第 7 期孙树林等 : 掺高炉水渣膨胀土的室内改良试验研究 1941 指标强度指标的对比, 来确定高炉水渣改性效果 2 高炉水渣的改性原理水渣是把热熔状态的高炉渣置于水中急速冷却产生的水渣的主要化学成分是 CaO, 其改良机制一是将高炉水渣改性剂掺入膨胀土之中后, 高炉水渣成分中的高价

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圃钭
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1 第 33 卷第 7 期岩土力学 Vol.33 No 年 7 月 Rock and Soil Mechanics Jul 文章编号 : (2012) 掺高炉水渣膨胀土的室内改良试验研究 1, 孙树林 2 2,, 唐俊 3 2,, 郑青海 4, 张淦钰 2 2,, 周立国 5, 尚文涛 (1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京 ;2. 河海大学地球科学与工程学院, 南京 ; 3. 安徽省交通规划设计研究院, 合肥 ;4. 中水顾问集团中南勘察设计研究院, 长沙 ; 5. 安徽省电力设计院, 合肥 ;6. 河海大学土木工程与交通学院, 南京 ) 6 摘要 : 通过掺入 10%~20% 不同量的高炉水渣来改性膨胀土, 对及其掺高炉水渣改性土的基本物理力学性质胀缩特性进行试验对比研究, 确定改性效果试验结果表明, 高炉水渣可以大幅降低膨胀土的自由膨胀率液限和塑性指数, 同时改善膨胀土的颗粒级配强度特性改性后的膨胀土黏粒减少, 粉粒增多, 干密度随变化较小, 水稳性提高这说明了高炉水渣对膨胀土具有很好的改性效果关键词 : 高炉水渣 ; 膨胀土 ; 物理性质 ; 胀缩特性 ; 力学特性中图分类号 :TU 411 文献标识码 :A Experimental study of expansive soil improved with granulated blast furnace slag (GBFS) SUN Shu-lin 1, 2, TANG Jun 2, 3, ZHENG Qing-hai 2, 4, ZHANG Gan-yu 2, ZHOU Li-guo 2, 5, SHANG Wen-tao 6 (1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing , China; 2. Department of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing ,China; 3. Anhui Communications Consulting & Design Institute, Hefei , China; 4.Hydrochina Zhongnan Engineering Corporation, Changsha , China; 5. Anhui Electric Power Design Institute, Hefei , China; 6. Department of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing , China) Abstract: Granulated blast furnace slag (GBFS) is utilized to overcome or to limit the expansion of an expansive soil sample. GBFS is added to sample in proportions of 10%-20% by weight. The test studies of swelling-shrinkage and basic physico-mechanical characteristics of soil samples are taken, so as to determine the improvement effects. Compared with unmodified sample, the free swelling ratio, liquid limit and plastic index decrease obviously; and the particle size gradation, strength characteristics and hydrated properties of the treated expansive soil are improved by a wide range. After improvement, clay content decreases, while silt content increases. The change of dry density with water content decreases and the hydrated property of modified soil is enhanced. It is shown that adding GBFS can successfully improve the expansive soil. Key words: GBFS; expansive soil; physical properties; swelling-shrinkage characteristics; mechanical characteristics 1 引言膨胀土是颗粒高分散成分以黏土矿物为主对环境的湿热变化非常敏感的高塑性黏土, 具有吸水膨胀软化失水收缩干裂的特性膨胀土的这种不良特性使得膨胀土地区房屋建筑公路桥梁水利工程以及机场等工程建设产生许多工程病害目前膨胀土主要采用石灰进行改性处理 [1-4], 但采用石灰进行改性的成本较高, 且对公路沿线环境的污染较大近年来人们逐步开始利用固体废弃物对膨胀土进行改良 [5-8], 如用铸造废砂粉煤灰等掺料来改良膨胀土的工程性质本文利用高炉水渣对南京卫岗地区膨胀土进行改性研究, 并通过与改性前的物理力学指标胀缩收稿日期 : 基金项目 : 教育部留学回国人员科研启动基金 ( 教外司留 [2007]1108); 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金项目 (No ); 江苏省环保科研基金项目 (No ) 第一作者简介 : 孙树林, 男,1963 年生, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事环境地质工程及岩土工程方面的教学与研究工作 slsun@hhu.edu.cn

2 第 7 期孙树林等 : 掺高炉水渣膨胀土的室内改良试验研究 1941 指标强度指标的对比, 来确定高炉水渣改性效果 2 高炉水渣的改性原理水渣是把热熔状态的高炉渣置于水中急速冷却产生的水渣的主要化学成分是 CaO, 其改良机制一是将高炉水渣改性剂掺入膨胀土之中后, 高炉水渣成分中的高价阳离子能与黏土颗粒表面的低价阳离子发生交换 [9] 离子交换对黏土颗粒还能产生絮凝或团聚作用, 使土的组织结构发生变化, 减小了黏粒含量 ; 二是在膨胀土中掺入高炉水渣, 增加粗颗粒含量, 通过改变膨胀土原有的颗粒级配, 减弱膨胀土的胀缩能力 ; 三是膨胀土中的活性硅铝矿物在 Ca(OH) 2 的碱性激发下发生解离, 在水的作用下与 Ca(OH) 2 反应生成硅酸铝和铝酸钙这个过程生成的新化合物是一种水稳性较好的结合材料 3 试验材料矿物化学成分及基本物性指标 3.1 膨胀土膨胀土采集于南京卫岗, 取土深度为 1.6~ 2.0 m, 其矿物成分物理性质指标如表 1 2 所示其自由膨胀率 ef 51%, 液限 L 48.1%, 塑限 p 19.5%, 塑性指数 Ip 28.6, 所取的膨胀土天然大部分接近塑限, 自然状态下呈半坚硬状态, 滑感较强, 肉眼可看到少量的钙质结核表 1 膨胀土的矿物成分 ( 单位 :%) Table 1 Mineral compositions of expansive soil(unit:%) 类别伊利石伊 - 蒙混层高岭石石英表 2 膨胀土物理性质指标 Table 2 Physical indices of expansive soil ef L p I p 颗粒含量 <0.005 mm <0.002 mm 由表 2 可以看出, 土样自由膨胀率高达 51%, 塑性指数达 28.6, 可确定为弱膨胀土 [10] 3.2 高炉水渣本文试验所用的高炉水渣取自于马鞍山钢铁公司第二炼铁厂, 其化学成分见表 3, 颗粒组成见表 4 由表 3 可以看出, 高炉水渣的主要化学成分是 CaO 和 SiO 2, 含量都在 30% 以上, 另外 Al 2 O 3 和 MgO 含量也比较多这 4 种化学物质的含量近 90% 从试验高炉水渣级配及粒径范围可以看出 : 试验所用高炉水渣就其颗粒大小及颗粒组成而言, 类似于砂质土 ; 高炉水渣中粒径小于 0.1 mm 的颗粒重占 27%, 从颗粒级配来看, 不均匀系数 K 9.5, 级配良好表 3 高炉水渣化学成分 Table 3 Chemical components of GBFS 化学成分 CaO MgO Al 2O 3 SiO 2 FeO MnO 含量 38~43 4~8 15~16 31~36 1~2 1~2 表 4 高炉水渣颗粒级配 Table 4 Particle size distributions of GBFS 粒径 / mm 含量土样制备根据试验所需土样数量, 将碾散的土样过 2 mm 筛 ( 自由膨胀率试验过 0.5 mm 筛 ), 过筛后用四分对角取样法, 取出足够数量的代表性土样对风干 [11] 土测定风干参考 Cokca 等所做高炉水渣作添加剂改性膨胀土的研究, 选择高炉水渣的掺量分别为 3 个水平 10% 15% 20% 取过筛后的风干土, 平铺于不吸水的盘内, 计算不同掺渣率和不同所需要的渣和水的质量 ; 用喷雾器喷晒预计水量均匀拌合土和渣, 然后装入塑料袋中扎紧, 养护一周, 让膨胀土和高炉水渣充分反应作用 5 改性试验针对和 3 种不同掺量的高炉水渣改性土, 分别进行基本物理特性膨胀特性和强度特性对比试验, 以探讨高炉水渣改性的效果及其工程特性 5.1 基本物理特性试验研究击实特性对和改性土分别进行击实试验, 探讨高炉水渣改性前后最大干密度和最优的变化规律试验结果见图 1 和表 5 由图 1 和表 5 可看出, 在相同击实功下,3 种高炉水渣改性土最优相差不大, 都在 19% 左右, 但均比的小, 最大干密度随着高炉水渣的掺入量的增加变化很小, 基本维持在 1.75 g/cm 3, 均比的 1.68 g/cm 3 大, 并且改性土峰值区比素土要平缓随着高炉水渣掺入量的增加有增强的趋势, 这说明改性土的干密度对的敏感性比素土小颗粒分析对高炉水渣不同残渣率改性土进行颗

3 1942 岩土力学 2012 年分试验, 如图 2 所示在粒径分配曲线上, 可以看出黏土颗粒明显减少, 小于 mm 的胶粒含量明显减少 ( 分别从 24% 减至 16% 15% 13%), 改性后的膨胀土不均匀系数提高到 10 以上, 此种土中细颗粒充填于粗颗粒所形成的孔隙中, 使得土质密度较高的力学特性较好性变化不大, 塑性指数从改性前最高 32.3 降低到 19.1, 可见其亲水性已大幅度下降表 6 自由膨胀率界限指标 Table 6 Free swelling ratios and limited moisture contents ef L p I p 图 1 改性前后干密度与的变化关系 Fig.1 Relationships between dry density and moisture content before and after changing properties 表 5 击实特性指标 Table 5 Indices for compacted behaviors 掺 10% 渣掺 15% 渣掺 20% 渣最优最大干密度改性土的胀缩特性膨胀土的胀缩特性是膨胀土的最基本特性, 主要的影响因素为和干密度所以本文试验针对膨胀土及其改性土在压实度分别为 93% 94% 96% 的情况下, 研究膨胀量和之间的变化关系无荷膨胀量膨胀土改性前后无荷膨胀量变化见表 7 表 7 无荷膨胀量 Table 7 Swelling percentages without loading 不同压实度下的无荷膨胀量 /% 93% 94% 96% 图 2 土样的颗粒级配曲线 Fig.2 Particle size distributions of the soil samples 自由膨胀率界限试验自由膨胀率界限试验结果见表 6 从表 6 可以看出, 自由膨胀率从改性前的 51% 下降到 30% 左右, 已不具备膨胀土的基本特性 ; 塑性指标也有明显改善, 液限也有所降低, 塑从表 7 可以看出, 膨胀土改性前后在相同的情况下, 压实度越高, 无荷膨胀量越大, 而在相同压实度的情况下, 无荷膨胀量又随的增加而减小无荷膨胀量同时受击实与击实干密度的控制, 但对膨胀量的影响比干密度显著掺入高炉水渣的膨胀土无荷膨胀量有了明显的降低, 当掺渣率为 15% 时, 无荷膨胀量降到最低, 最小的只有原来的 40%, 可见高炉水渣对膨胀土的膨胀特性能够起到很好的抑制作用 kpa 荷载下膨胀量图 3 为 50 kpa 荷载条件下膨胀土改性前后膨胀量随变化关系曲线

4 第 7 期孙树林等 : 掺高炉水渣膨胀土的室内改良试验研究 1943 由图 3 以及表 8 可以看出, 改性前后的膨胀土在 50 kpa 荷载下的膨胀量与无荷膨胀量变化规律和趋势基本一致在 50 kpa 荷载下的最小膨胀量大于 1%, 但是掺入高炉水渣后的改性土,50 kpa 荷载的膨胀量最小的已经接近 0 3 种配比的改性土在最优附近, 在不同压实度的情况下, 膨胀量均小于 0.7% 掺渣率为 15% 和 20% 的改性土 3 种压实度的不同的膨胀量都在 0.7% 以下通过膨胀量试验可以看出, 高炉水渣对膨胀土的膨胀特性有了显著的改善 (a) (b) 掺 10% 渣改性土 (c) 掺 15% 渣改性土 (d) 掺 20% 渣改性土图 3 膨胀土改性前后 50 kpa 荷载下膨胀量 Fig.3 Swelling percentage versus moisture content relationships for expansive soil before and after improvement 表 8 50 kpa 荷载下的膨胀量 Table 8 Swelling percentages under 50 kpa loading 不同压实度下的膨胀量 93% 94% 96% 强度特性抗剪强度对和改性土抗剪强度特性的研究通过采用压制样进行不同垂直压力下直接快剪试验 ( 饱水非饱水状态 ) 来完成, 抗剪强度指标如表 9 所示, 表中 c 为黏聚力, 为内摩擦角从表 9 可以看出, 改性土的直剪试验的抗剪强度指标较发生明显变化饱水时强度衰减幅度巨大, 黏聚力只有非饱水时的 10% 左右, 内摩擦角也发生锐减由此说明水稳性很差改性土非饱水和饱水强度均有显著提高, 黏聚力最高达到 kpa, 是的两倍, 内摩擦角也小幅增大, 而且改性土的饱水强度衰减幅度比小得多试验结果表明, 高炉水渣能够有效地提高抗剪强度及

5 1944 岩土力学 2012 年其水稳定性无侧限抗压强度对和 3 种掺量改性土分别按其最优制备了压制样, 分别开展饱水和非饱水无侧限抗压强度试验表 10 给出了最优和最大干密度条件下压制样的试验结果表 9 抗剪强度参数 Table 9 Shear strength parameters 干密度饱水剪非饱水剪 c / kpa / ( ) c / kpa / ( ) 表 10 改性土无侧限抗压强度指标 Table 10 Indices for uncomfined compressive strength of improved soil 土样干密度无侧限抗压强度 / kpa 饱和无侧限抗压强度 / kpa 软化系数从表 10 可以看出, 饱和膨胀土无侧限抗压强度远低于非饱和膨胀土无侧限抗压度, 软化系数只有 0.01, 吸水软化非常明显改性土的无侧限抗压强度比的略小, 并且 3 种掺渣率的改性土之间相差不大, 但软化系数都是较大的提高, 均大于结论 (1) 改性后的膨胀土黏粒含量降低, 大幅改善了膨胀土的颗分级配减小干密度对的敏感度 (2) 改性土的自由膨胀率液限塑性指数均有不同程度的降低 (3) 膨胀土中掺入高炉水渣可有效抑制膨胀土的膨胀, 降低膨胀势膨胀土的无荷膨胀量有荷膨胀量明显降低 (4) 高炉水渣改性膨胀土的抗剪强度无侧限抗压强度试验表明, 改性土具有较高的强度, 且饱水后其强度衰减较小, 具有较高的浸水强度, 水稳性得到了提高 (5) 综合考虑试验的各项指标, 掺入 15% 高炉水渣时, 可以达到最佳改性效果参考文献 [1] 徐永福. 非饱和土强度理论及其工程应用 [M]. 南京 : 东南大学出版社, 2000: [2] 刘松玉, 方磊. 击实膨胀土的循环膨胀特性研究 [J]. 岩土工程学报, 1999, 21(1): LIU Song-yu, FANG Lei. Approach to cyclic swelling behavior of compacted expansive clays[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1999, 21(1): [3] 卢再华, 陈正汉, 蒲毅彬. 膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化的 CT 试验研究 [J]. 岩土力学, 2002, 24(4): LU Zai-hua, CHEN Zheng-han, PU Yi-bin. A CT study of the crack evolution of expansive soil during drying and wetting cycles[j]. Rock and Soil Mechanics, 2002, 24(4): [4] 陈善雄, 孔令伟, 郭爱国. 膨胀土工程特性及其石灰改性试验研究 [J]. 岩土力学 2002, 23( 增刊 ): CHEN Shan-xiong, KONG Ling-wei, GUO Ai-guo. Experimental research on engineering properties of expansive soil and lime stabilized soil[j]. Rock and Soil Mechanics, 2002, 23(Supp.): [5] 孙树林, 魏荣耀, 张鑫. 废弃轮胎胶粉改良膨胀土抗剪强度研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(1): SUN Shu-lin, WEI Rong-yao, ZHANG Xin. Research on shear strength of expansive soils reinforced with waste tire powders[j]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 28(1): [6] MAHER M, GRAY D. Static response of sands reinforced with randomly distributed fibers[j]. Journal of Geotechnical Engineering, 1990, 116(11): [7] LEE J H, SAIGSDO R, BEMAL A, et al. Shredded tires and rubber-sand as lightweight backfill[j]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 1999, 125(2): [8] 孙树林, 张鑫, 魏荣耀. 掺绿砂改良膨胀土室内试验研究 [J]. 岩土力学, 待刊. [9] 刘特洪. 工程建设中的膨胀土问题 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社, [10] 交通部科学研究院. JTGE 公路土工试验规程 [S]. 北京 : 人民交通出版社, [11] COKCA E, YAZICI V, OZAYDIN V. Stabilization of expansive clay using granulated blast furnace slag(gbfs) and GBFS-cement[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2009, 27(4):

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