积变化特性。因此,通过塑性指数来判断不同配比复合稳定剂及其掺量对膨胀土的影响,结果如图2所示。从图中可以看出,M、S和复合稳定剂等各种掺合料在一定程度上均能降低膨胀土的塑性指数,且当M：S为3：1的复合添加剂掺量为膨胀土质量的3.5%时,即M掺量为2.625%,S掺量为0.875%时改良膨胀土的塑性指数最低,说明该配比及掺量为最优。这是由于外加剂与粘土矿物的相互作用和化学反应,双扩散层厚度降低,土壤团聚体减少,从而导致了细小的粘土颗粒减少,最终导致塑性降低[15]。

图2 不同配比稳定剂对膨胀土塑性指数的影响Fig. 2 Influence of different proportion of stabilizer on plastic index of expansive soil

2.2 稳定剂对自由膨胀指数的影响

自由膨胀指数是控制膨胀土体积变化的一个重要临界性质。图3显示了不同配比稳定剂对膨胀土养护7天后自由膨胀指数的影响。从图3可以看出,M、S和复合稳定剂等各种掺合料在一定程度上均能降低土壤的自由膨胀指数,此外,当S百分比从0.5%增加到1.0%以及M百分比从2%增加到6%时,改良膨胀土自由膨胀指数急剧降低,当S及M百分比超过1.0%和6%后,改良膨胀土自由膨胀指数变化趋势显著降低。总体而言,复合稳定剂显著降低了膨胀土的膨胀指数,且优于S和M单独作用时。

图3 不同配比稳定剂对膨胀土自由膨胀指数的影响Fig. 3 Influence of different proportion of stabilizer on free expansion index of expansive soil

2.3 稳定剂对线性收缩的影响

线性收缩是土体的一个重要特征,是土体干裂的重要标志,主要影响土体的各种力学和水力特性（抗剪强度、渗透性等）。图4显示了不同配比稳定剂对膨胀土养护7天后线性收缩的影响。

图4 不同配比稳定剂对膨胀土线性收缩的影响Fig. 4 Effects of different proportion of stabilizer on linear shrinkage of expansive soil

从图4可以看出,M、S和复合稳定剂等各种掺合料在一定程度上均能降低土壤的线性收缩率。且效果最为明显的掺量区间为S百分比从0.5%到1.0%,M百分比从2%到6%。复合稳定剂对膨胀土的补偿效果优于M、S单独掺合料。OBA外加剂的优良性能主要是由于S和M的共同作用使土壤颗粒具有更好的絮凝性能。

2.4 稳定剂对抗压强度的影响

无侧限抗压强度试验可以了解土的基础力学特性。图5显示了不同配比稳定剂对膨胀土养护28天后线性收缩的影响。从图5可以看出,未处理土的无侧限抗压强度值为233.15kPa。随着复合稳定剂的改性,膨胀土的强度均有所增长,在M掺量一定的情况下,随着S掺量从0增加到2%,膨胀土的强度呈现出先增大后降低的趋势,强度最大时S掺量为1%；在S掺量一定的情况下,随着M掺量从0增加到10%,膨胀土的强度呈现逐渐增大的趋势,且当掺量超过6%时膨胀土的强度变化值较小。由此可以推断,与S或者M单独作用相比,M与S耦合作用可以显著提高膨胀土的强度,这是因为复合稳定剂更有利于土体形成更完整的结构。

图5 不同配比稳定剂对膨胀土抗压强度的影响Fig. 5 Influence of stabilizer with different proportions on compressive strength of expansive soil

3 改良机理分析

3.1 XRD分析

图6为不同稳定剂处理后膨胀土的XRD测试结果。经过与图1进行对比发现,对于只加入S稳定剂的样品而言,测试结果表明衍射图中石英等物质的峰强度有所降低,并有轻微的位移。物质峰值强度的降低可归因于反射矿物中晶粒的平均尺寸减小,说明S稳定剂的非晶性对蒙脱石等矿物的结晶过程起了重要作用。同时,衍射图上没有新峰的出现,说明S稳定剂与土壤矿物之间主要存在分子间相互作用,而不是化学反应；对于加入S和M复合稳定剂的样品而言,测试结果表明衍射图中未出现明显的胶凝化合物衍射峰,只产生了方解石一种新的矿物成分,但是石英等物质的峰强度有所降低,粘土矿物峰的减少可归因于S稳定性剂的非晶性以及石灰与这些粘土矿物的反应导致其结构的破坏。

图6 不同配比稳定剂改良膨胀土XRD测试结果Fig. 6 XRD test results of expansive soil modified with different proportions of stabilizer

3.2 SEM分析

图7为不同稳定剂处理后膨胀土的微观结构测试结果。从图7可以看出,未经稳定剂处理的原始膨胀土微观结构较为粗糙,粘土颗粒成团现象明显,微观结构具有较为明显的裂纹,因此原始膨胀土体的稳定性较差；经过1% S稳定剂处理后的膨胀土SEM显微图显示,微观结构粗糙程度和裂纹数量有所下降,膨胀土颗粒聚集形成大团簇,这些聚类形成了较厚的土基质,强度值的增加与大团簇聚集体的形成有关,大团簇聚集体提供了抗施加应力的稳定土壤结构；而经过1% S和6% M复合稳定剂处理过的土壤产生絮凝现象,裂隙数量显著降低,形成稳定的结构,具有平整的结构和较强的粘结性,从而改善膨胀土的强度特性。因此,这些微观结构分析为上述已获得的试验结果提供了较好的机理论证。

图7 不同配比稳定剂改良膨胀土微观结构测试结果Fig. 7 Microstructure test results of expansive soil improved by different ratio of stabilizer

4 结论

本文通过室内试验研究了木质素磺酸盐(S)、熟石灰(M)和两者的组合稳定剂处理膨胀土的相关岩土特性,并通过XRD和SEM研究了膨胀土的矿物成分和微观结构变化,以了解其稳定机理。根据试验结果,得出以下结论：

（1）根据改良膨胀土的塑性指数得出复合稳定剂的最优掺量为膨胀土质量的3.5%,复合稳定剂中M与S质量比为3：1,且复合稳定剂对膨胀土的塑性、膨胀特性和线性收缩性能改善效果优于单一稳定剂的改良效果。

（2）复合稳定剂对改善膨胀土的强度特性有较好的效果,与单一稳定剂相比,不同复合稳定剂配比下改良膨胀土的无侧限抗压强度均有明显提高。

（3）XRD分析结果表明,由于S稳定剂的非晶性,S改良膨胀土的粘土矿物峰值强度降低,而M的加入会导致粘土矿物结构的破坏。SEM测试结果表明复合稳定剂能使膨胀土形成更稳定的团聚体和强粘结的土壤团聚体。