0 引言
软黏土具有高含水率、高压缩性、低抗剪强度和高灵敏度等特点
[1-2]，易引起地基不均匀沉降，导致地基承载力下降，建筑物出现倾斜、开裂或损坏，不仅影响建筑物的正常使用，还可能对人身安全构成威胁。中国软黏土主要分布在长江中下游、珠江三角洲、松花江和黑龙江流域、华北平原、海南岛地区的湿地、湖泊等，一般厚度为1～15 m，对基础设施破坏严重。目前，软土地基加固技术已较为成熟。刘汉龙等
[3]探讨了软黏土地区基础设施的沉降特性，结合工程案例分析软黏土沉降对工程安全的影响，并提出几种有效的加固措施，例如堆载预压、真空预压、高聚物注浆、微生物注浆等。刘松玉等
[4]总结了近几年涌现的地基处理新工艺、新技术，包括钢渣改良土法、电石渣改良土法、赤泥改良土法、活性MgO碳化软弱土技术以及高聚物注浆技术等。SAKR等
[5]利用蛋壳及海贝壳粉改良软黏土，提高了软黏土的抗剪强度。张德恒等
[6]采用石灰、生物质灰渣固废物及土工合成材料改善了膨胀土的胀缩特性。NAZIR等
[7]研究发现，大理石粉尘可降低土体的湿陷系数，提高承载力。ELSIRAGY
[8]、张德恒等
[9]研究表明，大理石粉可提高膨胀土的抗剪强度。
中国沿海地区存在大量贝壳及其碎片，若长时间不进行任何处理，微生物会将附着在贝壳上的残留物质分解成NH
3、H
2S和胺等
[10]，影响环境。目前，贝壳粉作为建筑材料添加剂应用较广泛。刘月丽等
[11]研究发现贝壳粉可提高再生混凝土的抗渗性及耐水性。CHEN等
[12]研究表明贝壳粉可用于改良土壤的酸碱性，使酸性土壤达到中性。JIAO等
[13]研究发现贝壳粉可提高膨胀土的强度。ZHANG等
[14]评估了贝壳粉改良土体的可行性。LAVANYA等
[15]研究了硅烷改性牡蛎壳粉在疏水性混凝土中的潜在应用。YANG等
[16]研究了生蚝壳粉对水泥基材料微观性能、宏观性能及可持续性的影响。HADJADJ等
[17]以贝壳粉作为水泥基生物材料，以花岗岩工业废料作为细骨料，研究绿色流动砂混凝土的力学性能和耐久性能。BEKKERI等
[18]利用粉煤灰、炉渣和贝壳粉制备碱激发人造黏合剂。BISANAL等
[19]研究发现海贝壳粉和沥青混合可提高土体强度。VINOD等
[20]利用贝壳粉和橡胶粉固化膨胀土，改善其胀缩性。梅萌
[21]研究了海鲜贝壳粉对沥青及沥青混合料路用性能的影响，研究表明，采用生蚝壳粉、扇贝粉替代矿粉均可提高沥青混合料的抗疲劳性能，且生蚝壳粉改良沥青混合料所得沥青胶浆的疲劳因子更小，可有效提高沥青混合料的低温抗裂性能。
《2023年中国牡蛎（蚝）行业市场调查研究及未来趋势预测报告》显示，中国生蚝产量近700万吨，且每年呈递增趋势发展。生蚝壳粉是由天然坚硬的生蚝壳制成的粉末，主要成分为碳酸钙，可作为建筑材料的添加剂，经济性与稳定性较好，但目前对于生蚝壳粉改良软黏土地基方面的研究较少。本文在软黏土中掺入不同比例的生蚝壳粉，通过XRD衍射试验、液塑限试验、击实试验和抗剪强度试验，研究生蚝壳粉对软黏土物理性能的影响及改良机理，为生蚝壳粉在软土地基中的应用提供参考。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
软黏土取自南京河西某地区，取土深度为0.1～1.5 m，呈灰黄色，基本物理特征见
表1。其天然含水率为33.5%，烧失量为8%～10%，自由膨胀率为45%，属于弱性膨胀土。软黏土矿物成分见
表2。由
表2可知，软黏土的主要矿物成分为高岭土、蒙脱石和伊利石。软黏土化学成分见
表3。由
表3可知，土体的主要化学成分为SiO
2、Al
2O
3和Fe
2O
3等。
生蚝壳取自青岛某地区，生蚝壳粉制作过程见
图1。生蚝壳粉粒径不大于0.074 mm，呈灰白色，其化学组成见
表4。由
表4可知，生蚝壳粉主要由CaCO
3和少量其他矿物组成。
1.2 试样制备
（1）制备击实试验试样
软黏土烘干后，过2 mm筛。制备8种配比试样，生蚝壳粉的掺量（质量分数）分别为0、3%、6%、9%、12%、15%、18%和21%，每种配比试样均设置5组含水率，分别为5%、10%、15%、20%和25%，共40个试样，置于干燥瓶内，养护48 h。
（2）制备抗剪强度试验试样
设置含水率为软黏土的液限含水率（31.4%）,制备8种配比试样，生蚝壳粉的掺量（质量分数）分别为0、3%、6%、9%、12%、15%、18%和21%。为缩短固结时间，将试样放入重塑圆柱筒内，并在圆柱筒一端加砝码进行增压，密封保存，直至达到所需的软黏土状态。制备的抗剪强度试验试样见
图2。其中，三轴压缩试样的直径为3.5 cm，高为7.0 cm；直接剪切试样的直径为6.18 cm，高为2.0 cm。软黏土、生蚝壳粉和含水率之间的关系式为
x (1+a)+ xb=W，
式中：x为风干软黏土的质量，kg；a为软黏土的液限含水率；b为生蚝壳粉占土样的百分比；W为混合物总质量，kg。
2 试验结果与讨论
2.1 XRD衍射试验
生蚝壳粉及软黏土的XRD衍射图谱见
图3，其中，
θ为入射角。由
图3（a）可以看出，软黏土的主要矿物成分为高岭土，质量分数为69.3%，另含石英等其他少量矿物，质量分数为30.7%。由
图3（b）可以看出，生蚝壳粉的主要矿物成分为CaCO
3，质量分数为96.2%。对比
图3（a）和
图3（c）可以看出，与纯软黏土相比，向软黏土中掺加12%的生蚝壳粉后，在2
θ=13.12°处，高岭土的衍射强度幅值从1 139降至501，降幅较大。由
图3（d）可以看出，生蚝壳粉掺量为21%时，在2
θ=13.12°处，高岭土的衍射强度幅值降至451，表明随着生蚝壳粉掺量的增加，高岭土的含量逐渐减少。这是由于生蚝壳粉中的Ca
2+可与高岭土中的Al
3+进行交换，发生火山灰反应
[5]，生成新的胶结化合物，例如铝硅酸盐氢氧化物、硫铝矿和水泥石等，这些新生成的胶结化合物可填充孔隙，增大颗粒之间的凝聚力。
2.2 液塑限试验
依据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）
[22]（以下简称《规程》）开展液塑限试验，研究生蚝壳粉对软黏土液塑限指标的影响，初步评价土体特征。生蚝壳粉对软黏土液限、塑限及塑限指数的影响见
图4。由
图4可知，随着生蚝壳粉掺量的增加，液限、塑性指数均逐渐减小，塑限逐渐增大。与纯软黏土（生蚝壳粉掺量为0）相比，生蚝壳粉掺量为21%时，土体液限减小了20%，塑限增大了40%，塑性指数减小了75%。这是由于与软黏土相比，生蚝壳粉吸水性较差，掺入生蚝壳粉会置换部分高岭土颗粒，黏土颗粒的含量降低，自由水含量减少，土体的塑性指数逐渐减小，可塑性范围缩小。
2.3 击实试验
依据《规程》开展击实试验，研究生蚝壳粉对软黏土干密度和含水率的影响。生蚝壳粉对软黏土干密度的影响见
图5。由
图5可知，随着含水率的增大，土体的干密度均呈先增大后减小的变化趋势。生蚝壳粉掺量为12%时，土体的最大干密度为1.92 g/cm
3，与纯软黏土相比，最大干密度增大了2.7%。这是由于生蚝壳粉与软黏土中的高岭土发生化学反应，新生成的化合物填充土体孔隙，提高了土体的密实度。
生蚝壳粉对土体最优含水率与最大干密度的影响见
图6。可以看出，随着生蚝壳粉掺量的增加，最优含水率呈先增后减的变化趋势。生蚝壳粉掺量为21%时，最优含水率降至11.9%，与纯软黏土相比，最优含水率减小了16.1%。这是因为生蚝壳粉吸水性较差，且可以填充黏土中的颗粒孔隙，使得土体达到最大干密度时所需的水分减少。随着生蚝壳粉掺量的增加，土体的最大干密度也呈先增后减的变化趋势。生蚝壳粉掺量为12%时，土体的最大干密度最大。生蚝壳粉掺量超过12%后，过量的粗粒径生蚝壳粉会形成骨架结构，黏性颗粒无法充分填充孔隙，导致土体的最大干密度逐渐减小。
2.4 抗剪强度试验
设置围压为50 kPa，依据《规程》开展抗剪强度试验（三轴压缩试验、直接剪切试验）。生蚝壳粉掺量对土体性能的影响见
图7。其中，
图7（a）～
图7（c）为三轴压缩试验结果，
图7（d）为直接剪切试验结果。
由
图7（a）可知，生蚝壳粉掺量不大于12%时，应变相同的情况下，随着生蚝壳粉掺量的增加，土体应力有增大的趋势；生蚝壳粉掺量超过12%时，随着生蚝壳粉掺量的增加，土体应力减小。由
图7（b）可知，随着生蚝壳粉掺量的增加，土体的黏聚力先增后减。生蚝壳粉掺量为12%时，土体的黏聚力达到最大值，与未掺加生蚝壳粉相比，黏聚力增大了90%。这是由于生蚝壳粉中的碳酸钙可与黏土相互作用，形成胶凝化合物，提高了土体的黏结力。生蚝壳粉掺量过大（>12%）时，生蚝壳粉大量占据土体内部孔隙，会削弱土体与胶凝化合物之间的黏结力。由
图7（c）可知，随着生蚝壳粉掺量的增加，土体内摩擦角先增大后趋于稳定，生蚝壳粉掺量为21%时，土体的内摩擦角为18°，与液限状态下的纯软黏土相比，内摩擦角显著增大。产生这种现象可能有以下两方面原因：一是生蚝壳粉与软黏土中的高岭土进行离子交换生成了新的胶结物，胶结物的絮凝结构可增大土体的摩擦力；二是生蚝壳粉颗粒增大了土体剪切面的摩擦力。由
图 7（d）可知，不同竖向压力下，土体的抗剪强度均随生蚝壳粉掺量的增加先增后减。竖向压力相同的条件下，生蚝壳粉掺量为12%时，土体的抗剪强度最大。竖向压力为75 kPa，生蚝壳粉掺量为12%时，与纯软黏土相比，抗剪强度提高了185.3%。若要提高软黏土的抗剪强度，建议生蚝壳粉的最佳掺量为12%。
2.5 对比分析
为验证生蚝壳粉对软黏土的改良效果，将本文试验结果与文献[
23]～文献[
30]中的试验结果进行对比分析。引入抗剪强度改善因子
F(
X)，即
F(X)=A/B，
式中，A、B分别为改良后、改良前软黏土的抗剪强度。
抗剪强度改善因子对比见
图8。由
图8可知，与文献[
23]～文献[
30]相比，本文的改善因子最大，对土体抗剪强度的提升最显著。产生这种差异可能有以下两方面原因：一是所用软黏土的矿物组成、化学成分和性质有所不同；二是本文所用的生蚝壳粉与其他文献中所用的贝壳粉特性存在差异。
2.6 强度特征与养护时间的关系
竖向压力为25 kPa，不同养护时间下，生蚝壳粉对土体抗剪强度的影响见
图9。
由
图9可知，随着养护时间的延长，土体的抗剪强度逐渐增大。在未养护的情况下，与纯软黏土相比，掺入12%、21%的生蚝壳粉后，土体的抗剪强度分别增大了133.3%、45.5%，表明掺入生蚝壳粉可增大黏土颗粒的黏结性，提高土体的抗剪强度，但掺量过多，不利于软黏土固化。养护时间小于等于28 d时，纯软黏土的抗剪强度缓慢增大，养护时间超过28 d后，由于软黏土发生触变现象
[31]，即软黏土颗粒通过吸附水膜重新连接，形成新的结构，纯软黏土的抗剪强度增幅较大。与纯软黏土相比，生蚝壳粉掺量为12%，养护时间为7 d、28 d、56 d时，土体的抗剪强度分别提高了118.6%、134.7%和81.4%；生蚝壳掺量为21%，养护时间为7 d、28 d、56 d时，土体的抗剪强度分别提高了63.62%、96.54%和64.84%。养护时间小于等于28 d时，掺加生蚝壳粉的改良土的抗剪强度增幅较大，养护时间超过28 d后，由于生蚝壳粉与软黏土之间的离子交换逐渐达到平衡状态，火山灰反应减弱，土体的抗剪强度增幅较小。整体来看，生蚝壳粉掺量为12%时，对土体抗剪强度的改良效果较好。
3 结论
本文通过XRD衍射试验、液塑限试验、击实试验和抗剪强度试验，研究生蚝壳粉对软黏土物理特性的影响以及改良机理，得到如下结论。
（1）在软黏土中掺入生蚝壳粉，可降低软黏土中高岭土的含量，生成新的胶结化合物，例如硅酸盐、铝酸盐、水泥石等，填充颗粒之间的孔隙，增大凝聚力，提高土体密实度。生蚝壳粉掺量为12%时，土体的干密度最大。
（2）随着生蚝壳粉掺量的增加，软黏土的最优含水率、黏聚力及抗剪强度均呈先增后减的变化趋势，内摩擦角先逐渐增大后趋于稳定。竖向压力为75 kPa，生蚝壳粉掺量为12%时，土体的黏聚力和抗剪强度最大。
（3）随着养护时间的延长，土体的抗剪强度逐渐增大。适量掺入生蚝壳粉可增大软黏土颗粒的黏结性，提高土体的抗剪强度，但若生蚝壳粉掺量过多，会影响软黏土固结。生蚝壳粉掺量为12%时，对土体的改良效果较好。
（4）生蚝壳粉是一种经济有效的改性添加剂，可用于改善软黏土的性能，实现固废利用，减少对环境的污染。
国家自然科学基金项目(42402286)
江苏省产学研基金项目(FZ20240174)
京公网安备11010202008535号
PDF
(4011KB)
