膨胀土是一种高塑性黏土，主要矿物组成为蒙脱石，其次有少量的碎屑矿物长石，石英和碳酸盐等[1]。膨胀土遇水膨胀、失水收缩主要是由蒙脱石的层状结构以及元素在结构中的类型和分布引起，因此膨胀土中蒙脱石的含量越高，其胀缩性、崩解性、超固结性等特点越突出[2-3]。我国膨胀土分布地区气候类型以季风气候为主，干湿季明显，为膨胀土遇水膨胀、失水收缩提供了客观条件[4]，从而膨胀土地区土体随着干湿循环变化裂隙发育，对边坡路基稳定性造成极大隐患[5-8]。为了改变膨胀土的不良工程特性，研究人员尝试使用不同材料对膨胀土进行改良，改良中应用较多的材料为石灰、煤矸石、水泥、碳酸钙[9-13]等。石灰为石灰石高温煅烧生成，生产过程中排放大量二氧化碳且石灰石属不可再生资源，使用石灰改良膨胀土会造成极大的资源浪费。水泥生产过程中会排放大量氮氧化物严重污染生态环境[14]，煤矸石作为一种固体废弃物，可大大降低成本，但由于煤矸石中成分不稳定，含有大量重金属离子，容易对临近土壤和地下水产生污染[15]，碳酸钙粉生产成本较高，破碎过程中易产生大量粉尘[16]。钢铁行业是我国的重要基础性行业，SO2排放总量居于全国工业SO2排放总量第2位[17]，随着我国对大气领域治理的重视，干法脱硫工艺在全国范围内得到了广泛应用。但干法脱硫的副产物脱硫灰仍未找到大规模处理的有效技术手段，以填埋和堆放为主，严重占用土地资源[18]。2024年1月19日生态环境部发布了《固体废物分类与代码目录》，脱硫灰首次作为固体废物出现[19]。与传统材料相比，脱硫灰化学成分以钙类化合物为主，干湿循环条件下易水解出Ca2+替换出蒙脱石层间原有阳离子，使得蒙脱石层间离子均一稳定化，脱硫灰中大量的CaSO3通过电中和方式与蒙脱石胶体及黏土微粒相互吸附组成聚集体使得土体颗粒间更加紧密，从而改良膨胀土的工程特性，用脱硫灰治理膨胀土不仅减少了膨胀土路基的工程隐患，也使脱硫灰得到了有效利用，达到以废治废的目的。近年来，在脱硫灰的应用方面也取得了一些成果，但鲜有使用脱硫灰治理膨胀土的研究。如刘汉云飞等[20]研究了脱硫灰的掺入对水泥稳定层干缩性的影响。姜赟等[21]研究了水泥-脱硫灰复合体系固化淤泥软土的效果及机理。MA等[22]研究了脱硫灰和粉煤灰作为回填材料的性能优劣。NAVARRETE等[23]研究了脱硫灰作为水泥基胶凝材料替代品的可能。以上研究为脱硫灰改良膨胀土提供了一定的理论依据，本文通过室内试验研究了脱硫灰改良膨胀土的裂隙发育规律，比较了素土与脱硫灰改良土的裂隙发育与拓展情况，为膨胀土边坡路基施工提供借鉴。
1 试验材料和试验方案
1.1 试验材料
试验用膨胀土取自河北省邯郸市冀南新区，取土深度为地下3 m，褐黄，稍密，可塑，韧性强，切面有光泽，土质较均匀，干强度中等，含锰质浸染，见锈斑，见灰色条纹灰色斑点，偶见贝壳碎片。根据《公路土工试验规程》[24](JTG 3430—2020)通过击实试验，界限含水率试验得到膨胀土基本物理性质，如表1所示。使用X射线衍射分析，参照《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》[25](SY/T 5163-2018)得到膨胀土主要矿物成分，如表2所示。试验用脱硫灰采自山东莱芜钢铁厂二烧车间，白色粉末，粒度较细且干燥，含水率为2.8%，使用X射线衍射分析得到脱硫灰化学成分如表3所示。
| 最优含水率/% | 最大干密度/(g∙cm-3) | 液限/% | 塑限/% | 塑性指数 | 自由膨胀率/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 19.6 | 1.62 | 31.4 | 17.3 | 14.1 | 52 |
| 石英 | 伊蒙混层 | 钠长石 | 伊利石 | 方解石 | 绿泥石 |
|---|---|---|---|---|---|
| 43.8 | 33.6 | 12.4 | 4.7 | 3.1 | 2.4 |
| 1/2H2O·CaSO3 | CaSO4 | Ca(OH)2 | CaCO3 | 总计 |
|---|---|---|---|---|
| 61.35 | 15.37 | 9.23 | 10.41 | 96.36 |
1.2 试样制备
将膨胀土样自然风干，采用四分取土法取代表性土样碾碎过2 mm筛后放入烘箱105 ℃烘干，随后与脱硫灰进行混合制样。根据已有研究和预实验[26]，并结合环刀尺寸(环刀高20 mm，直径61.8 mm)对试样侧限的影响。脱硫灰含量(质量比，脱硫灰质量与烘干膨胀土质量之比)取0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%，同时设置素土样进行对比试验。详细配比设计如表4所示。
试样 编号 | 土样类别 | 土样名称 | 脱硫灰含量 | 自由膨胀率 |
|---|---|---|---|---|
| S1 | 素土样 | 素土 | 0.0 | 52.3 |
| TL1 | 混合样 | 脱硫灰改良土 | 0.5 | 44.7 |
| TL2 | 1.0 | 42.5 | ||
| TL3 | 1.5 | 39.1 | ||
| TL4 | 2.0 | 37.3 | ||
| TL5 | 2.5 | 33.9 | ||
| TL6 | 3.0 | 32.2 | ||
| TL7 | 3.5 | 29.8 | ||
| TL8 | 4.0 | 24.4 | ||
| TL9 | 4.5 | 22.6 | ||
| TL10 | 5.0 | 18.1 |
将配比好的土样置于不锈钢盛土盘内，用喷雾器按照19.6%最佳含水率向土样均匀喷水，确保上下层土样含水率基本均匀后将土样放入密封袋密封24 h，使水分在土壤毛细孔中充分浸润，取浸润好的土样利用环刀一次性压实。
1.3 试验方法
1.3.1 干湿循环试验方法
试验开始前使用1个素土样、1个2.5%脱硫灰改良土样和1个5.0%脱硫灰改良土样进行干湿循环预实验，得到土样饱和含水率均值为29%，最低含水率均值为6%。
结合预实验结果和现有研究，干湿循环4～5次土壤裂隙发育接近稳定，故此试验设计进行5次干湿循环，试样起始含水率为19.6%，干化含水率设置为6%，饱和含水率为29%。为达到最劣条件，采用真空饱和法制作饱水试样，确保黏土矿物与水分子充分接触，为使室内土工试验贴近现场施工环境，结合邯郸夏季最高温度为42.5 ℃，故将干化过程烘箱温度设置为50 ℃，具体流程如图1所示。
干湿循环具体步骤如下。
1) 将制好环刀土样双面贴土工滤纸，双面放置透水石。
2) 将环刀土样置入真空饱和器中，使用振片式真空泵抽真空2 h，确保罐内达到真空环境后停止抽气。
3) 打开真空饱和器进水管，使水没过试样并确保真空压力表读数不变，此时试样内部孔隙充满水，土颗粒与水充分接触，泡水12 h。
4) 将试样取出后置于50 ℃烘箱内，恒温烘干24 h后用相机记录试样表面裂隙发育情况，此为一次干湿循环过程。
1.3.2 X射线衍射分析试验方法
试验用X射线衍射仪为日本理学生产的Smartlab，设置衍射起始角度为3°，终止角度为70°，扫描速度4 (°)/min，步长0.02°。取经5次干湿循环后土样5 g研磨至360目(无明显颗粒感)，均匀铺平于样品架凹槽，使用载玻片轻压样品表面至样品与凹槽边缘齐平后置于样品载物台，上机测试。
1.3.3 傅里叶红外光谱试验方法
试验用傅里叶变换红外光谱仪为布鲁克生产的INVENIO S，试验开始前需先测定空气红外谱图，以便得到扣除空气背景值的样品红外谱图，扫描范围设置为450～4 000 cm-1，分辨率1 cm-1扫描64次。取经5次干湿循环后样品与溴化钾按1：100混合后研磨均匀置于压模器上，施以10 MPa压力加压2 min。试样成品应为约0.1 mm薄片，无裂痕，无不透光阴影，将制好的样品平稳放置于扫描仓，上机测试。
2 试验结果
2.1 脱硫灰含量对裂隙形貌的影响
在干湿循环试验的过程中，11组试样随着脱硫灰含量的增加裂隙均有明显下降。选取图2(S1试样)、图3(TL5试样)、图4(TL10试样)的裂隙发育情况进行分析。
如图2所示，S1试样在第1次干湿循环后在试样上部边缘和下部边缘出现主裂隙，主裂隙附近发育大量细微裂隙，裂隙呈网格状龟裂。试样裂隙的产生是由于膨胀土在饱水过程中，水分进入试样导致试样体积膨胀，烘干过程中试样内水分快速蒸发导致试样体积萎缩而形成,。第2次干湿循环后裂隙开始在试样中心出现，边缘颗粒出现脱落现象表现为试样体积的缺失。试样上部主裂隙在第1次干湿循环过程中发育得较深、较窄，由于饱水过程中水动力的侵蚀作用导致裂隙持续发育并逐渐加深，试样下部主裂隙由于第1次干湿循环过程中发育较浅、较宽，在饱水愈合-蒸发开裂过程出现了裂隙宽度变小的假性愈合趋势，与现有研究相符。第3次干湿循环过程中边缘处颗粒出现持续性脱落，裂隙在试样内持续发育，大量细小裂隙开始出现，裂隙分布区域逐渐均匀。第4次干湿循环过程中，上、下部主裂隙和主裂隙旁原细小裂隙进一步加深，裂隙几乎布满整个试样，发育几近饱和。第5次干湿循环过程中裂隙分布基本稳定，土体分块化趋势明显，试样中部开始出现较深裂隙，裂隙发育基本完成。
如图3所示，TL5试样在第1次干湿循环过程中仅试样中部出现细微裂隙，虽然后续干湿循环过程中此裂隙一直存在，但此裂隙始终未发育成为主裂隙。第2次干湿循环过程中细微裂隙大量出现在试样边缘，试样中部原有裂隙开始向四周延伸分叉，此时仍未出现主裂隙。第3次干湿循环过程中试样边缘细微裂隙开始变深并逐渐发育为主裂隙，试样边缘裂隙与试样中心裂隙出现贯通。第4次干湿循环过程中试样边缘主裂隙基本发育完全，试样中部裂隙持续加深并与主裂隙相互贯通，试样开始出现分块化。第5次干湿循环过程中主裂隙完全发育并与其他主裂隙相互贯通，分块化趋势开始明显，试样边缘局部出现较深裂隙，但试样中部仍未出现主裂隙，裂隙分布不均匀。2.5%脱硫灰的加入在前3次干湿循环过程中有效地抑制了裂隙的发育，在第4次、第5次干湿循环过程中试样分块化趋势仍然明显，试样仍保持着膨胀土的胀缩特性，这与X射线衍射分析结果相对应。
如图4所示，TL10试样在第1次干湿循环和第2次干湿循环过程中均未出现明显裂隙，这也表现为第2.2节中5.0%脱硫灰改良土第1次干湿循环和第2次干湿循环试验中数据的缺失。在第3次干湿循环过程中试样边缘开始零星分布细微裂隙，各裂隙均较为平直，未出现裂隙相互贯通现象，且裂隙长度较短。第4次干湿循环过程中，裂隙开始出现重新分布，第3次原有裂隙部分愈合，出现部分新裂隙，裂隙分布较为均匀。第5次干湿循环过程中，裂隙仍以零星分布短小细微裂隙为主，试样边缘短小细微裂隙开始发育为短小主裂隙，裂隙分布逐渐均匀，主裂隙旁出现小范围细微裂隙与主裂隙贯通现象，5.0%含量的脱硫灰对膨胀土的裂隙发育起到了明显抑制作用。
2.2 脱硫灰含量对裂隙发育的定量分析
裂隙的发育与演化是在干湿循环环境下的动态过程，为了更好地总结膨胀土裂隙演化规律，将土壤裂隙发育情况裁剪至与环刀内径相切最大圆形。使用南京大学唐朝生团队开发的CIAS系统对图片进行灰度化处理，调整图片阈值、降噪(去除与土体裂隙无关杂点)，提取出裂隙骨架并用不同颜色填充以此统计裂隙指标与分形维数[26-28]。试样裂隙处理流程如图5所示。选取试样每次脱湿结束后的裂隙率、裂隙总长度、裂隙平均宽度、分形维数这4个指标进行评价。
裂隙率是指开裂区域总面积(像素和)与试样表面积(像素和)的比值，可以综合直观地反映试样的开裂程度。裂隙总长度是指试样表面各裂隙的总和，反映了裂隙的分布与延伸规律。裂隙平均宽度是指裂隙面积与裂隙长度的比值，可以直观反映裂隙的闭合张开程度。分形维数是试样结构和细节复杂程度的具体量化，分形维数的高低与试样的龟裂程度呈正相关关系[29]。
如图6所示，在干湿循环次数相同的情况下，试样的裂隙率大小关系为：S1＞TL1＞TL3＞TL5＞TL7＞TL10(第1次干湿循环和第2次干湿循环过程中TL10未发育明显裂隙，故此裂隙数据以0计算)。各试样在干湿循环条件下裂隙发育可分为4个阶段：第1次干湿循环到第2次干湿循环为裂隙缓慢发育阶段，在此阶段中各试样裂隙在第1次干湿循环裂隙产生的基础上匀速发育，S1试样已出现龟裂特征，裂隙总长度达到了1 308.064 7像素，其余试样裂隙初步发育，裂隙总长度无明显差异；试样S1、TL1初步发育出较宽主裂隙，其余试样仍以细微裂隙为主。第2次干湿循环到第3次干湿循环为裂隙快速发育阶段，此时试样S1、TL1与其他试样分化明显，其中S1试样裂隙率由1.627 1%增长为4.601 6%、试样TL1裂隙率由1.131 0%增长为4.010 8%，其余试样裂隙率增长幅度较小；S1试样第1阶段出现的主裂隙持续发育，裂隙平均宽度增长缓慢，因为龟裂趋势的进一步加剧导致了新生的细微裂隙增加，拉低了裂隙宽度的平均值，这一点也和图6(b)中S1裂隙的总长度快速增长相对应；TL1主要表现在裂隙总长度的快速增长，因为细微裂隙的出现对裂平均宽度的拉低效应，此时主裂隙的发育成熟与裂隙平均宽度的缓慢增长并不矛盾。第3次干湿循环到第4次干湿循环阶段为裂隙稳定期，由于试样尺寸客观地限制了裂隙的发育程度，裂隙快速发育阶段形成的一些较浅、较宽的裂隙在饱水过程中由于环刀侧限的影响形成向试样中心的挤压力，导致部分裂隙变窄乃至消失，TL7裂隙总长度甚至由1 190.821 0像素下降为916.653 5像素。此阶段TL10、TL7、TL5、TL3试样的裂隙率增长幅度甚至超过了S1、TL1试样。第4次干湿循环到第5次干湿循环为裂隙发育完全阶段，此时S1、TL1试样裂隙率增长幅度小于第1阶段与第2阶段，土体分块化趋势显著；TL3、TL5、TL7试样裂隙率仍保持小幅上涨，但主裂隙已发育完毕，裂隙发育潜力变小。TL10试样裂隙率增长为0.861 05%，与前一阶段的0.858 93%几乎无变化；TL1、TL5裂隙总长度和裂隙平均宽度快速增长至饱和状态。
3 分析与讨论
膨胀土裂隙的产生是由于膨胀土中包含亲水性黏土矿物导致膨胀土体积膨胀收缩，而这些亲水性黏土矿物中又以蒙脱石最具代表性。蒙脱石是典型的T-O-T型硅酸盐矿物，由1层铝氧八面体和2层硅氧四面体组成，其中硅氧四面体中的Si4+常被Al3+所替代，铝氧八面体中的Al3+常被Mg2+、Fe2+、Zn2+所替代，所以蒙脱石层间常成负电性，对金属阳离子有极强的吸附作用[30]。在相同的浓度条件下，蒙脱石层间离子交换能力的顺序为：Li+＜Na+＜k+＜H+＜NH4+≤Mg2+＜Ca2+＜Ba2+[31]。蒙脱石不同的层间离子具有不同厚度的水化膜，而水化膜的厚度又决定了膨胀土的胀缩程度。天然膨胀土中蒙脱石层间离子种类较为复杂，所以膨胀土的胀缩表现为局部不均匀性，土体局部的不均匀导致了不同胀缩性区域的裂隙发育与分块化。
3.1 离子交换与胶凝作用
pH值是反映氢离子浓度的一种标度。脱硫灰pH值为8.49，素土pH值为8.56，如图7所示。将0.5%含量脱硫灰加入素土试样后，TL1试样pH值由8.56下降为7.46，膨胀土中氢离子浓度显著提升，这是由于脱硫灰中含有9.23%的Ca(OH)2，当Ca(OH)2溶于水后Ca2+进入蒙脱石层间，置换出蒙脱石层间的H+。随着脱硫灰含量的不断升高，土体中出现更多的Ca2+和OH-，OH-和H+生成H2O，多余的OH-保留在溶液中降低了氢离子的浓度，这一现象也与X射线衍射分析中层面间距的变化相呼应。随着碱性的逐渐增大，OH-浓度升高并与黏土矿物中硅氧四面体和铝氧八面体发生反应生成
3.2 晶体结构分析
3.2.1 X射线衍射表征
图8是不同脱硫灰含量膨胀土的XRD衍射图谱，可以看到蒙脱石001峰发生明显偏移。S1试样中蒙脱石d001值为13.887 1，层间离子复杂。脱硫灰的加入使得Ca2+与蒙脱石层间H+和Na+发生离子交换作用，导致H+和Na+从蒙脱石层间逸出，Ca2+进入蒙脱石层间，TL1中d001值为14.244 3。随着脱硫灰含量的不断增加，试样中Ca2+浓度不断提升，更多的Ca2+进入蒙脱石层间。TL2的d001值变为14.477 6，TL3的d001值变为14.765 8，TL4的d001值变为14.717 8；当试样中脱硫灰含量达到2.5%时，TL5试样d001值为15.224 5，此时试样已变为钙基蒙脱石，蒙脱石层间几乎全部被Ca2+填充[33]，试样裂隙形貌与裂隙量化指标均与S1试样呈现较大差异，这也反映出蒙脱石层间离子被置换后，其膨胀性的降低与土体局部不均匀性的减弱。蒙脱石层间Ca2+和Na+的相对数量对蒙脱石的膨胀性起着决定性的作用，每颗钙质蒙脱石颗粒所含晶层比钠质蒙脱石颗粒多，所以以粗大的复粒形式存在，表现为聚集体，以若干晶片组成的叠胶态存在，钙质蒙脱石只有外表面的Ca2+才能形成扩散层，叠胶内表面的Ca2+不能形成扩散层，只能产生几倍到十几倍的有限膨胀。而钠质蒙脱石则是以纤细的单粒形式存在，水合能力较强的Na+有较厚的水膜，引起黏土颗粒内部的湿胀，膨胀性可达几十倍[34]。
当脱硫灰含量达到5%时，TL10的d001值变为9.994 5，这是因为当试样中蒙脱石层间被Ca2+几乎充满后，脱硫灰的不断加入使得Ca2+浓度不断提升，相同的浓度条件下，Ca2+在蒙脱石层间离子交换能力中处于较强位置，导致蒙脱石的离子交换能力大大减弱。离子交换能力的降低会导致蒙脱石发生晶格塌陷，膨胀性显著降低，当离子交换能力降低至原来的68%时，蒙脱石在水中的自由膨胀性被完全抑制。在试样S1中钙芒硝的峰值强度较低，随着脱硫灰含量的提高，试样饱水过程中Ca2+将蒙脱石层间的Na+替代，使得Na+大量存在于土壤孔隙水中，烘干过程中孔隙水不断蒸发Na+进入CaSO4中形成Na2Ca(SO4)2，钙芒硝的峰型逐渐尖锐，强度逐渐增加。蒙脱石层间Ca2+的进入和Na+、H+的逸出，实质上是钠基蒙脱石转变为钙基蒙脱石的过程。
3.2.2 傅里叶红外光谱表征
由图9可知，添加脱硫灰后，膨胀土中蒙脱石骨架没有发生变化。蒙脱石3 628 cm-1处为O-H伸缩振动峰，1 636 cm-1处为层间水的伸缩振动峰，1 032 cm-1处为Si―O―Al振动峰[35]；793 cm-1处和694 cm-1处为Si―OH的振动吸收峰和Si―O的拉伸振动峰[36]。
在加入脱硫灰后3 628 cm-1处，O―H伸缩振动峰发生蓝移，0.5%脱硫灰改良土变为3 623 cm-1，此后一直稳定在3 622 cm-1，1 636 cm-1处层间水的伸缩振动峰发生红移，增强至1 639 cm-1。这可能是由于H+和Na+被Ca2+置换出蒙脱石层间，Ca2+嵌入蒙脱石晶层空穴中，不易被其他金属离子所交换，对水分子进行挤压替换，增大晶体间距发生水合离子反应。这一点也和ST1试样中pH值急剧下降，X射线衍射分析中蒙脱石d001值增大相对应。1 032 cm-1处的Si―O―Al振动峰、793 cm-1处和694 cm-1处的Si―OH振动吸收峰和Si―O拉伸振动峰减弱，这是由于脱硫灰的加入使得蒙脱石的Si―O―Al键、Si―OH键和Si―O键发生一定程度的破坏，破键电荷开始出现于硅氧四面体的基面和铝氧八面体的端面，当pH＞7时表现为负电荷[37]。脱硫灰中CaSO3通过电中和方式与带负电荷的蒙脱石胶体相互吸附，从而导致微粒聚集乃至絮凝。这种由CaSO3和蒙脱石胶体形成的絮状物具有更大的尺寸和更稳定的分子结构，通过架桥作用，大块絮状物相互连接，使得膨胀土颗粒间连接更加紧密。
3.3 裂隙抑制机理分析
通过X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析、氢离子浓度指数分析，脱硫灰抑制膨胀土裂隙发育机理如图10所示。离子交换作用使蒙脱石层间由Na+和H+转变为Ca2+，从而改变蒙脱石性质，由全层扩散转变为扩散层和叠胶态的结合，实现有限膨胀。脱硫灰中的CaSO3通过电中和方式与蒙脱石胶体及黏土微粒相互吸附组成聚集体。脱硫灰中的Ca(OH)2的不断溶解，Ca2+与膨胀土中的
4 结论
1) 脱硫灰的加入可以明显改变膨胀土的裂隙形态，增强土体一体性，素土试样在第1次干湿循环结束后就呈现明显龟裂特征，各裂隙相互贯通，主裂隙发育。随着脱硫灰的加入，2.5%脱硫灰改良膨胀土的裂隙发育缓慢，第4次干循环主裂隙才发育完全，裂隙贯通性大大降低。5%脱硫灰改良膨胀土在5次干湿循环后仍未发育出主裂隙，且细微裂隙基本不贯通，失去了膨胀土裂隙的龟裂形态特征。
2) 在干湿循环次数相同时，脱硫灰的添加量和裂隙率、裂隙总长度、裂隙平均宽度、分形维数呈负相关关系，脱硫灰可以有效抑制膨胀土裂隙的产生与发育。
3) 膨胀土中蒙脱石层间离子以Na+和H+为主，所以脱硫灰中的Ca2+可以顺利进入蒙脱石层间，改变蒙脱石晶片形态和晶体结构，从而影响膨胀土的性质，但对于层间离子为其他金属离子的膨胀土作用效果尚未验证。
4) 脱硫灰中的Ca(OH)2在水中溶解，Ca2+和OH-与膨胀土中
关于发布《固体废物分类与代码目录》的公告
[J/OL]. [徐嘉祥,赵海陆,徐博会等.脱硫灰改良膨胀土裂隙发育及演化机理[J].铁道科学与工程学报,2025,22(02):664-676.
XU Jiaxiang,ZHAO Hailu,XU Bohui,et al.The development and evolution mechanism of cracks improved by desulfurization ash in expansive soil[J].Journal of Railway Science and Engineering,2025,22(02):664-676.