碱渣膨胀土混合填料路用性能测试

张少波 许斌 高奥东

（1.河北雄安京德高速公路有限公司，北京 100000；
2.中路高科（北京）公路技术有限公司，北京 100000）

膨胀土在中国分布面积非常广泛，至少存在25个省份中。膨胀土富含蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物，具有裂缝、收缩、超固结等特殊工程性质[1]。如果膨胀土含水量发生变化，其体积就会发生变化，进而出现膨胀或收缩裂缝，对公路、铁路等工程造成破坏，同时，膨胀土引起的危害具有长期性和重复性，膨胀土被称为“工程癌症”[2]。因此，如果在膨胀土地区建设项目，膨胀土应通过技术处理，然后用作填料。

膨胀土改性措施很多，例如土壤置换、湿度控制、物理改性和化学改良。不同修改方法有不同原理和特点。近年来，由于环境保护越来越受到人们的重视，学者们开始使用各种固体废弃物作为膨胀土改良剂，如粉煤灰、高炉矿渣、水泥窑灰、稻壳[3]。

碱渣是碱厂排放的废渣，我国氨碱法年产碱渣5亿吨。因此，它成为碱厂一个急需解决的严重问题[10]。碱渣由碳酸钙、硫酸钙、氯化钙等钙盐组成，可用作土壤养护材料。

本文针对中等膨胀性膨胀土，分析了碱渣与膨胀土混合填料在不同养护期和不同配比下的膨胀率、抗压强度、抗剪强度和加州承载比。研究结果将为今后工程实践提供一些参考。

（一）碱渣

在自然状态下，碱渣呈灰色，非常刺鼻。本文所用碱渣基本物理性质如表1所示。可以看出，碱渣天然含水量、液限、塑限相对较高，但塑性指数较低，不存在膨胀。用多晶X射线荧光光谱仪分析碱渣的化学成分，如表2所示。主要阳离子为Ca2+、Na+、Mg2+，主要成分为CaO。其PH值为8.9，呈弱碱性。

表1 碱渣的物理性质

（二）膨胀土

根据《公路工程土壤试验方法》（JTG E40-2007）[13]对膨胀土进行了颗粒组成、极限含水量、压实特性和自由膨胀率试验。由此可以得出结论，膨胀土具有中等膨胀潜力。膨胀土化学成分也通过XRF进行了测试，如表2所示。其主要成分为SiO2和Al2O3。

（一）掺配比率

本文中掺配比率是碱渣与膨胀土的干质量比。考虑到样品操作可行性和方便性，混合率设计为0%、10%、20%、30%、40%和50%。

表2 碱渣和膨胀土的化学成分

（二）测试方法

为获得碱渣与膨胀土混合填料路用性能，进行膨胀试验、无侧限抗压强度试验、直剪试验和CBR试验。所有试验方法参照《公路工程土壤试验方法》标准。

（三）试验程序

1.碱渣和膨胀土经干燥、筛分后，按设计配比混合均匀。然后加水搅拌混合物，并将其放入密封袋中炖24小时。

2.通过自制样品制备装置[14]，可以使用静压法将一定量的混合物压实成标准样品。检查样品表面粗糙度和高度是否符合要求。压实度选择为95%。

3.样品放置在温度为20±3℃，湿度大于95%的标准养护箱中。养护时间设定为0天、7天、14天、28天。

4.当达到特定固化时间时，取出样品，进行两组平行试验，包括膨胀试验、无侧限抗压强度试验、直剪试验和CBR试验。

（一）膨胀率

膨胀土膨胀率是膨胀变形关键指标。掺碱渣后膨胀土无压膨胀率如图1所示。结果表明，随着掺配比率降低，无压膨胀率显著降低。当掺配比率达到20%时，无压溶胀率从15.7%降至3.2%。此外，通过观察混合料膨胀过程，发现当水饱和时，膨胀在前10小时迅速增加，然后变得缓慢，50小时后基本完成。

图1 无压膨胀率随掺配比率的变化图

选择混合率为20%的样品进行膨胀试验，固化时间分别为0天、7天、14天、28天，结果如图2所示。结果表明，随着养护时间增加，膨胀率显著降低。养护7天，无压膨胀率降至0.9%，养护28天，混合物完全消除了膨胀。

图2 无压膨胀率随养护时间的变化图

（二）无侧限抗压强度

图3 无侧限抗压强度随掺配比率的变化图

添加碱渣对混合填料无侧限抗压强度影响，如图3所示。可以观察到碱渣对无侧限抗压强度有明显影响。随着掺配比率增加，无侧限抗压强度逐渐增加，在掺配比率达到30%后，增加速率趋于稳定。这表明，碱渣含量越高，无侧限抗压强度不一定越高。当混合率超过30%时，过多碱渣相当于增加其自身非黏性成分。

如图4所示，养护时间分别为0天、7天、14天、28天时，混合率为20%的样品无侧限抗压强度，凝结时间越长，无侧限抗压强度值越高。7天后，无侧限抗压强度增加到817.5kPa，14天后达到940.5kPa，是原始状态的两倍。超过14天后，随着凝结时间变化，无侧限抗压强度没有显著提高，这表明随着养护龄期的增加，碱渣对稳定土上部强度贡献不大。

图4 无侧限抗压强度随养护时间的变化图

（三）抗剪强度

通过直剪试验测试的抗剪强度指数如图5 所示。可以发现，随着碱渣含量增加，黏聚力（C）先增加后降低，并在掺配比率为30%时达到峰值。未处理土壤的黏聚力为30.19kPa，而掺配比率为30%时的最大黏聚力为104.73kPa，增加235.7%。主要原因是碱渣与膨胀土发生化学反应，生成新的复合物，提高了土壤的密度。内摩擦角（φ）随掺配比率增加变化不大，在25°和29°之间保持稳定。这是由于膨胀土颗粒和改良土颗粒摩擦力大致相等。

（四）加州承载比（CBR）

图5 抗剪强度指数随掺配比率的变化图

图6 CBR随掺配比率的变化图

图7 CBR随养护时间的变化图

CBR用于评估路基材料承载力和抗变形能力。在路基施工中，它是一个非常重要的指标。如图6所示，显示了混合填料CBR值随碱渣的变化。从图中可以看出，原膨胀土CBR小于8%，因此原膨胀土不能直接用于公路路基。碱渣改良后，CBR值大大提高，完全满足公路路基路堤填筑要求。例如，当混合率为30%时，CBR值达到33.6%。此外，凝结时间对混合填料的CBR值有显著影响。凝结时间越长，CBR越高。固化14天后，与未经处理的样品相比，CBR增加了125.6%，28天后增加了162.3%。

通过一系列室内试验，对工业碱渣-膨胀土混合填料的路用性能进行综合研究。研究结论如下：

1.碱渣-膨胀土混合料无压膨胀率随掺量增加而显著降低。然而，当掺配比率超过20%时，溶胀率变化不大。溶胀速率与掺配比率呈负指数关系。同时，养护时间对膨胀率有明显影响。养护7天，无压膨胀率降至0.9%，养护28天，混合物完全消除了膨胀。

2.碱渣膨胀土混合料无侧限抗压强度随混合比的增大而增大。当混合比超过30%时，无侧限抗压强度变化很小。此外，养护时间对无侧限抗压强度也有显著影响，如养护14天试样的无侧限抗压强度是未养护试样的两倍。养护时间越长，无侧限抗压强度越高。

3.碱渣膨胀土混合料的粘聚力随混合比的增大先增大后减小。当掺量为30%时，粘聚力达到峰值，是未处理膨胀土的三倍。内摩擦角随掺配比率增加变化不大，在25°～29°之间保持稳定。

4.碱渣膨胀土混合料的CBR值随掺量和凝结时间的增加而增加。固化14天后，与未经处理的样品相比，CBR增加125.6%，28天后增加162.3%。