鐵尾礦砂-電石渣復(fù)合改良膨脹土的直剪試驗(yàn)研究

郭坤龍, 儲誠富, 葉 浩, 李 棟, 趙 輝

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

膨脹土又稱“脹縮性土”,蒙脫石、伊利石等黏土礦物含量較高,親水性很強(qiáng),具有干縮濕脹的特點(diǎn),對工程建設(shè)具有極大危害[1-3]。目前,通過摻入水泥、石灰等外加劑對膨脹土進(jìn)行改良是最常用的方法[4-6],然而利用水泥石灰改良膨脹土都消耗一定的資源,并且,生產(chǎn)水泥和石灰需要大量的石灰石、煤炭等資源,生產(chǎn)過程中排放的粉塵和有害氣體對環(huán)境造成的污染也日益嚴(yán)重[7]。相關(guān)研究表明,采用其他改良劑代替水泥、石灰改良膨脹土,也可取得不錯的改良效果。文獻(xiàn)[8]用電石渣改良合肥膨脹土;文獻(xiàn)[9]用原地椰殼纖維處理印度膨脹土;文獻(xiàn)[10]用稻殼灰和粉煤灰改良膨脹土;還有報(bào)道用堿渣和廢棄輪胎膠粉等對膨脹土進(jìn)行改良。

鐵尾礦砂是礦石磨細(xì)選取有用組分后所排放的固體廢料,露天堆放會造成環(huán)境污染;同時也是一種可利用的資源,其理化性質(zhì)與建筑材料十分相似,這為其在建筑材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了可能。目前,鐵尾礦砂已被廣泛應(yīng)用于建筑材料,如耐火材料、多孔保溫材料、水泥、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、改性砂漿等[11-13]。將鐵尾礦砂用于改良膨脹土,可拓寬其利用途徑,提高利用率。

電石渣是電石水解獲取乙炔氣后以Ca(OH)2為主要成分的廢渣,其含水量高、堿性強(qiáng),任其排放會造成環(huán)境污染,長期堆放還容易造成土壤嚴(yán)重鈣化[14]。由于電石渣富含Ca(OH)2,與熟石灰成分相似,可將其用于公路工程建設(shè)。

本文采用工業(yè)廢料鐵尾礦砂和電石渣代替石灰、水泥對合肥地區(qū)典型的膨脹土進(jìn)行改良,不僅可以減少水泥、石灰等資源的消耗,降低工程成本,還可使廢棄物得以處置,從而減少環(huán)境污染。改良膨脹土用作路基填料,抗剪強(qiáng)度參數(shù)是衡量其承載力的重要力學(xué)參數(shù)之一。本文通過試驗(yàn)探究鐵尾礦砂和電石渣對膨脹土的改良效果,著重研究改良土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律,為工業(yè)廢料改良膨脹土這一方法提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自合肥市寧國路與九華山路交口的某場地,取土深度3～4 m,場區(qū)膨脹土以弱膨脹土為主。

土樣為黃褐色,硬塑狀態(tài),曲率系數(shù)為0.93,不均勻系數(shù)為3.16,最大干密度為1.83 g/cm3,最優(yōu)含水率為16.5%,其他物理性質(zhì)指標(biāo)見表1所列。由表1可知,該土樣的自由膨脹率為53%,塑性指數(shù)為24.5,根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]建議的分類方法及文獻(xiàn)[17]推薦的判別方法,可將該土樣歸為弱膨脹土類別。

試驗(yàn)所用鐵尾礦砂和電石渣分別取自安徽廬江縣某鐵礦和安徽某氯堿集團(tuán),化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2所列。所用鐵尾礦砂呈灰黑色,顆粒比較堅(jiān)硬,其礦物成分主要是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的脈石礦物,如石英、長石、輝石、石榴石及角閃石等,幾乎沒有活性;化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3及MgO等;其粒徑分布見表3所列。

表2 鐵尾礦砂和電石渣主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表3 鐵尾礦砂粒徑分布情況

1.2 試驗(yàn)方法

按照文獻(xiàn)[18-19]進(jìn)行試驗(yàn)。本文中,摻砂率采用內(nèi)摻法,是指干鐵尾礦砂質(zhì)量占干土與干鐵尾礦砂質(zhì)量之和的比率;摻渣率采用外摻法,是指干電石渣占干土與干鐵尾礦砂質(zhì)量之和的比率。單摻鐵尾礦砂改良膨脹土試驗(yàn)方案見表4所列。

表4 單摻鐵尾礦砂改良膨脹土試驗(yàn)方案

單摻電石渣改良膨脹土干密度設(shè)計(jì)為1.68 g/cm3,摻渣率為6%、8%、10%、12%、14%,養(yǎng)護(hù)14 d;每個配比再進(jìn)行5種含水率設(shè)計(jì),分別為17%、19%、21%、23%、25%。

鐵尾礦砂與電石渣復(fù)合改良膨脹土干密度設(shè)計(jì)為1.84 g/cm3,含水率為14%,摻砂率固定為30%,摻渣率為6%、8%、10%、12%、14%,共5個配比,養(yǎng)護(hù)14 d。

以上配比均以最大干密度或設(shè)計(jì)干密度的95%制樣。

將土樣、鐵尾礦砂及電石渣在105 ℃的烘箱內(nèi)烘干24 h后取出,碾碎。土樣過2 mm篩,鐵尾礦砂和電石渣過1 mm篩。冷卻至室溫按設(shè)計(jì)比例混合均勻,噴灑設(shè)計(jì)的加水量并充分拌合,然后裝入保鮮袋潤濕24 h備用。采取靜壓法將混合料壓制成環(huán)刀樣,然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期。環(huán)刀直徑為61.8 mm,高為20.0 mm。壓制環(huán)刀樣之前先將環(huán)刀清洗干凈,內(nèi)壁均勻涂抹薄層凡士林,并將提前裁剪好的薄膜內(nèi)襯于環(huán)刀內(nèi),然后倒入混合料,用千斤頂靜壓制樣。采用ZJ-2型應(yīng)變控制式直剪儀對土樣進(jìn)行直剪快剪試驗(yàn)。先將試樣從環(huán)刀中取出,去掉薄膜,再小心放入剪切盒內(nèi)。單摻鐵尾礦砂改良膨脹土和單摻電石渣改良膨脹土的樣品垂直壓力設(shè)定為50、100、200、300、400 kPa,共5個等級?？紤]到復(fù)合改良膨脹土樣品抗剪強(qiáng)度較高,為避免損傷儀器和減小誤差,垂直壓力設(shè)定為50、100、150、200、250 kPa,共5個等級。剪切速率為0.8 mm/min,在3～5 min內(nèi)減損,每轉(zhuǎn)1圈記錄1次百分表讀數(shù),直至剪損。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

單摻鐵尾礦砂改良膨脹土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同摻砂率下的擊實(shí)試驗(yàn)曲線

從圖1可以看出,改良土最大干密度隨摻砂率增加逐漸增大,最優(yōu)含水率隨摻砂率的增加逐漸減小。這是由于鐵尾礦砂為惰性材料,幾乎沒有活性,不吸水,鐵尾礦砂相對密度為2.98,比土的相對密度大,因此摻入鐵尾礦砂會增加膨脹土的最大干密度。

2.2 鐵尾礦砂摻量對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響

單摻鐵尾礦砂改良膨脹土的直剪試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 摻砂率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

由圖2可知,摻入鐵尾礦砂能夠提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度,黏聚力和內(nèi)摩擦角均有所提升,且內(nèi)摩擦角隨摻砂率的增加呈線性增長趨勢。素土的黏聚力為183 kPa,隨著摻砂率增加,黏聚力有所增大,在摻砂率為30%時達(dá)到峰值205.8 kPa,增幅12%;此后,隨著摻砂率持續(xù)增加,黏聚力逐漸減小;當(dāng)摻砂率增至50%,黏聚力顯著降低,且低于素土黏聚力,僅為139.6 kPa。這說明摻砂率較低(小于30%)時鐵尾礦砂對膨脹土的黏聚力有增強(qiáng)作用,但在摻砂率高于一定值(本文30%)時,可導(dǎo)致膨脹土黏聚力顯著降低。

產(chǎn)生上述變化的原因可以從土體顆粒尺度效應(yīng)的角度來解釋:改良土由連續(xù)介質(zhì)的基體(土)和不連續(xù)介質(zhì)的加強(qiáng)體(砂)組成,當(dāng)土體發(fā)生剪切變形時,基體的剪切變形將牽引和扯動其鄰近加強(qiáng)體顆粒轉(zhuǎn)動,加強(qiáng)體的轉(zhuǎn)動使其鄰近基體產(chǎn)生不均勻不連續(xù)變形,導(dǎo)致土體比均勻連續(xù)變形情況下儲存或釋放更多的能量,使得試樣的宏觀變形阻力增加,從而使試樣的剪切屈服強(qiáng)度也相應(yīng)增加[20]。

然而鐵尾礦砂的摻入量存在一個閾值,當(dāng)摻入量超過這個閾值時,土體的黏聚力就會降低。由于鐵尾礦砂顆粒本身不具有黏結(jié)性,具有黏結(jié)性的土體如果過多地被不具有黏結(jié)性的砂取代,整體的黏結(jié)性必然下降,土體黏聚力也就表現(xiàn)為降低。

土的內(nèi)摩擦角由內(nèi)摩擦力控制,改良前,膨脹土的內(nèi)摩擦力由土顆粒之間的相互滑動摩擦和相鄰?fù)令w粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力控制。而鐵尾礦砂顆粒較大,磨圓度相對較差,棱角明顯。摻入鐵尾礦砂后,砂土顆粒之間的相對滑動摩擦相比于土顆粒之間明顯增強(qiáng),砂土顆粒之間和砂顆粒與砂顆粒之間的嵌入和聯(lián)鎖作用所產(chǎn)生的咬合力相比于土顆粒之間更為增強(qiáng);而且在摻入鐵尾礦砂后,膨脹土顆粒級配有所改善,密實(shí)性得到增強(qiáng),增加了改良土顆粒之間的摩擦力,從而增大改良土的內(nèi)摩擦角。

2.3 摻渣率對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響

單摻電石渣改良膨脹土的直剪試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖5所示。

從圖3可以看出,電石渣對膨脹土抗剪強(qiáng)度的提高具有非?？捎^的效果,隨著摻渣率增加,黏聚力不斷提高,而摻渣率超過10%后,黏聚力反而有一定的降低。素土的黏聚力為183 kPa,摻渣率從0增加到6%時,黏聚力增加30.8%;摻渣率從6%增加到8%時,黏聚力增加36.7%;摻渣率從8%增加到10%時,黏聚力增加13.0%。黏聚力增幅非常明顯,說明電石渣能夠大幅度提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度,摻入少量電石渣即具有明顯的改良效果。

圖3 摻渣率與黏聚力的關(guān)系

電石渣主要成分為Ca(OH)2,與熟石灰相比,具有更大的比表面積,還含有一定量的活性SiO2和Al2O3。將電石渣摻入膨脹土后,可發(fā)生陽離子交換反應(yīng)、火山灰反應(yīng)、硬凝反應(yīng)等,形成土-石灰加固體,改善土體結(jié)構(gòu),使其更加致密,孔隙減少,強(qiáng)度得到提高[21-23]。

從圖4可以看出,含水率對改良土的抗剪強(qiáng)度有明顯的影響。黏聚力隨含水率增加先是逐漸提高,而后降低,在含水率為23%時達(dá)到峰值。本次試驗(yàn)配比最優(yōu)含水率在21%附近,電石渣改良土黏聚力達(dá)到峰值所對應(yīng)的含水率高于最優(yōu)含水率2個百分點(diǎn)。文獻(xiàn)[24]研究了石灰改性膨脹土的施工最佳含水率,認(rèn)為改性膨脹土的施工最佳含水率應(yīng)以由擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率大3%左右為宜,與本文所得結(jié)論相似。

圖4 不同摻渣率下含水率與黏聚力的關(guān)系

由圖5可知,內(nèi)摩擦角隨含水率的變化規(guī)律受摻渣率的影響。當(dāng)摻渣率較低時(≤10%),內(nèi)摩擦角隨著含水率增加而減小;當(dāng)摻渣率較高時(12%和14%),內(nèi)摩擦角隨含水率增加呈先增大后減小的變化規(guī)律,且在含水率為23%時達(dá)到最大值。這是由于當(dāng)摻渣率較低時,與黏土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所需的水分較少,多余的水分使得土粒之間的水膜變厚,內(nèi)摩擦力也就降低。隨著摻渣率增加,與黏土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所需的水分增多,反應(yīng)產(chǎn)物也隨之增加,生成更多的土-石灰加固體,內(nèi)摩擦力也就增加。

圖5 不同摻渣率下含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

2.4 復(fù)合改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度

摻砂率為30%時摻渣率對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響如圖6所示。

從圖6可以看出,在同一摻砂率下,隨著摻渣率增加,內(nèi)摩擦角和黏聚力均增大。摻渣率從0增加到10%,與素土相比,復(fù)合改良膨脹土的黏聚力提高了48.5%,內(nèi)摩擦角提高了71.8%;摻渣率超過10%后,這種改良效果不再增加,反而有所降低,與單摻電石渣改良膨脹土有著相似的結(jié)論。

圖6 摻渣率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

電石渣摻入膨脹土后,發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng),形成土-石灰加固體,這種土-石灰加固體能夠明顯增強(qiáng)膨脹土的抗剪強(qiáng)度。鐵尾礦砂在改良土中起骨架作用,由于其磨圓性差,棱角突出,能夠明顯提高改良土的內(nèi)摩擦角。當(dāng)兩者同時摻入膨脹土后,所形成的土-石灰加固體的顆粒級配發(fā)生變化,土體更為密實(shí),增加了土顆粒與砂顆粒之間的咬合性;土-石灰體系與砂顆粒之間的黏結(jié)相比于素土也更為牢固,砂顆粒得以鑲嵌其中,形成砂-土-石灰結(jié)合體,因此從內(nèi)摩擦角看復(fù)合改良要優(yōu)于兩者單獨(dú)改良膨脹土。

從黏聚力角度看,復(fù)合改良法要劣于單摻電石渣改良膨脹土。這是由于所摻入的鐵尾礦砂部分取代了膨脹土,且鐵尾礦砂為惰性材料,很難與電石渣發(fā)生反應(yīng),從而阻礙火山灰反應(yīng)的進(jìn)行,因此,鐵尾礦砂的摻入降低了土-石灰體系的黏結(jié)性,從而導(dǎo)致改良土黏聚力降低。

2.5 齡期對復(fù)合改良膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響

養(yǎng)護(hù)齡期對鐵尾礦砂與電石渣復(fù)合改良膨脹土有重要的影響,本文以摻砂率30%、摻渣率10%為例,研究齡期對改良土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律,其關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖7可知,黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而增加,養(yǎng)護(hù)起始時黏聚力只有145.8 kPa,比單摻30%鐵尾礦砂的黏聚力(205.8 kPa)低60 kPa。

圖7 養(yǎng)護(hù)齡期與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

黏聚力和內(nèi)摩擦角在養(yǎng)護(hù)初期時增長速率較快,在后期有所減緩。這是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,電石渣中Ca(OH)2不斷參與火山灰反應(yīng),生成一定量的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝產(chǎn)物,填充粒間孔隙,增強(qiáng)土顆粒間的連接強(qiáng)度,導(dǎo)致土顆粒間的咬合作用增大。

3 結(jié) 論

本文以工業(yè)廢料鐵尾礦砂、電石渣改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為研究對象，通過室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，研究了不同工業(yè)廢料摻量與不同含水率對改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 鐵尾礦砂能夠提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，隨著摻砂率的增加，改良土黏聚力先升高后降低，摻砂率為30%時達(dá)到峰值；隨著摻砂率增加，改良土內(nèi)摩擦角持續(xù)增大。

(2) 電石渣能夠顯著增強(qiáng)改良土的抗剪強(qiáng)度，對黏聚力和內(nèi)摩擦角都有大幅度的提升。當(dāng)摻渣率達(dá)到10%時，改良效果最好。

(3) 含水率對電石渣改良膨脹土有重要影響，隨著含水率增大，改良土的黏聚力表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，抗剪強(qiáng)度最高時的含水率比擊實(shí)試驗(yàn)所確定的最優(yōu)含水率高2個百分點(diǎn)。

(4) 鐵尾礦砂與電石渣復(fù)合改良后膨脹土的內(nèi)摩擦角增大，與單一改良劑相比增大效果更顯著，而復(fù)合改良膨脹土的黏聚力雖有提高，但比單摻電石渣改良有所下降，并且以摻砂率30%、摻渣率10%復(fù)合改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度為最高。隨著養(yǎng)護(hù)時間增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大。