脱硫灰改良膨胀土裂隙发育及演化机理

作     者：徐嘉祥 赵海陆 徐博会 李冲 霍婷 崔贺宇 刘世明 赵存良 XU Jiaxiang;ZHAO Hailu;XU Bohui;LI Chong;HUO Ting;CUI Heyu;LIU Shiming;ZHAO Cunliang

作者机构：河北工程大学地球科学与工程学院河北邯郸056038 中煤地质集团有限公司北京100040 中国煤炭地质总局第三水文地质队河北邯郸056006 

出 版 物：《铁道科学与工程学报》 (Journal of Railway Science and Engineering)

年 卷 期：2025年第22卷第2期

页      面：664-676页

核心收录：

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

基　　金：河北省教育厅基础研究重点培育专项(JZX2023010) 河北省重点研发计划项目(22374204D) 

主　　题：膨胀土 干湿循环 脱硫灰 裂隙发育 裂隙扩展机理 

摘      要：为了更好地探究干湿循环条件下脱硫灰对膨胀土路基裂隙发育的抑制作用及机理,以邯郸市冀南新区膨胀土为研究对象,分别对素膨胀土和脱硫灰改良土进行干湿循环试验,采用CIAS软件对裂隙图像进行二值化处理,分析不同脱硫灰含量膨胀土裂隙发育规律,通过氢离子浓度指数、X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析探讨脱硫灰改良膨胀土中蒙脱石层间离子和晶体结构的变化,总结脱硫灰抑制膨胀土裂隙的机理。研究结果表明:当脱硫灰添加量达到2.5%时,膨胀土中蒙脱石层间离子基本实现均一化,全部被Ca^(2+)填充,膨胀土裂隙率明显减少,整体性增强;当脱硫灰添加量达到5%时,膨胀土几乎无明显裂隙发育。膨胀土中脱硫灰含量和膨胀土裂隙率、裂隙总长度、裂隙平均宽度、分形维数均呈负相关关系,脱硫灰可以有效抑制膨胀土裂隙发育。裂隙抑制机理为脱硫灰中Ca^(2+)离子进入蒙脱石层间,替换出层间原有Na^(+)和H^(+),使蒙脱石层间离子均质单一化,改变了蒙脱石的晶体结构,从而改善了膨胀土的遇水膨胀,失水收缩的特性。此外,脱硫灰中的Ca(OH)_2与膨胀土中的SiO_(3)^(2-)与AlO_(3)^(3-)发生离子反应生成C-S-H和C-A-H凝胶填充了膨胀土孔隙。脱硫灰中CaSO_(3)和蒙脱石晶片及黏土微粒相互吸附,使得土体颗粒更加紧密,抑制了裂隙的发育。研究结果为膨胀土路基设计施工提供了参考。