含硫石灰土工程特性的改良措施

盧佩霞

(1. 揚州大學 建筑科學與工程學院, 江蘇 揚州 225127; 2. 揚州工業(yè)職業(yè)技術學院 建筑工程學院, 江蘇 揚州 225127)

石灰土具有整體性好、水穩(wěn)定性好、承載力高及變形小等特點,因此常被用作改善和增強路基填土性能的材料[1-2].文獻[3]分析了石灰土的無側限抗壓強度隨石灰劑量、養(yǎng)護溫度以及齡期而變化的規(guī)律.文獻[4-5]通過無側限抗壓強度等試驗，研究了影響石灰土工程性質的因素.文獻[6]研究表明：對于不同摻量下石灰處治土的基本物理指標進行了室內試驗，隨著摻灰劑量的增加，石灰處治土的液限變化不大，但塑限不斷增大，塑性指數(shù)隨之逐漸減小；土體的彈性模量及無側限抗壓強度隨石灰摻量的增大而增大，土體的黏聚力及內摩擦角也隨之逐漸增大.文獻[7]進行了石灰土、水泥土以及石灰粉煤灰土的物理力學特性研究,認為各改良土的強度隨摻入料劑量的增大而增加.文獻[8]研究了石灰對黏土工程力學性質的改良作用.文獻[9]研究了有機質軟土經過石灰處理后的力學和硬化特征.文獻[10]研究表明:當采用單一的石灰改良硫酸鹽漬土時,改良土中的土粒團粒化作用差,改良土的早期黏聚力低,對土中硫酸鈉晶體形成的約束小,因而形成的硫酸鈉晶體直徑較大,加劇了硫酸鈉晶體對土體結構的破壞,導致改良土強度的大幅降低.

因此,筆者基于揚州文昌路西延工程施工1標的黏性填土,利用SANS萬能試驗機,研究改善含硫石灰土的無側限抗壓強度,分析爐渣和粉煤灰對含硫石灰土強度的影響.該研究在改良含硫石灰土的工程特性,擴大工程適用范圍,有著重要的意義.

1 垃圾爐渣的改良效果

1.1 垃圾爐渣的特性

試驗用垃圾爐渣取自江蘇省揚州泰達生活垃圾焚燒發(fā)電廠.爐渣堆放1個月以上.自然的爐渣形態(tài)如圖1所示.由圖1可知,顆粒大小差別很大,存在大量的石塊、磚塊等大顆粒爐渣,也有許多細顆粒.所取爐渣的顆粒不均勻系數(shù)Cu=17.73,曲率系數(shù)Cc=1.04,屬于級配良好的礫類土.

圖1 原態(tài)爐渣

2013年取樣的垃圾爐渣化學成分列于表1中.焚燒爐渣的化學成分中,SiO2的質量分數(shù)最高,達56.7%,其次為Al2O3和CaO，其質量分數(shù)分別為13.8%和9.7%,堿質量分數(shù)(表1中堿質量分數(shù)指K2O和Na2O的質量分數(shù)之和)為4.5%,其他化學成分的質量分數(shù)相對較少.爐渣的主要組成元素是Si,Al,Ca,Na,Fe,C,K,Mg和O(質量分數(shù)均大于1.0%),重金屬元素(除As,Cd和Hg外)質量分數(shù)的波動較小,為20%～30%.由于As,Cd和Hg為揮發(fā)性重金屬元素,在垃圾焚燒過程中大部分都揮發(fā)進入煙氣和飛灰,爐渣中的含量很少.由表1可知,爐渣的燒失量平均值為2.3%,且均小于5%.爐渣試樣的壓縮特征類似于正常固結黏性土,隨著豎向壓力的增大,松散組試樣孔隙比下降速率較大.松散組試樣的屈服應力小于密實組.不同干密度的爐渣的內摩擦角略有不同,隨著齡期增加,爐渣內摩擦角基本不變;爐渣的黏聚力隨干密度增加而增加,隨齡期增加而增加,黏聚力與齡期呈對數(shù)函數(shù)關系.

表1 垃圾爐渣的化學成分及燒失量 %

1.2 石灰土試樣制作

選取揚州文昌路西延工程施工1標的黏性填土,土樣的塑性指數(shù)IP=27.6,液限wL=54.1%,塑限wP=26.5%.Cu=6.7,Cc=2.0.在試樣中摻加的石灰和Na2SO4質量分數(shù)均為6%,同時分別摻加質量分數(shù)為0,10%,15%,20%和25%的爐渣.采用控制分層高度的擊樣器制樣,分5層加料擊實,擊實成型為高80.0 mm、直徑39.1 mm的圓柱體試樣.試樣中水質量分數(shù)約為20%,干密度為1.6 g·cm-3,養(yǎng)護28 d.

1.3 試驗結果與分析

利用SANS萬能試驗機進行無側限抗壓試驗.圖2為石灰土無側限抗壓強度與齡期的關系曲線.由圖2可知:隨齡期增加,石灰土的無側限抗壓強度增加;爐渣質量分數(shù)w(爐渣)<15%,石灰土的無側限抗壓強度隨垃圾爐渣質量分數(shù)增加而增加;爐渣質量分數(shù)w(爐渣)>15%,齡期小于180 d,石灰土的無側限抗壓強度隨著爐渣質量分數(shù)增加而增加,而齡期大于180 d,無側限抗壓強度隨著其質量分數(shù)增加略有減小.

石灰土的無側限抗壓強度與爐渣質量分數(shù)的關系如圖3所示.由圖3可知:隨爐渣質量分數(shù)增加,石灰土的無側限抗壓強度增加;齡期<180 d的石灰土的無側限抗壓強度隨爐渣質量分數(shù)增大而增加的幅度大,齡期>180 d的石灰土的抗壓強度隨質量分數(shù)的增大而增加的幅度小.

圖2 摻爐渣石灰土強度與齡期的關系曲線

圖3 石灰土強度與爐渣質量分數(shù)的關系曲線

圖4為摻加爐渣和硫酸鹽的石灰土,經過365 d養(yǎng)護后的X射線衍射圖.摻加爐渣和硫酸鹽的石灰土中的主要礦物有高嶺石、蒙脫石、石英、石膏、方解石、水合硅酸鈣、水化硅酸鈣、鈣礬石和風硬石硅灰石膏.

注:M-蒙脫石；Q-石英；G-石膏；C-方解石；A-水合硅酸鈣；To-水化硅酸鈣；E-鈣礬石；T-風硬石硅灰石膏

圖4 摻加爐渣、硫酸鹽的石灰土X射線衍射圖(齡期365 d)

2 粉煤灰的改良效果

粉煤灰有效地降低了硫酸鹽引起的石灰土膨脹,改善了摻加硫酸鹽的石灰土的性能.在土樣中分別摻加0,6%,12%,18%和24%的粉煤灰，制作成石灰土試樣.粉煤灰中Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,K2O,Na2O,SO2和SiO2的質量分數(shù)分別為23.50%,5.93%,2.72%,1.15%,1.41%,0.44%,0.34%和64.51%.

摻加粉煤灰后,含硫酸鹽石灰土的無側限抗壓強度隨齡期的變化曲線如圖5所示.由圖5可知:隨齡期增加,摻加粉煤灰石灰土的無側限抗壓強度增加;齡期<90 d時,石灰土的無側限抗壓強度增加速度快;齡期>90 d時,石灰土的無側限抗壓強度增加速度慢.

圖5 摻粉煤灰石灰土強度與齡期的關系曲線

不同齡期石灰土的無側限抗壓強度與粉煤灰質量分數(shù)的關系如圖6所示.由圖6可知:隨著粉煤灰的增加,石灰土的無側限抗壓強度增加;齡期<30 d,石灰土的無側限抗壓強度隨粉煤灰質量分數(shù)增加而呈線性增加;齡期>30 d,石灰土的無側限抗壓強度隨粉煤灰質量分數(shù)增加而增加,但增加幅度隨粉煤灰質量分數(shù)增加而減小.

摻加不同劑量的Na2SO4的石灰土中,石灰土的膨脹量與粉煤灰質量分數(shù)的關系如圖7所示.由圖7可知:粉煤灰有效地減小了石灰土與硫酸鹽反應產生的膨脹變形;隨粉煤灰質量分數(shù)增加,摻加不同劑量Na2SO4的石灰土的膨脹量減小;對于Na2SO4質量分數(shù)為1×10-3的石灰土,由于Na2SO4的劑量小,所以粉煤灰對石灰土的膨脹變形影響很小.

圖6 摻粉煤灰石灰土強度與粉煤灰質量分數(shù)的關系

圖7 膨脹量與粉煤灰質量分數(shù)的關系曲線(齡期=60 d)

3 結 論

1) 爐渣和粉煤灰改善了含硫石灰土的強度和性能,抑制了含硫石灰土的膨脹變形.

2) 隨爐渣質量分數(shù)增加,石灰土的無側限抗壓強度增加.齡期小于180 d的石灰土的無側限抗壓強度隨爐渣質量分數(shù)增大而增加的幅度大;齡期大于180 d的石灰土的抗壓強度隨爐渣質量分數(shù)增大而增加的幅度小.

3) 隨粉煤灰的增加,石灰土的無側限抗壓強度增加.齡期小于30 d,石灰土的無側限抗壓強度隨粉煤灰質量分數(shù)增大而呈線性增加;齡期大于30 d,石灰土的無側限抗壓強度隨粉煤灰質量分數(shù)增大而增加,但增加幅度隨粉煤灰質量分數(shù)增大而減小.