廢木灰處理紅黏土的水力性能研究

孔　雀

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙　410015)

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廢木灰處理紅黏土的水力性能研究

孔雀

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙410015)

由于具有較低的滲透性和中等壓縮性，紅黏土也被用做垃圾填埋場(chǎng)的襯墊材料。通過不同廢木灰摻入比對(duì)紅黏土改性，研究了不同擊實(shí)能條件下紅黏土及其改性后的水力性能。結(jié)果表明廢木灰摻入量對(duì)該紅黏土液塑限指數(shù)的影響并不大；隨著擊實(shí)能的減小或廢木灰摻入比的增大，紅黏土的最優(yōu)含水量增大；輕型和中型擊實(shí)的紅黏土隨著廢木灰參入比的增大滲透系數(shù)隨之增大；廢木灰摻入比的增加對(duì)土樣體積收縮影響明顯，同時(shí)顯著改變了紅黏土土樣的均一性。

紅黏土； 廢木灰； 擊實(shí)； 水力特性

0　前言

在很多亞洲國家，紅黏土被用作為建筑材料的歷史已有超過了1000 a的時(shí)間。由于其具有較低的滲透性、中等壓縮性以及對(duì)污染物的吸附阻滯性能，紅黏土被選做垃圾填埋場(chǎng)的襯墊材料。紅土(或紅黏土)在我國分布廣泛，覆蓋面積達(dá)2.0萬km2，其中分布在我國的10多個(gè)省份如廣西、云南、湖南等[1]。紅黏土主要是在第四紀(jì)沖積物重新組織得到的黏土礦物，并從大陸風(fēng)化或從白堊紀(jì)開始的新沉積物。紅黏土具有較低的滲透性，但同時(shí)也有一定的膨脹收縮性，當(dāng)被用于防滲或者襯墊材料時(shí)應(yīng)盡可能避免其脹縮特性，因此，近年來很多學(xué)者開始考慮對(duì)紅黏土進(jìn)行改性或加入其它土工材料、工業(yè)廢渣廢料等[2，3]。

近年來，針對(duì)紅黏土水力特性的研究有過不少文獻(xiàn)報(bào)道，但針對(duì)紅黏土改性或者進(jìn)行其它材料的摻入研究并不多見[4]，特別是針對(duì)用做襯墊材料的紅黏土[5]。彭玉林等[6]以昆明紅黏土為例，研究了垃圾填埋場(chǎng)中改性紅黏土防滲料的性能。劉曉紅等[7]基于紅黏土臨界動(dòng)應(yīng)力研究了高鐵無碴軌道路塹基床換填厚度。紅黏土改性方面，曹豪榮等[8]在考慮干濕循環(huán)路徑的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)研究了石灰改性紅黏土的路用性能。孫志亮等[9]通過膨脹土與紅黏土石灰改性對(duì)比試驗(yàn)研究，基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果等得到石灰改性南陽膨脹土的效果比石灰改性郴州紅黏土好。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查研究，也有學(xué)者采用廉價(jià)的或者工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)紅黏土進(jìn)行改性并應(yīng)用于工程。如何俊等[10]采用廢舊輪胎膠粉配制黏土混合土，并對(duì)其擊實(shí)性能進(jìn)行了研究。

本文選取一種廉價(jià)而又常見的廢木灰廢棄料對(duì)紅黏土進(jìn)行改性，紅黏土碾磨過篩后分別進(jìn)行液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、土柱滲透試驗(yàn)和收縮試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)，對(duì)紅黏土及其改性混合土進(jìn)行水力性能分析。

1.試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)所用紅黏土取自湖南某工地，取土現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。摻入所用的廢木灰來自廢舊木料的焚燒后灰料，廢舊木料焚燒后過0.1 mm篩作為摻入材料。

圖1　紅黏土取樣現(xiàn)場(chǎng)Figure 1　Open pit of the Red clay

取土后室外風(fēng)干，碾磨過篩，采用激光粒度儀(Beckman Coulter LS230, USA)對(duì)紅黏土土樣進(jìn)行粒徑分析，得到其顆分曲線如圖2所示。圖2表明本文試驗(yàn)紅黏土顆粒粒徑均在在2.0 mm以下。同時(shí)往碾磨過篩后的紅黏土中摻入質(zhì)量比為10%的廢木灰，得到廢木灰和紅黏土混合物的顆分曲線，見圖2。結(jié)果表明廢木灰的摻入對(duì)紅黏土顆粒粒徑的影響并不大。

圖2　紅黏土和改性后的顆分曲線Figure 2　　　　Grain size distribution of red clay before and after treated

1.2試驗(yàn)方法

本文涉及的液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、土柱滲透試驗(yàn)和收縮試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定等均在土工試驗(yàn)室完成。使用儀器包括試樣環(huán)、液塑限聯(lián)合測(cè)定儀、擊實(shí)儀、壓力機(jī)等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別對(duì)最大粒徑為2 mm的紅黏土進(jìn)行廢木灰參入比試驗(yàn)，廢木灰參入比分別為2%、4%、6%、8%和10%。隨后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)和無側(cè)限壓縮試驗(yàn)。其中擊實(shí)試驗(yàn)采用輕型、中型和重型擊實(shí)，3種擊實(shí)能分別為592.2，2 684.9，1000 kJ/m3。相關(guān)試驗(yàn)按照規(guī)范《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50123 — 1999)等[11]執(zhí)行。

2　結(jié)果與討論

2.1液塑限測(cè)定結(jié)果

通過液塑限聯(lián)合測(cè)定，得到木灰摻入比分別為2%、4%、6%、8%和10%的紅黏土液塑限如圖3所示。

圖3　木灰含量對(duì)液塑限的影響Figure 3　Effects of waste wood ash ratio on liquid plastic limit

圖3結(jié)果表明紅黏土的液限和塑限在廢木灰摻入比為2%時(shí)最小，隨著摻入比的增大液限和塑限也有略微增大趨勢(shì)。同樣的，塑性指數(shù)的結(jié)果也類似。不難發(fā)現(xiàn)，總體來說廢木灰摻入量對(duì)該紅黏土液塑限指數(shù)的影響并不大。這可能是2方面耦合作用的結(jié)果： ①無機(jī)鹽類對(duì)紅黏土液塑限的降低作用； ②摻入廢木灰后紅黏土因無機(jī)鹽的化學(xué)固結(jié)作用，土體發(fā)生收縮體積減小，土體變得密實(shí)。

2.2木灰含量對(duì)最優(yōu)含水量影響

通過輕型、中型和重型擊實(shí)能對(duì)不同廢木灰摻入比的紅黏土進(jìn)行擊實(shí)，得到不同摻入比下最優(yōu)含水量的結(jié)果如圖4所示。

圖4　木灰含量對(duì)最優(yōu)含水量的影響Figure 4　　　　Effects of waste wood ash ratio on optimum water content

從圖4結(jié)果可以看出: 隨著擊實(shí)能的增大，紅黏土的最優(yōu)含水量降低。這是因?yàn)殡S著擊實(shí)能的增大，土樣孔隙比減小，導(dǎo)致土的持水性能降低，進(jìn)而具有較低的最優(yōu)含水量。與此同時(shí)，隨著廢木灰摻入比的增大，最優(yōu)含水量增大。這是由于廢木灰中含有大量的鉀和磷等化學(xué)元素，而紅黏土主要有蒙脫石、高嶺石等粘土礦物組成。文獻(xiàn)研究表明[12]，粘土礦物擴(kuò)散雙電層厚度隨著孔隙溶液化學(xué)濃度的增大，擴(kuò)散雙電層厚度的減小會(huì)引起土體中有效孔隙的增加，最終導(dǎo)致含水量的增大。

2.3木灰含量對(duì)滲透系數(shù)影響

通過對(duì)不同擊實(shí)能擊實(shí)的土樣用環(huán)刀切樣并進(jìn)行滲透試驗(yàn)，得到不同廢木灰摻入比的滲透系數(shù)結(jié)果如圖5所示。

圖5　木灰含量對(duì)不同擊實(shí)能下滲透系數(shù)的影響Figure 5　Effects of waste wood ash ratio on permeability coefficient under different compaction energy

廢木灰摻入比對(duì)重型擊實(shí)的紅黏土滲透系數(shù)影響不大，如圖5所示。而隨著廢木灰參入比的增大，輕型和中型擊實(shí)的紅黏土滲透系數(shù)隨之增大。正如上文分析，廢木灰中的化學(xué)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致土體中有效孔隙的增大，從而滲透系數(shù)也隨著增大。圖5結(jié)果表明要達(dá)到垃圾填埋場(chǎng)襯墊材料的防滲標(biāo)準(zhǔn)，即滲透系數(shù)小于1.5×10-9m/s, 輕型擊實(shí)達(dá)不到防滲標(biāo)準(zhǔn)，且當(dāng)廢木灰摻入比超過6%時(shí)也將超過防滲標(biāo)準(zhǔn)；不論摻入比多大，重型擊實(shí)的紅黏土都能滿足襯墊材料的防滲需求。

2.4木灰含量對(duì)體積收縮影響

通過不同擊實(shí)能擊實(shí)后環(huán)刀切樣的紅黏土土樣置于試驗(yàn)室環(huán)境中干燥，干燥會(huì)引起體積收縮，通過測(cè)量土樣直徑及高度得到不同廢木灰摻入比下紅黏土土樣體積收縮情況如圖6所示。

圖6　木灰含量對(duì)不同擊實(shí)能下體積收縮的影響Figure 6　Effects of waste wood ash ratio on soil volume shrink under different compaction energy

圖6結(jié)果表明隨著廢木灰摻入比的增大，紅黏土土樣的干燥收縮，且收縮程度與擊實(shí)情況有關(guān)。擊實(shí)能越大，土樣體積收縮越小。這是由于擊實(shí)能越大土樣孔隙比越小無法像酥松土樣一樣收縮的緣故。對(duì)于輕型擊實(shí)的土樣，土樣體積的收縮在廢木灰參入比為4%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，呈現(xiàn)明顯的雙線性。

2.5木灰含量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

同樣地，通過對(duì)不同擊實(shí)能擊實(shí)后環(huán)刀切樣的紅黏土土樣在壓力機(jī)上進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到不同木灰摻入比對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖7所示。

圖7　木灰含量對(duì)不同擊實(shí)能條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Figure 7　Effects of waste wood ash ratio on unconfined compressive strength under different compaction energy

圖7結(jié)果表明: 不同木灰摻入比對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果呈“M”曲線型。表明隨著廢木灰摻入比的增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律并不明顯，這可能是由于廢木灰的摻入改變了紅黏土土樣的均一性。一方面木灰摻入比的增加增大了其有效孔隙，另一方面化學(xué)因素還會(huì)導(dǎo)致土樣體積的收縮，這一過程同時(shí)受到擊實(shí)能的影響。但圖7結(jié)果能確定隨著擊實(shí)能的增大紅黏土土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之增大。

3　結(jié)論

本文通過不同廢木灰摻入比改性紅黏土，并基于液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、土柱滲透試驗(yàn)和收縮試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到如下結(jié)果：廢木灰摻入量對(duì)該紅黏土液塑限指數(shù)影響不大；隨著擊實(shí)能的減小或廢木灰摻入比的增大，紅黏土的最優(yōu)含水量增大；輕型和中型擊實(shí)的紅黏土隨著廢木灰參入比的增大滲透系數(shù)隨之增大；廢木灰摻入比的增加對(duì)土樣體積收縮影響明顯同時(shí)改變紅黏土土樣的均一性。

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Hydro-mechanical Behavior of Red Clay Treated by Waste Wood Ash

KONG Que

(Hunan Communications Research Institute， Changsha， Hunan 410015， China)

Due to low permeability and moderate compression, the red clay is also used as liner material for landfill. The red clay was modified by different mixing ratio of waste wood ash, the hydro-mechanical behavior of red clay under different compaction energy was studied in this work. The results show that the increasing of the ratio of waste wood ash has insignificant effects on the liquid limit and plastic limit of this red clay. Optimum water content is increased with a decrease of compaction energy or increase ratio of waste wood ash. The permeability coefficient increases with waste wood ash ratio increased of light and medium compaction red clay. The waste wood ash significantly affected the soil volume shrinkage and the red clay soil uniformity was changed by the waste wood ash.

red clay; waste wood ash; compate; hydro-mechanical behavior

2016 — 05 — 23

孔雀(1981 — )，女，湖南岳陽人，工程師，主要從事公路橋梁施工與管理工作。

U 416.1+6

A

1674 — 0610(2016)04 — 0270 — 04