膨胀土分布广泛,约占我国陆地面积的三分之一。膨胀土是一种典型的“灾难性土”,因其胀缩性、裂隙性经常导致修建在膨胀土地区的各类浅表层轻型工程设施遭受严重破坏,每年造成的经济损失高达数百亿元,亟待有效处理。另外,随着工业化进程的推进,产生了大量废弃物并排放至环境中。生产乙炔、PVC等产品时产生的电石渣每年排放量超过3000万吨,而生物质电厂利用稻壳发电所形成的稻壳灰超过300万吨/年。电石渣、稻壳灰等固体废弃物,占用土地资源,破坏水土环境,急需资源化利用。在生态文明建设大背景下,本文基于“节能利废、以废治废”的理念,创造性将电石渣和稻壳灰复合形成一种新型的胶凝材料,并将之用于固化膨胀土。通过胶砂强度、扫描电镜、X射线衍射、无侧限抗压、直剪、CBR、膨胀、收缩、数字照相、CT扫描等一系列室内试验和理论分析,对电石渣-稻壳灰基胶凝材料的性能、固化膨胀土的机理和物理力学性能进行了深入研究。主要研究内容及成果如下:(1)电石渣-稻壳灰基胶凝材料的强度主要受电石渣-稻壳灰的配比和养护凝期影响。电石渣-稻壳灰胶砂养护7天时,稻壳灰掺量越高,抗压、抗折强度越大,养护28天和90天时,抗压、抗折强度并非随稻壳灰掺量增加而增大,而是在稻壳灰掺比为65%达到峰值。电石渣-稻壳灰胶砂的抗压、抗折强度随着凝期增加而增大,28天内增长速度相对较快,而后增速减缓。从力学性能角度分析,电石渣与稻壳灰的最佳配比为35:65。最佳配比之下的电石渣-稻壳灰基胶凝材料达到P·O32.5水泥抗压强度的1/2、抗折强度的1/3。电石渣-稻壳灰基胶凝材料强度来源于稻壳灰与电石渣水化反应所形成的水化物,包括水化硅酸钙、水化铝酸钙、菱镁矿、钙沸石、水化碳铝酸钙、水化硫铝酸钙和斜方硅钙石等。各种胶体状和晶体状的水化产物相互交织、搭接,并逐渐硬化,在三维空间构成了一个牢固结合、密实的整体,形成了很好的粘结强度。宏观和微观层面都反映出电石渣-稻壳灰基胶凝材料良好的胶结性能,将其作为土体固化材料具有显著的经济、社会和环境效益。(2)素膨胀土属于紧密集粒结构,孔隙十分发育,可见“面-面”叠聚的曲片状蒙脱石和平片状伊利石。加入电石渣-稻壳灰基胶凝材料后养护7天和14天时,出现了一定量的絮状凝胶,蒙脱石、伊利石大幅降低,孔隙明显减少,结构致密性增强。养护28天时,蒙脱石和伊利石薄片基本消失,土团粒紧密连结,孔隙数量和大小均明显下降,密实性得以进一步提高。颗粒之间生长了一些纤维状和长杆状的钙沸石。养护90天时,固化膨胀土中产生了大量晶体,有簇状和六方柱状的钙矾石、纤维状和长杆状的钙沸石、板状的钙黄长石等各种水化产物,晶体与凝胶交错嵌合,形成稳固的空间网状结构。另外,随着电石渣-稻壳灰基胶凝材料掺比的增加,膨胀土颗粒团聚化程度提高,孔隙发育程度明显减弱,土体结构更加致密,整体稳定性更好。微观结构和矿物成分反映出电石渣-稻壳灰基胶凝材料固化膨胀土的机制主要包括:电石渣-稻壳灰的水化反应、离子交换和团粒化作用、凝硬反应和碳酸化反应。(3)随着电石渣-稻壳灰掺比的增加,固化膨胀土的最大干密度近似线性降低,而最佳含水率逐渐增大。和素膨胀土的应变硬化型明显不同,单轴受压和直剪条件下固化膨胀土均呈现出应变软化型。随着电石渣-稻壳灰掺比和养护凝期的增加,应力应变曲线的脆性破坏特征愈发鲜明。但破坏后,固化膨胀土仍保有一定的残余强度,残余强度主要有颈缩性内核提供。电石渣-稻壳灰基胶凝材料的加入显著提升了膨胀土的无侧限抗压强度、粘聚力和CBR值,通常这几个力学指标随电石渣-稻壳灰掺比的增大先快速增加,到25%时达到峰值,而后下降。无侧限抗压强度、粘聚力和CBR值随着凝期的增加而增大,并与凝期的对数存在较好的线性相关性。固化膨胀土的软化系数远大于素膨胀土,说明电石渣-稻壳灰显著改善了膨胀土的水稳定性。和石灰、石灰-粉煤灰等固化剂相比,采用电石渣-稻壳灰基胶凝材料固化膨胀土后的无侧限抗压强度、抗剪强度、CBR等力学性能更佳,水稳定性也更好。(4)固化膨胀土的自由膨胀率与电石渣-稻壳灰掺比符合指数衰减关系。电石渣-稻壳灰基胶凝材料的加入,大幅降低了膨胀土的无荷载膨胀率、有荷载膨胀率和膨胀力。随着养护时间的增加,固化膨胀土的无荷载膨胀率、有荷载膨胀率、膨胀力相应降低。综合自由膨胀率、无荷载膨胀率、有荷载膨胀率和膨胀力试验结果,发现电石渣-稻壳灰掺比为25%时,其抗膨胀性能最好,且掺比大于20%并养护14天以上,原中等膨胀土已经退化为非膨胀土,可以直接加以应用。(5)电石渣-稻壳灰基胶凝材料固化膨胀土后,大大限制了膨胀土的线性收缩和体积收缩。线缩率、体缩率随电石渣-稻壳灰掺比的增加而降低,随养护龄期的增加逐渐减小。固化膨胀土的收缩系数远小于素膨胀土,电石渣-稻壳灰掺比为25%能起到最佳的收缩抑制效果。(6)表观裂隙和内部裂隙定性和定量分析发现,膨胀土的裂隙率随电石渣-稻壳灰掺比的增加迅速衰减,并且凝期越长,裂隙率越低。养护前期,裂隙率的降幅较大,越往后降幅越不明显。与素膨胀土相比,固化膨胀土的内部裂隙明显改善,裂隙数减少,裂隙宽度变小,贯通裂缝得以消除,并且体积裂隙率和电石渣-稻壳灰掺比近似成指数衰减关系。可见电石渣-稻壳灰基胶凝材料对膨胀土的干裂发挥了重要抑制作用。随干湿循环次数的增加,素膨胀土的区块个数、裂隙节点个数、裂隙条数降低,裂缝平均长度增加,而平均宽度和裂隙率先增加后减小,在第3次循环时达到最大值。固化膨胀土的区块个数、裂隙节点个数、裂隙条数、平均宽度和裂隙率均随干湿循环次数的增加而增加,裂隙发育程度与循环次数呈正相关,但前3次循环对固化膨胀土开裂的影响较明显。素膨胀土在干湿循环作用下裂隙发育显著,而加入电石渣-稻壳灰基胶凝材料固化后,裂隙率大幅降低,抗裂能力明显增强。上述成果表明了电石渣-稻壳灰作为胶凝材料的合理性,证实了采用这种胶凝材料固化膨胀土在性能、经济、环保等方面的优越性,为电石渣-稻壳灰基胶凝材料固化膨胀土在基础垫层、公路路基、机场跑道、基坑回填等工程中推广应用提供了科学依据和理论指导。该论文有图129幅,表53个,参考文献210篇。