石灰、粉煤灰改良膨脹土的機(jī)理和展望

1、石灰、粉煤灰改良膨脹土的機(jī)理和展望論文導(dǎo)讀：膨脹土是一種具有吸水膨脹，失水收縮的黏性土，其主要粘土礦物成分是蒙脫石和伊利石，或伊利石蒙脫石。粉煤灰是燃煤電廠(chǎng)中，隨煙氣從鍋爐尾部排出的，經(jīng)除塵器收集下來(lái)的固體顆粒狀材料，簡(jiǎn)稱(chēng)飛灰或灰，是燃煤電廠(chǎng)的排除的主要固體廢物。石灰石一種無(wú)機(jī)的膠結(jié)材料，既能在空中硬化，也能在水中硬化。關(guān)鍵詞：膨脹土，脹縮機(jī)理，石灰，粉煤灰，改良機(jī)理 1前言1.1膨脹土的定義膨脹土是一種具有吸水膨脹，失水收縮的黏性土，其主要粘土礦物成分是蒙脫石和伊利石，或伊利石蒙脫石。應(yīng)該指出的是吸水膨脹和失水收縮是黏性土的共性，亦是其區(qū)別于非粘性土的主要特性之一，只有當(dāng)黏性土的脹

2、縮性增大到一定程度，產(chǎn)生膨脹壓力或收縮裂縫，并足以危害建筑物的穩(wěn)定與安全時(shí)，才可將其作為一種特殊土從土中獨(dú)立出來(lái)，稱(chēng)“膨脹土”。2.2膨脹土的分布在我國(guó)膨脹土分布很廣，如云南、廣西、貴州、湖北、湖南、河北、河南、山東、山西、四川、陜西、安徽等省區(qū)不同程度地都有分布，其中尤以云南、廣西、貴州及湖北等省區(qū)分布較多，具有代表性。膨脹土一般分布在二級(jí)及二級(jí)以上的階地上或盆地的邊緣，大多數(shù)是晚更新世及其以前的殘坡積、沖積、沖積物，也有新第三紀(jì)至第四紀(jì)的湖相沉積物及其風(fēng)化層；個(gè)別分布在一級(jí)階地上。2膨脹土的工程性質(zhì)2.1脹縮機(jī)理雙電層理論認(rèn)為：黏粒表面帶有一定量的負(fù)電荷，由于靜電引力的作用，孔隙水溶液會(huì)吸

3、引水中的陽(yáng)離子到土粒表面上來(lái)。帶有負(fù)電荷的黏土礦物顆粒表面與吸附的水化陽(yáng)離子層合起來(lái)成為雙電層。雙電層內(nèi)的離子對(duì)水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在電場(chǎng)力的作用下定向排列，在黏土礦物顆粒的周?chē)纬杀砻娼Y(jié)合水（水化膜）。由于結(jié)合水膜增厚“楔開(kāi)”土顆粒，從而使固體顆粒之間的距離增大，導(dǎo)致土體膨脹。2.2脹縮效應(yīng)在深層沒(méi)有經(jīng)歷風(fēng)化的天然狀態(tài)下，膨脹土的強(qiáng)度高，壓縮性低。當(dāng)膨脹土被人為擾動(dòng)或暴露、近地表時(shí)，將導(dǎo)致土中含水量的變化，由于其水穩(wěn)定性極差，土中水分的吸收或流失將使其體積和強(qiáng)度、變形性質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈變動(dòng)。論文格式。在土體含水率增加時(shí)，土粒表面的雙電層不斷加厚，結(jié)合水膜厚度增加導(dǎo)致土粒間距離增加，連

4、接力減弱，從而使土體體積增加，強(qiáng)度降低，壓縮性增大；在土體含水率降低時(shí)，由于含水率在空間上分布不均勻性，土體產(chǎn)生非均勻收縮，產(chǎn)生大量的收縮裂縫，破壞土體整體性，還可能產(chǎn)生與之接觸的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉裂，在土塊強(qiáng)度增加的同時(shí)，土體強(qiáng)度由于裂隙擴(kuò)展而降低。裂隙的擴(kuò)展為雨水或地表水的進(jìn)入開(kāi)啟了方便之門(mén)，于是天氣的變化進(jìn)一步導(dǎo)致了土中含水量的波動(dòng)和脹縮現(xiàn)象的反復(fù)發(fā)生，進(jìn)一步導(dǎo)致了裂隙的擴(kuò)展和向土層深部的發(fā)展，是土體的強(qiáng)度大為降低，喪失承載能力和自身穩(wěn)定性。膨脹土由于存在遇水體積膨脹、失水體積收縮的脹縮效應(yīng)，常常導(dǎo)致修建在膨脹土上的建筑物，特別是輕型建筑、公路、鐵路等工程建筑的破壞，另外由于雨水的作用的作用，膨

5、脹邊坡也常常失穩(wěn)，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重危害。3膨脹土的改良機(jī)理3.1膨脹土的改良思路膨脹土的體積變化與物理力學(xué)性質(zhì)變化是相互關(guān)聯(lián)的，改良膨脹土的主要原理在于改善膨脹土的水穩(wěn)定性，降低膨脹土的脹縮變形，減少土體變形和強(qiáng)度特性的水敏感性。膨脹土的改良思路如下：通過(guò)物理、化學(xué)過(guò)程降低土粒分散程度，讓土?；ハ嗉坌纬山Y(jié)構(gòu)較為牢固的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土里間的連接力，提高土體水穩(wěn)定性。通過(guò)反離子層的陽(yáng)離子置換，用高價(jià)陽(yáng)離子代替原來(lái)的低價(jià)陽(yáng)離子，從而使反離子層厚度即結(jié)合水膜厚度降低，減少吸附能力和膨脹能力。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，用鍵能較大的離子代替鍵能較小的離子，在土體中形成連接力較大的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)化學(xué)生成物，使

6、土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性得到顯著的提高。3.2粉煤灰改良膨脹土機(jī)理粉煤灰是燃煤電廠(chǎng)中，隨煙氣從鍋爐尾部排出的，經(jīng)除塵器收集下來(lái)的固體顆粒狀材料，簡(jiǎn)稱(chēng)飛灰或灰，是燃煤電廠(chǎng)的排除的主要固體廢物。粉煤灰是一種可有效改良膨脹土的添加劑，在膨脹土中摻入粉煤灰，存在離子交換作用與硬凝反應(yīng)，可降低膨脹土的脹縮效應(yīng)并提高膨脹土的強(qiáng)度。3.2.1離子交換作用粉煤灰與膨脹土混合后，在一定含水量條件下能與土體相互作用，產(chǎn)生離子交換作用（粉煤灰中高價(jià)陽(yáng)離子置換出膨脹土中的低價(jià)陽(yáng)離子),可有效降低膨脹土的塑性指數(shù)、活性指數(shù)以及脹縮性等，并導(dǎo)致土中細(xì)粒成分團(tuán)聚形成相對(duì)粗粒成分。粉煤灰中可以用于離子交換的高價(jià)離子，如Ca、

7、AI和Fe等，可促使粘土顆粒速凝。論文格式。3.2.2硬凝反應(yīng)粉煤灰中含有一定量的無(wú)定形的SiO和AIO,他們的存在使粉煤灰與土作用時(shí)能產(chǎn)生硬凝反應(yīng)。由于硬凝反應(yīng)，形成水化硅酸鈣和水化水化鋁酸鈣凝膠體，可以有效提高膨脹土的強(qiáng)度并抑制膨脹土的體積變形。但膨脹土中摻入粉煤灰并不能立即發(fā)生硬凝反應(yīng)，她需要一段養(yǎng)護(hù)時(shí)間才能發(fā)生并逐步發(fā)展起來(lái)。3.3石灰改良膨脹土機(jī)理石灰石一種無(wú)機(jī)的膠結(jié)材料，既能在空中硬化，也能在水中硬化。石灰的性質(zhì)取決于活性CaO和MgO的含量，其含量越高，活性越大，膠結(jié)能力越強(qiáng)。石灰改良膨脹土的過(guò)程既有物理作用，又存在化學(xué)反應(yīng)，兩者共同作用促使土體性質(zhì)發(fā)生根本變化。3.3.1離子交

8、換作用石灰加入土中后，在水的參與下離解成Ca和OH離子，Ca可與Na、K發(fā)生離子交換，使膠體吸附層減薄，電位降低；使膨脹土分散性，坍塌性、親水性和膨脹性降低，塑性指數(shù)下降，使黏土膠體絮凝，土骨架形變降低，使石灰土獲得初期的水穩(wěn)定性。3.3.2碳酸化作用Ca(OH)和Mg(OH)在土中還會(huì)不斷和空氣中的CO反應(yīng)，生成具有較高強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的CaCO和MgCO堅(jiān)硬固體顆粒。由于CaCO對(duì)土體的膠結(jié)作用使得土體加固，形成石灰穩(wěn)定土，此作用過(guò)程相當(dāng)長(zhǎng)，形成石灰土的后期強(qiáng)度。3.3.3凝硬反應(yīng)石灰加入土中后，經(jīng)過(guò)物理作用和化學(xué)作用，石灰改良土發(fā)生團(tuán)聚，隨之生成膠凝物，形成凝膠團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。隨著齡期的增長(zhǎng)，棒

9、狀及纖維狀結(jié)晶體生成，并不斷生長(zhǎng)，形成了結(jié)晶體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著齡期的繼續(xù)增長(zhǎng)，膠凝結(jié)構(gòu)層加厚，結(jié)晶體的網(wǎng)架加密，形成了膠凝結(jié)晶的網(wǎng)狀混合結(jié)構(gòu)。3.3.4膠結(jié)作用這種作用對(duì)石灰改良膨脹土的強(qiáng)度提高其決定性作用。在這個(gè)過(guò)程中適量的石灰和水可同土中大量存在的硅、鋁或者同時(shí)作用，產(chǎn)生較強(qiáng)的黏結(jié)物質(zhì)，還會(huì)提供一種高堿性的環(huán)境。在這種高堿性的環(huán)境中，主要生成氫氧化鈣和氫氧化鋁，結(jié)果將使土的強(qiáng)度有大幅的提高，土的結(jié)構(gòu)也發(fā)生大的變化。論文格式。火山灰反應(yīng)是土中的活性硅、鋁礦物在石灰的堿性激發(fā)下解離，在水的參與下與Ca(OH)反應(yīng)生成含水的硅化鈣和鋁酸鈣等膠凝物。這些膠凝物逐漸由凝膠狀態(tài)向晶體狀態(tài)轉(zhuǎn)化，使石灰改

10、良土剛度不斷增大，強(qiáng)度和水穩(wěn)性不斷提高。3.4石灰、粉煤灰共同作用的改良機(jī)理粉煤灰和膨脹土的膠凝反應(yīng)進(jìn)行較慢，早期強(qiáng)度不高，而粉煤灰中含有大量活性SiO和AIO,在石灰存在的情況下，水化生成膠凝性物質(zhì)（水化硅酸鈣和水化硅酸鋁），膠結(jié)膨脹土顆粒，在膨脹土顆粒間形成網(wǎng)狀連接，提高早期強(qiáng)度。石灰和粉煤灰混合治理膨脹土，能發(fā)揮相互促進(jìn)的特點(diǎn)，使膨脹土的早期強(qiáng)度提高，后期強(qiáng)度穩(wěn)步增長(zhǎng)。石灰、粉煤灰混合料改良膨脹土，早期發(fā)生離子交換和團(tuán)粒話(huà)作用，減薄了土粒吸附水膜的厚度，使土體塑性降低，最大干密度減小，最佳含水率增大，促使較大的土團(tuán)粒進(jìn)一步聯(lián)合，土粒之間形成較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)。4展望（1）、物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征是膨

11、脹土發(fā)生脹縮變形的本質(zhì)原因，而水是脹縮變形發(fā)生的主要誘發(fā)因素。石灰、粉煤灰具有改良膨脹土的優(yōu)良特性。（2）、火電廠(chǎng)燃煤發(fā)電產(chǎn)生的大量副產(chǎn)品粉煤灰的堆放不僅占用大量的土地資源，也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。而粉煤灰在改良膨脹土方面具有充分的可行性，所以我們可以充分利用工業(yè)廢物粉煤灰在工程上改良膨脹土，達(dá)到保護(hù)環(huán)境，變廢為寶，廢物再利用的目的。另外粉煤灰容易獲取，幾乎沒(méi)有材料成本，其改良膨脹土的費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)合理。（3）、石灰來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，改良膨脹土的效果安全可靠。（4）、石灰、粉煤灰改良膨脹土的方法已在工程中得到了有效應(yīng)用，并將會(huì)在今后工程中得到更廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1王寶田,張福海.膨脹土的改良技術(shù)與工程應(yīng)用M.北京:科技出版社.