稻壳灰和电石渣改性膨胀土力学性能及作用机理研究

郭 铄

(湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015)

1 概述

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种粘土，富含蒙脱土、伊利石等亲水矿物。膨胀土具有膨胀、收缩和超固结特性，与普通粘土有显著差异[1]。当含水率增加时，膨胀土容易形成膨胀力和膨胀变形;当含水率减少时，收缩应力和裂缝往往发生。由于膨胀土在干湿循环过程中存在极大膨胀-收缩特性，可导致地基的差异沉降、路基沉降、路面和渠道壁开裂、大坝渗漏。膨胀土的改良措施一般包括土壤置换、湿度控制、化学改性和特殊地基处理[2]。考虑到对环境的影响，许多学者们倾向于使用各种类型的固体废弃物作为膨胀土的改良剂，如粉煤灰[3]、高炉矿渣[4-5]、水泥窑粉尘[6-7]、碱渣[8-9]等。在中国，固体废料中稻壳灰(RHA)和电石渣(CCR)较多，两者都可用于改良膨胀土。基于对火山灰活性的研究发现，RHA是一种潜在的膨胀土改良材料[10-11]。若将RHA与石灰、水泥、废水泥等胶凝材料结合使用，改良膨胀土的效果会更好[12-13]。电石渣是乙炔生产的副产品，主要含有Ca(OH)2。从理论上讲，CCR干燥后可完全替代石灰改良不良岩土体。已有文献研究了CCR改良土的基本物理、力学和微观特性[14-17]。当CCR与粉煤灰、RHA等火山灰混合时，可以形成类似水泥的胶凝材料[18-19]。利用CCR和RHA改良膨胀土的研究报道较少。本文利用生物质发电厂RHA与乙炔公司CCR相结合的方法改良膨胀土。根据砂浆强度确定了RHA和CCR的最佳掺量。通过膨胀性能试验和无侧限抗压强度试验研究了掺量、养护时间和初始含水率对RHA-CCR改良膨胀土效果的影响。

2 试验方案

2.1 材料

a.膨胀土。

膨胀土是在湖南省某高速公路工地采集的。膨胀土的基本物理性质见表1。膨胀土土样的组成成分为:砂粒7.1%，粉粒42.7%，粘土粒50.2%，且膨胀土中细颗粒的比例超过60%，属于高塑性CH粘土。

表1 膨胀土的基本物理性质Table1 Basicphysicalpropertiesofexpansivesoils自由膨胀率/%液限/%塑限/%塑性指数/%收缩极限/%比重最大干密度/(g·cm-3)最优含水率/%CBR/%132.052262610.322.211.67183.973

b.稻壳灰(RHA)。

RHA来自淮安市的生物质发电厂。呈灰黑色，其内部有大量孔洞，其孔径5～10 μm，其主要成分是SiO2，同时含有未完全燃烧的活性碳。

c.电石渣(CCR)。

CCR来自淮安市的乙炔公司。在105 ℃下干燥24 h，然后在立式粉碎机中粉碎。CCR的颗粒很细，很均匀，主要成分为Ca(OH)2。

2.2 实验方案

2.2.1RHA-CCR胶结材料试验

为了获得最佳的RHA和CCR配比，设计了5个比例的样品，并与水泥(PO32.5)砂浆在相同养护时间内进行强度对比。试验方法按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)执行。采用高效减水剂使砂浆的流动保持在(180±5)mm之间。在标准养护室中养护7、14、28、60 d后，测定砂浆试件的抗压强度和抗弯强度。

表2 砂浆按质量配比的组成Table3 Compositionofmortaraccordingtoqualityratio试验m(RHA)/m(CCR)m(RHA)/gm(CCR)/g水泥/g砂/gA———4501350B20∶8090360—1350C35∶65157.5292.5—1350D50∶50225225—1350E65∶35292.5157.5—1350D80∶2036090—1350

2.2.2RHA-CCR改性膨胀土力学性能试验

按RHA和CCR的最佳配比制成添加剂，与土壤样品混合制备改性膨胀土混合料，按要求进行膨胀性试验和无侧限抗压试验。

本文设计的RHA-CCR与膨胀土的干质量百分比为0%、5%、10%、15%、20%。为了比较不同含水率对反应的影响，制备了3种初始含水率，分别为最佳含水率(wz)、1.2倍wz和1.4倍wz。将混合料加水搅拌，放入密封袋中，焖料24 h。最后，按《公路土工实验规程》制备上述试验所需尺寸试样，并将试样放入标准养护室(温度20 ℃±3 ℃，相对湿度98%)中养护7、14、28、60 d。

3 结果与讨论

3.1 RHA-CCR砂浆强度

RHA-CCR砂浆的抗压强度Rc和抗弯强度Rf是表征火山灰反应水平的重要参数。由图1、图2和表3可知：

a.RHA-CCR砂浆的Rc和Rf均随养护时间的增长而显著增大，说明RHA-CCR砂浆凝固后，还在继续发生缓慢的反应，使RHA-CCR砂浆的Rc和Rf增大。

b.试验E砂浆在28 d和60 d内的抗压强度Rc和抗弯强度Rf最高。RHA掺量较低时，RHA-CCR砂浆强度增幅较大。

c.试验E砂浆的抗压强度为水泥砂浆的0.41倍，抗弯强度为水泥砂浆的0.32倍，强度相对较低。

图1 不同RHA/CCR配比砂浆的抗压强度

图2 不同RHA/CCR配比砂浆的抗弯强度

表3 RHA-CCR砂浆的抗压强度Rc和抗弯强度RfTable3 CompressivestrengthRcandbendingstrengthRfofRHA-CCRmortar试验编号m(RHA)/m(CCR)不同养护时间(d)的抗压抗弯强度/MPa4d7d28d60dRcRfRcRfRcRfRcRfA—20.814.8225.697.1132.4310.7839.3312.87B20∶800.580.211.070.321.580.412.210.72C35∶651.040.434.571.334.731.405.091.55D50∶501.550.449.022.3110.173.1515.153.67E65∶352.530.8710.042.8613.213.4119.014.02F80∶204.681.6112.143.1912.563.5414.103.91

RHA-CCR砂浆强度虽然较低，但可节约工程成本，减少环境污染，非常适合处理一些不良土壤。由以上分析可知，m(RHA)/m(CCR)的配比取65∶35可以得到最佳效果。因此，m(RHA)和m(CCR)的最佳配比为65∶35。

3.2 RHA-CCR改良膨胀土的膨胀性能

表4和表5分别为RHA-CCR掺量对膨胀土膨胀率和膨胀力的影响。由表4和表5可以看出：

a.养护时间为0 d时，RHA-CCR掺量从0增加到20.0%时，改良土的膨胀率从26.25%下降到15.67%；RHA-CCR在不同掺配比例下，与未处理土壤相比，膨胀率的降低率从10.63%到40.31%不等。RHA-CCR掺量从0.0增加到20.0%时，改良膨胀土的膨胀力从424.99 kPa降低到205.07 kPa，与未改良的膨胀土相比，膨胀力的降低率从10.90%到51.75%不等。可见，RHA-CCR可显著减小膨胀土的膨胀率和膨胀力，且膨胀率和膨胀力随RHA-CCR掺量的增大而减小。

b.随着养护时间的增加，改良土的膨胀率和膨胀力相应减小。以w=1.2wz、RHA-CCR掺量10%为例，当养护时间从0 d增加到60 d时，膨胀率由20.23%下降到6.04%，膨胀力由279.97 kPa下降到83.05 kPa。在0～28 d内，膨胀率的日降低率为0.36%，在28～60 d内仅为0.12%。可见，改良土在固化初期膨胀率减小的速度较快，后期相对较慢。膨胀力的变化趋势与膨胀率的趋势相似。

表4 不同RHA-CCR掺量的改良膨胀土膨胀率Table4 TheexpansionrateofimprovedexpansivesoilwithdifferentRHA-CCRcontent含水率/%RHA-CCR掺量/%固化时间/d07142860026.2526.2526.2526.2526.25523.4620.2119.0015.5112.86w=wz1020.3017.4114.9910.666.081517.9815.7013.537.984.492015.6713.7410.256.033.26025.4925.4925.4925.4925.49522.7119.2918.4813.6511.44w=1.2wz1020.2316.9114.509.976.041517.1615.7512.326.594.072013.6711.269.295.122.90025.6125.6125.6125.6125.61523.0319.5418.6413.6511.46w=1.4wz1020.4316.6414.159.385.981517.0415.6412.366.673.982013.3610.989.675.382.99

表5 不同RHA-CCR掺量的改良膨胀土的膨胀力Table5 TheexpansiveforceofimprovedexpansivesoilwithdifferentRHA-CCRcontent含水率/%RHA-CCR掺量/%固化时间/d071428600424.99424.99424.99424.99424.995378.67329.87272.95216.04179.46w=wz10309.96224.59202.23159.56102.6415269.72186.38147.7694.9266.4620205.07154.2699.3950.6130.270387.15387.15387.15387.15387.155332.71305.31245.37207.72164.90w=1.2wz10279.97206.34180.65142.9883.0515216.96174.15134.77105.6557.7120179.63152.2392.2947.7828.940392.81392.81392.81392.81392.815335.51304.78245.04205.80164.86w=1.4wz10278.16200.79172.19140.0583.6315214.00173.05137.20104.7855.3120175.40148.1493.5250.8623.54

图3 w=wz时RHA-CCR掺量与改良膨胀土膨胀率的关系

图4 w=wz时RHA-CCR掺量与改良膨胀土膨胀力的关系

图5 膨胀率随固化时间和初始含水率的变化而变化(RHA-CCR掺量=10%)

图6 膨胀力随固化时间和初始含水率的变化而变化(RHA-CCR掺量=10%)

c.改良土初始含水率(w)对膨胀性能有明显影响。随着初始含水率的增加，膨胀率和膨胀力都减小。

3.3 膨胀土无侧限抗压强度

图7为不同含量的RHA-CCR在不同养护时间下的无侧限抗压强度。从图7可以看出：

a.养护天数相同时，改性土的无侧限抗压强度随RHA-CCR掺量的增大。这是由于RHA-CCR颗粒细小，具有良好的填充作用，且RHA-CCR改变了土壤颗粒的结构，降低了塑性。因此，固化膨胀土的强度随RHA-CCR掺量的增加而增加。

b.膨胀土养护后强度发生了明显变化，且当掺量达到15%时，强度达到最大值。同时，随着固化时间增加，无侧限抗压强度也相应增加。养护28 d后掺量为15%的试样，其最大强度约为未养护土的3倍。最后，随着养护时间的不同，强度增长速率也不同。从强度提高的角度出发，建议RHA-CCR掺量为15%、初始含水率为最佳含水率的1.2倍来改良膨胀土。

(a)w=wz

3.4 RHA-CCR的改良机理

杜延军[14]等对电石渣改良土的机理进行了深入的分析。参照其理论，RHA-CCR改良的机理如下：

a.RHA-CCR的置换作用。膨胀土与RHA-CCR混合后，其物理性质会发生变化。RHA和CCR均为粉体颗粒，塑性较低，属于非膨胀材料，RHA-CCR的加入降低了粘土颗粒在膨胀土中的比例，相应降低了膨胀土的液限和塑性指数，同时降低了膨胀土的膨胀收缩。颗粒很细的CCR对土壤颗粒有很好的填充效果。因此，随着RHA-CCR掺量的增加，RHA-CCR的置换效率越来越明显。

b.RHA的火山灰效应。RHA中含有大量活性二氧化硅，是一种理想的火山灰材料。CCR与火山灰组分反应生成硅酸盐水泥。硅酸盐凝胶覆盖和黏结土壤中的粘土块，并填充土壤空隙。随着胶凝材料由凝胶态转变为结晶态，膨胀土颗粒逐渐结合并固结。随着时间的推移，这种凝胶逐渐结晶成硅酸钙水合物。因此，当土壤固化一段时间后，强度增加，膨胀率减小。

c.膨胀土的离子交换作用。膨胀土膨胀收缩主要是由于膨胀矿物在土壤中的吸水作用。吸水后水膜的厚度发生变化。厚度越薄，颗粒间粘结力越大，土体抗剪强度越高，膨胀收缩性能越小。添加到膨胀土中，在水的辅助下，CCR分解成Ca2+和OH离子。Ca2+在粘土颗粒中被Na+和K+交换取代，使胶体吸附层变薄。水膜厚度变薄，土壤的膨胀率减小。此外，碱性环境加速了离子交换。由于CCR是一种碱，膨胀土的pH随着CCR的加入而增大。一般来说，CCR越大，离子交换越多。

4 结论

通过以上实验研究和结果分析，可以得出以下结论:

a.RHA与CCR结合可以形成胶结材料。RHA和CCR掺比为65∶35具有较好的强度性能，可用于改良膨胀潜力较大的膨胀土。

b.RHA-CCR可显著减小膨胀土的膨胀率和和膨胀力，且膨胀率和膨胀力随RHA-CCR掺量的增大而减小。随着养护时间的增加，改良土的膨胀率和膨胀力相应减小。改良土初始含水率(w)对膨胀性能有明显影响。随着初始含水率的增加，膨胀率和膨胀力都减小。

c.掺加CCR和RHA后膨胀土的无侧限抗压强度迅速提高。随着养护时间的增加，处理后的土体强度也相应增加。改良土初始含水率对无侧限抗压强度有重要影响。从强度提高的角度出发，建议RHA-CCR掺量为15%、初始含水率为最佳含水率的1.2倍来改良膨胀土。

d.RHA-CCR对膨胀土的改良作用机理为RHA-CCR置换作用、火山灰效应和离子交换。