赤泥-石灰土路基材料制備與性能研究

劉碧媛

（甘肅省隴南市成縣交通運(yùn)輸局，甘肅 隴南 742500）

0 引言

我國地大物博，資源富足，地域遼闊，土地資源種類繁多。但是隨著近年來工業(yè)發(fā)展迅速，環(huán)境污染問題與日俱增，工業(yè)排放的廢水、廢液、化學(xué)廢料，酸雨等等對(duì)各類土體的污染，改變了土質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，從而引發(fā)了一系列地質(zhì)災(zāi)害以及工程問題[1-2]。為解決土壤結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的惡化問題，土壤固化與穩(wěn)定化技術(shù)隨之而出[3]，并可根據(jù)土質(zhì)類型差異對(duì)應(yīng)不同的固化技術(shù)，例如赤泥等固化廢棄物可與土體發(fā)生固化反應(yīng)，從而修復(fù)受損土壤。根據(jù)土壤的不同對(duì)應(yīng)不同的土壤加固這種因材施教的方法，不僅相對(duì)廉價(jià)并且不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次危害。目前固化劑：水泥、石灰、粉煤灰等比較常見。孫冬青等[4]發(fā)現(xiàn)高含水率和豐富有機(jī)質(zhì)的水廠廢料的最佳方法是通過固化處理，并以傳統(tǒng)固化劑水泥石灰進(jìn)行固化，之后作為路基填土使用，并添加強(qiáng)氧化劑分解有機(jī)質(zhì)可以提高固化劑的固化效果。邵桂彬[5]通過結(jié)合土工復(fù)合材料的制約性、區(qū)域性等特點(diǎn)，對(duì)土質(zhì)施工、沉降、驗(yàn)收等進(jìn)行分析，實(shí)踐表明：土工復(fù)合材料的應(yīng)用對(duì)于路基沉降問題和路基結(jié)構(gòu)性問題提供了有效的性能支撐，可進(jìn)行推廣和應(yīng)用。李琬菁等[6]針對(duì)含油污以及毒性的廢料殘?jiān)M(jìn)行分析和處理，指出了含油污毒性的廢料處理和管理的重要依據(jù)以及幫助，引導(dǎo)全國對(duì)于污染后的廢料無污化處理，資源化處理。楊亞東等[7]針對(duì)鐵尾礦廢渣對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成破壞以及資源浪費(fèi)等現(xiàn)象，利用鐵尾礦殘余價(jià)值，將鐵尾礦與建筑廢料等進(jìn)行加工組合，并加入土壤改良劑，提高了土壤的肥力等，但其發(fā)展空間有限，并展望積極探索新的利用路徑。張曉軍[8]通過CBR（California Bearing Ratio）試驗(yàn)對(duì)合成粉質(zhì)黏土路基進(jìn)行了探討，試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)巍㈦p層土人工合成材料增加后CBR 隨之有不同程度的增加，土工格柵放置高度對(duì)CBR 的增加程度也不盡相同。劉浩等[9]為解決建筑垃圾的資源化與合理化問題，將石灰與礦粉與建筑垃圾材料進(jìn)行結(jié)合作為新型路基材料，研究結(jié)果表明：摻入石灰與礦粉明顯提高路基的強(qiáng)度與水穩(wěn)定性，此項(xiàng)研究對(duì)于天然砂石料的日益枯竭問題十分有益。丁慧等[10]通過對(duì)固化疏浚淤泥作路基材料工程特性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：固化劑摻量不同其最大干密度與最優(yōu)含水量均超過一定范圍，當(dāng)?shù)V粉含量遠(yuǎn)超粉煤灰時(shí)，路基材料的承載能力越高，抗剪強(qiáng)度也隨之增加，當(dāng)淤泥、粉煤灰、礦粉比例為7∶1∶2 時(shí)，已經(jīng)達(dá)到中高級(jí)高速公路路基材料的最低要求。

上述不少學(xué)者對(duì)建筑廢料、磚砼類再生集料等建筑固體廢料進(jìn)行加工后用于路基填料的制備，但是對(duì)于赤泥這種化學(xué)原料居多且復(fù)雜的固體廢料的利用與加工研究較少，因此本文旨在對(duì)赤泥—石灰土路基材料制備進(jìn)行介紹，并通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)其路基土的性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料與參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)材料主要為赤泥與石灰，其中赤泥選自某鋁廠排泄廢物中，石灰成為為氧化鈣（化學(xué)式CaO）氧化鈣不低于98%?；就临|(zhì)選為黃土，黃土取自某建筑工地，挖掘深度為5 m 基坑內(nèi)部，產(chǎn)地類型為Q3場(chǎng)地，試驗(yàn)用水采用去除水中酸性堿性物質(zhì)的蒸餾水，目的為排除水中酸堿性對(duì)試驗(yàn)的影響。黃土與赤泥的基本物理指標(biāo)與赤泥分解化學(xué)成分酸堿性詳見表1、2。

表1 黃土與赤泥基本物理指標(biāo)

表2 赤泥化學(xué)成分表

為研究赤泥-石灰土作為路基土的具體性質(zhì)，將上述材料固化形成路基土混合料。試驗(yàn)時(shí)，將黃土、生石灰、赤泥按照一定的比例進(jìn)行混合，本試驗(yàn)共制作三組試件其中黃土與生石灰百分比不改變，通過改變赤泥的含量來進(jìn)行制作試件（其中生石灰與赤泥的比例為干黃土質(zhì)量百分比）。最終按照擊實(shí)試驗(yàn)得到的最優(yōu)含水率與最大干密度進(jìn)行配比，并制備成由石灰土混合而成的赤泥-石灰固化土。其中制成試件的比例按照表3 進(jìn)行分類混合。

表3 赤泥-石灰路基土混合料配比表

通過簡(jiǎn)單地?fù)魧?shí)試驗(yàn)結(jié)果可知，赤泥-石灰土路基填料隨著赤泥含量的增加，最優(yōu)含水率逐漸增加，而最大干密度則與之相反。

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)備

為了探究赤泥-石灰土路基材料是否滿足路基材料的基本性能，本文通過不同赤泥摻量的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)來檢測(cè)路基材料試件的抗剪強(qiáng)度是否滿足路基材料的強(qiáng)度。通過不同赤泥摻量的滲透性來檢測(cè)試件的滲透系數(shù)是否滿足路基材料標(biāo)準(zhǔn)。

直接剪切試驗(yàn)根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試驗(yàn)中試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7d，豎向壓強(qiáng)為100 kPa。透水試驗(yàn)首先將試驗(yàn)儀器所需的透水石、濾紙、橡皮膜套好的試件、底座和密封圈等必要部分裝好并注水飽和，飽和后的上下反壓為200 kPa，滲透儀圍壓為250 kPa，確保試驗(yàn)儀器內(nèi)部無氣體。待到試件充分飽和后，滲透試驗(yàn)選取50～250 kPa5 個(gè)滲透壓進(jìn)行試驗(yàn)，每級(jí)滲透壓間隔50 kPa。試驗(yàn)記錄讀數(shù)并計(jì)算滲透系數(shù)，滲透系數(shù)見式（1）?？辜魪?qiáng)度試驗(yàn)采用的是應(yīng)變控制式四聯(lián)電動(dòng)直剪儀，滲透試驗(yàn)采用的是柔性壁滲透儀，試驗(yàn)儀器詳見圖1、圖2。

圖1 四聯(lián)電動(dòng)直剪儀

圖2 柔性壁滲透儀

滲透系數(shù)k 的計(jì)算公式為：

式中：ΔQ 為滲流量；L 為試件長度；ρ 為試驗(yàn)用水的密度；g 為重力加速度，本文為方便計(jì)算取g=10 N/kg；A0為試件橫截面積；ΔP 為壓強(qiáng)差；Δt 為滲流量為ΔQ的時(shí)間。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 直剪試驗(yàn)分析

通過對(duì)赤泥含量不同的3 種試件進(jìn)行直剪試驗(yàn)，分別記錄不同應(yīng)變情況下對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力，并對(duì)剪應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行記錄并繪制赤泥含量不同的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3。

圖3 赤泥-石灰土剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3 可見，通過對(duì)赤泥-石灰土路基材料的直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)赤泥-石灰土路基材料隨著赤泥含量的增加，其抗剪強(qiáng)度會(huì)先增加后減小。當(dāng)赤泥含量達(dá)到30%時(shí)，抗剪強(qiáng)度可達(dá)200 kPa 以上，當(dāng)赤泥含量繼續(xù)增加到40%后，其抗剪強(qiáng)度有所下降，但強(qiáng)度依舊要強(qiáng)于赤泥含量為20%時(shí)。這可能是由于加入過量的赤泥之后，吸收的土體中的水分，石灰固化也需要消耗水分，當(dāng)試件中的水分不足時(shí)，使得試件無法有效粘結(jié)，從而降低的試件整體的附加強(qiáng)度，也就導(dǎo)致了試件的抗剪強(qiáng)度隨之降低。

3.2 滲透試驗(yàn)分析

通過滲透試驗(yàn)，根據(jù)不同的滲透壓強(qiáng)記錄滲透系數(shù)所需數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 赤泥-石灰土滲透系數(shù)曲線

由圖4 可知，隨著赤泥摻量的增加，赤泥-石灰路基土試件的透水系數(shù)逐漸減小，意味著抗?jié)B性能逐漸增強(qiáng)，當(dāng)赤泥摻量為20%時(shí)，其抗?jié)B性能隨著滲透壓的增大滲透系數(shù)極其不穩(wěn)定，可能是由于赤泥-石灰路基土試件內(nèi)部反應(yīng)不充分，導(dǎo)致孔隙和水化膠凝物質(zhì)過多，導(dǎo)致抗?jié)B性不足，當(dāng)赤泥含量持續(xù)增加時(shí)，赤泥-石灰路基土試件的抗?jié)B性能逐漸增強(qiáng)，并且隨著滲透壓強(qiáng)的增加，雖然滲透系數(shù)依舊會(huì)發(fā)生輕微變動(dòng)，但幅度并不明顯。意味著其抗?jié)B性能也逐漸穩(wěn)定。

4 結(jié)論

為了探究赤泥-石灰路基土能否滿足路基土的基本性能，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)與滲透試驗(yàn)，分析了不同赤泥摻量下各試驗(yàn)指標(biāo)，結(jié)果如下：

（1）當(dāng)赤泥-石灰土路基材料隨著赤泥含量的增加，其抗剪強(qiáng)度會(huì)先增加后減小。赤泥-石灰土路基材料的抗剪強(qiáng)度在赤泥含量為30%左右時(shí)會(huì)達(dá)到最大值。

（2）赤泥-石灰土路基材料隨著赤泥含量的逐漸增加，其抗?jié)B性越來越強(qiáng)；其滲透系數(shù)會(huì)隨著滲透壓強(qiáng)的增加而逐漸增大。

（3）控制好赤泥含量，赤泥-石灰土路基材料可以較好地滿足路基材料的抗?jié)B性能與剪切強(qiáng)度等基本性能。