電石渣固化軟土的強(qiáng)度特性研究

韓巍 王彥波，3 程寅* 樊慶霈 李景豪 劉濤 郝永明 于浩

（1新疆中泰創(chuàng)安環(huán)境科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026；2交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京1000292；3阿拉爾市富麗達(dá)纖維有限公司，新疆 阿拉爾 843300；4中泰大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830026）

0 引言

電石渣又稱電石灰，是工業(yè)生產(chǎn)聚氯乙烯、乙炔氣等產(chǎn)品過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣。其主要成分是Ca（OH）2，為高堿性物質(zhì)。排放及存儲(chǔ)電石渣需占用大量耕地，長(zhǎng)期存放的土地會(huì)嚴(yán)重鈣化，復(fù)耕非常困難；同時(shí)電石渣的長(zhǎng)期堆存也存在嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，因此對(duì)電石渣資源化利用研究十分必要。電石渣具備離子交換、火山灰反應(yīng)、碳酸化反應(yīng)和結(jié)晶反應(yīng)所需的Ca2+，并且能提供堿性激發(fā)環(huán)境以促進(jìn)火山灰反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)電石渣比表面積較大，利于促進(jìn)上述物理化學(xué)反應(yīng)的充分進(jìn)行。因此，將電石渣用作道路路基地基材料加以使用成為其高效資源化利用的有效途徑。

目前已有巖土工作者開(kāi)展了部分電石渣用于道路基層材料的相關(guān)研究[1-3]。藥秀明等[4]利用電石渣、粉煤灰作為路基填料使用于廠區(qū)道路工程中，鋪筑效果良好并提出了相應(yīng)的混合料施工工藝及壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法。龐巍等[5]分析了電石渣改良鹽漬土路基填料的效果，結(jié)果表明電石灰固化改良后，鹽漬土塑性指數(shù)緩慢降低； 隨著摻入量的增加，其最優(yōu)含水率和CBR值都相應(yīng)的增大。杜延軍、劉松玉等[3，6]開(kāi)展了電石渣改良過(guò)濕土路基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的系列研究，結(jié)果表明電石渣可有效提高過(guò)濕土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CBR、回彈模量、土體貫入阻力和干濕循環(huán)耐久性等力學(xué)特性，且其改良效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)生石灰改良土。

但目前對(duì)于電石渣應(yīng)用于道路路基的研究多限于過(guò)濕路基土，未見(jiàn)有對(duì)于在普通軟土路基的使用及作為路基填料直接使用的系統(tǒng)研究。因此，為滿足電石渣應(yīng)用于更廣范圍的軟基處理及路基填筑，對(duì)其深入研究具有必要性。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

1）土樣（DT）：本研究所用土樣為取自北京某地的天然粘性土樣。土樣的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1所示，化學(xué)組成見(jiàn)表2所示。

2）固化劑：① 電石渣（C）：取自新疆，磨細(xì)至比表面積400 m2/kg；

② 礦渣（K）：山東萊鋼集團(tuán)生產(chǎn)的磨細(xì)高爐礦渣，比表面積400 m2/kg；

③ 粉煤灰（F）：取自徐州，比表面積350 m2/kg。

固化劑的化學(xué)組成見(jiàn)表3所示。

表1 土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 土樣的化學(xué)組成

表3 固化劑的化學(xué)組成 （%）

1.2 試驗(yàn)方案

1）采用電石渣單獨(dú)固化土，電石渣摻量(電石渣與濕土的質(zhì)量比，水灰比=0.5)由5%逐漸增長(zhǎng)到70%，測(cè)試固化土的7d強(qiáng)度和28d強(qiáng)度隨電石渣摻量的變化規(guī)律。

2）固定電石渣摻量為15%、20%、25%，向土樣中增加摻入一定量的水，使土樣的含水率分別增加3%、5%、10%、15%，測(cè)試固化土7d和28d強(qiáng)度，測(cè)試不同電石渣摻量下，固化土強(qiáng)度隨土樣含水率增量的變化規(guī)律。

3）固定固化劑總摻量10%，采用電石渣與礦渣和粉煤灰以不同比例混合，測(cè)試固化土的28d強(qiáng)度，測(cè)試電石渣與礦渣和粉煤灰之間的最佳配合比。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 電石渣單獨(dú)穩(wěn)定土的強(qiáng)度特性

2.1.1 固化土強(qiáng)度隨電石渣摻量的變化規(guī)律

采用電石渣單獨(dú)固化土，固化土的7d強(qiáng)度和28d強(qiáng)度隨電石渣摻量的變化曲線如圖1（a）和圖1（b）所示。

（a）7d強(qiáng)度

（b）28d強(qiáng)度

圖1 電石渣單獨(dú)固化土強(qiáng)度

圖1（a）和（b）的試驗(yàn)結(jié)果顯示：固化土的7d和28d強(qiáng)度均隨著電石渣摻量呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后下降的變化趨勢(shì)。固化土的7d強(qiáng)度在電石渣摻量為20%時(shí)達(dá)到最大，為138kPa；固化土的28d強(qiáng)度在電石渣摻量為15%時(shí)達(dá)到最大，為267kPa，但在電石渣摻量為20%時(shí)，固化土的28d強(qiáng)度也達(dá)到257kPa，與電石渣摻量15%時(shí)的強(qiáng)度相近。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出：電石渣摻量為20%時(shí)，固化土強(qiáng)度最佳，即電石渣的最佳摻量為20%。

2.1.2 土樣含水率對(duì)電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響規(guī)律

在電石渣摻量分別為15%、20%、25%的基礎(chǔ)上，向土樣中增加摻入一定量的水，使得土樣的含水率分別增加3%、5%、10%、15%，測(cè)試固化土的7d和28d強(qiáng)度，得到不同電石渣摻量下，固化土強(qiáng)度隨土樣含水率增量的變化曲線，如圖2～圖4所示。

圖2 電石渣固化土強(qiáng)度隨含水率增量的變化曲線（電石渣摻量15%）

圖3 電石渣固化土強(qiáng)度隨含水率增量的變化曲線（電石渣摻量20%）

由圖2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)電石渣摻量為15%時(shí)，固化土強(qiáng)度隨土樣含水率增量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)土樣含水率增加5%時(shí)，固化土28d強(qiáng)度達(dá)到300kPa，比原土樣在等量的電石渣摻量下的固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)了近20%。

圖3和圖4的試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)電石渣摻量為20%和25%時(shí)，固化土強(qiáng)度隨土樣含水率增量的增加呈現(xiàn)出逐漸減小，這與電石渣摻量為15%時(shí)固化土強(qiáng)度隨土樣含水率變化的規(guī)律不同。但是，對(duì)比含水率增量為3%時(shí)的固化土強(qiáng)度與原土樣在等量的電石渣摻量下的固化土強(qiáng)度可以看出：當(dāng)電石渣摻量為20%時(shí)，含水率增加3%時(shí)的固化土強(qiáng)度比原土樣固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)了75%以上；當(dāng)電石渣摻量為25%時(shí)，含水率增加3%時(shí)的固化土強(qiáng)度也比原土樣固化土強(qiáng)度有所增長(zhǎng)。

圖4 電石渣固化土強(qiáng)度隨含水率增量的變化曲線（電石渣摻量25%）

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：適量增加土樣的含水率有利于增加電石渣固化土的強(qiáng)度。當(dāng)電石渣摻量為15%時(shí)，土樣含水率增加5%，固化土強(qiáng)度最佳；當(dāng)電石渣摻量為20%和25%時(shí)，土樣含水率增加3%，固化土強(qiáng)度最佳。

2.2 電石渣激發(fā)礦渣、粉煤灰共同穩(wěn)定土的強(qiáng)度特性

電石渣具備離子交換、火山灰反應(yīng)、碳酸化反應(yīng)和結(jié)晶反應(yīng)所需的Ca2+，并且能提供堿性激發(fā)環(huán)境以促進(jìn)火山灰反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)電石渣比表面積較大，利于促進(jìn)上述物理化學(xué)反應(yīng)的充分進(jìn)行。同時(shí)，礦渣和粉煤灰也屬于工業(yè)廢渣，它們的有效利用也會(huì)產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

本節(jié)采用電石渣與礦渣和粉煤灰以不同比例混合（總摻量10%），測(cè)試固化土的28d強(qiáng)度，以尋求電石渣與礦渣和粉煤灰之間的最佳配合比。

2.2.1 電石渣激發(fā)礦渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度

表4的試驗(yàn)結(jié)果顯示：礦渣與電石渣共同固化土的28d強(qiáng)度顯著高于電石渣單獨(dú)固化土的強(qiáng)度。固化土28d強(qiáng)度隨著固化劑中電石渣摻量的增加而逐漸降低，礦渣：電石渣=9：1時(shí)，固化土強(qiáng)度最高，是礦渣與電石渣的最佳配比。

表4 不同配比的電石渣和礦渣共同固化土強(qiáng)度（MPa）

2.2.2 電石渣激發(fā)粉煤灰穩(wěn)定土的強(qiáng)度

表5的試驗(yàn)結(jié)果顯示：粉煤灰與電石渣共同固化土的28d強(qiáng)度也顯著高于電石渣單獨(dú)固化土的強(qiáng)度。與上述的礦渣和電石渣共同固化土不同的是，粉煤灰+電石渣共同固化土強(qiáng)度隨著固化劑組分中電石渣摻量的提高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰：電石渣=8：2時(shí)，固化土強(qiáng)度最高。

表5 不同配比的電石渣和礦渣共同固化土強(qiáng)度（MPa）

綜合上述電石渣與礦渣、粉煤灰共同固化土的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：電石渣激發(fā)礦渣和粉煤灰共同固化土效果顯著，電石渣與礦渣、粉煤灰之間都存在一個(gè)最佳配合比，礦渣：電石渣=9：1，粉煤灰：電石渣=8：2是最佳配合比。

3 結(jié)語(yǔ)

1）采用電石渣單獨(dú)固化土，固化土強(qiáng)度隨電石渣摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，電石渣摻量為20%時(shí)，固化土強(qiáng)度最高。

2）適量增加土樣的含水率有利于增加電石渣固化土的強(qiáng)度。當(dāng)電石渣摻量為15%時(shí)，土樣含水率增加5%，固化土強(qiáng)度最佳；當(dāng)電石渣摻量為20%和25%時(shí)，土樣含水率增加3%，固化土強(qiáng)度最佳。

3）電石渣激發(fā)礦渣和粉煤灰共同固化土效果顯著，電石渣與礦渣、粉煤灰之間都存在一個(gè)最佳配合比，礦渣：電石渣=9：1，粉煤灰：電石渣=8：2是最佳配合比。