電石渣穩(wěn)定土組成設(shè)計(jì)及影響因素研究

栗培龍,趙晨希,裴 儀,胡晉川

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；3.山西省交通規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032)

環(huán)境問題和施工成本的降低促使瀝青路面行業(yè)越來越多地使用工業(yè)廢料作為道路路面施工的替代原材料。電石渣是工業(yè)生產(chǎn)聚氯乙烯等產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，化學(xué)成分與消石灰類似，其主要成分為Ca(OH)2。將電石渣用于公路建設(shè)，可使其變廢為寶作為二次資源，節(jié)約工程造價(jià)，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。

目前，一些科研人員已經(jīng)在利用電石渣穩(wěn)定土、電石渣粉煤灰穩(wěn)定土等作填筑材料方面開展了一系列研究。杜延軍[2]等通過對(duì)比電石渣和生石灰物理化學(xué)特征的異同，提出了采用電石渣穩(wěn)定過濕黏土作為路基填料。覃小綱[3]等將工業(yè)廢料電石渣用于高速公路路基的過濕黏土填料改良，并與生石灰改良土進(jìn)行了對(duì)比研究。HORPIBULSUK S[4]等研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用電石渣或者電石渣-粉煤灰的混合物可代替普通硅酸鹽水泥用于穩(wěn)定土壤。SAKONWAN H[5]等以硅酸鹽水泥和電石渣為促進(jìn)劑，對(duì)常溫固化的底灰地質(zhì)聚合物的性能進(jìn)行了研究。陳永貴[6]等分析了浸泡條件對(duì)電石渣/偏高嶺土固化銅污染土穩(wěn)定性的影響。劉滿超[7]等利用粉煤灰、礦渣粉、電石渣和復(fù)合激發(fā)劑制備了低成本的復(fù)合膠凝材料。DULAIMI[8]等探索電石渣以不同比例替代傳統(tǒng)石灰作為熱拌瀝青混合料填料的潛力。高朋[9]等研究了磷石膏摻量、土質(zhì)種類等因素對(duì)電石渣-粉煤灰穩(wěn)定土強(qiáng)度影響情況。郭鑠[10]等探討了稻殼灰和電石渣復(fù)合材料改良膨脹土的作用機(jī)理并采用該復(fù)合材料對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著提高。田朋飛[11]等探究工業(yè)廢料電石渣對(duì)花崗巖殘積土的改良效果及其合理摻量。LIU[12]等利用膠凝材料結(jié)合稻殼灰和電石渣穩(wěn)定膨脹土，確定了稻殼灰與電石渣的最佳配比，發(fā)現(xiàn)添加谷殼灰和電石渣后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均有顯著提高。近年來，電石渣穩(wěn)定土已被應(yīng)用于多條公路中，并取得了良好的效果[13]。綜上所述，目前的研究多針對(duì)電石渣穩(wěn)定土作為路基填料應(yīng)用在道路工程中具有可行性和科學(xué)性，主要針對(duì)特定類型土的電石渣劑量的合理范圍的確定，對(duì)于不同土質(zhì)指標(biāo)與最佳電石渣劑量之間的關(guān)系研究不足。

鑒于此，本文通過擊實(shí)試驗(yàn)確定電石渣穩(wěn)定土的最大干密度和最佳含水量，基于7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明確最佳電石渣劑量，系統(tǒng)分析黏粒含量、塑性指數(shù)和膠體活動(dòng)性指數(shù)對(duì)最佳電石渣劑量的影響，提出不同土質(zhì)電石渣穩(wěn)定土最佳電石渣劑量的預(yù)估模型，為電石渣穩(wěn)定土的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 土樣

取兩種代表性土樣，分別編號(hào)為土樣1、土樣2。根據(jù)規(guī)范[14]規(guī)定的方法，對(duì)兩種土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)和界限含水率試驗(yàn)。主要物理指標(biāo)見表1。其中，顆粒粒徑小于0.002 mm含量為黏粒含量，影響與電石渣的結(jié)合能力。

表1 兩種土樣主要物理指標(biāo)Table1 Mainphysicalindicesoftwosoilsamples土樣液限ωL/%塑限ωP/%塑性指數(shù)IP粒徑分布/%<0.002mm0.002～0.075mm>0.075mm黏粒含量/%土樣分類土樣130.117.812.317.081.71.317.0低液限黏土土樣228.218.89.49.889.01.29.8低液限黏土

1.2 電石渣

電石渣樣品來源于某化工廠,由于公路工程相關(guān)規(guī)范未把電石渣原材料試驗(yàn)納入其中，考慮到電石渣的主要成分為Ca(OH)2，根據(jù)規(guī)范[15]中的方法進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如下：CaO含量64.93%，MgO含量0.18%，燒失量22.79%。根據(jù)規(guī)范[16]判斷該電石渣符合Ⅲ級(jí)以上鈣質(zhì)消石灰。

2 電石渣穩(wěn)定土組成分析

參照石灰穩(wěn)定土混合料設(shè)計(jì)方法進(jìn)行電石渣穩(wěn)定土混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。針對(duì)所選用的兩種土樣及電石渣樣品，選取5%、7%、9%、11%、13%、15%這6種電石渣劑量與土樣1進(jìn)行配比試驗(yàn)，選取3%、5%、7%、9%、11%這5種電石渣劑量與土樣2進(jìn)行配比試驗(yàn)，采用93%、95%和97%這3個(gè)壓實(shí)度進(jìn)行試件的成型，在相同養(yǎng)生齡期和養(yǎng)生條件(溫度：20 ℃，濕度：95%)下，分析電石渣穩(wěn)定土試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，為電石渣穩(wěn)定土用于路面基層修筑提供依據(jù)。

2.1 最佳含水量及最佳干密度確定

含水量對(duì)電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的形成有較大影響。水分太少，穩(wěn)定性不足，離子間反應(yīng)不充分，強(qiáng)度較難達(dá)到要求；水分過多，電石渣穩(wěn)定土較難壓實(shí)，穩(wěn)定土層間結(jié)合較弱，強(qiáng)度依然較難達(dá)到要求。因此，確定不同摻配比例穩(wěn)定料的最佳含水量對(duì)于試件的成型、養(yǎng)生及強(qiáng)度測(cè)定非常重要。

根據(jù)規(guī)范[15]中關(guān)于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)要求，采用甲類擊實(shí)方法(錘擊層數(shù)為5，每層錘擊27次)對(duì)不同的劑量的電石渣穩(wěn)定土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定最佳含水量和最大干密度，為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)提供基礎(chǔ)。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 電石渣穩(wěn)定土擊實(shí)參數(shù)曲線(土樣1)

圖2 電石渣穩(wěn)定土擊實(shí)參數(shù)曲線(土樣2)

由圖1和圖2可知，隨著電石渣劑量的增加，兩種類型的電石渣穩(wěn)定土最佳含水量均逐漸增大，最大干密度逐漸減低。當(dāng)土樣1所加入的電石渣劑量大于13%時(shí)，電石渣穩(wěn)定土最大干密度降低幅度更大；當(dāng)土樣2所加入的電石渣劑量大于9%時(shí)，電石渣穩(wěn)定土最大干密度降低幅度更大，說明電石渣劑量越大，對(duì)電石渣穩(wěn)定土的壓實(shí)特性產(chǎn)生不利影響。

相關(guān)研究表明，以氫氧化鈣為主要成分的電石渣改良黏性土，其主要作用是高價(jià)鈣離子吸附在黏土顆粒表面，降低了黏土顆粒表面的負(fù)電性，降低了黏土顆粒吸附水的能力，壓塑了黏土顆粒吸附水膜的厚度，降低了黏性土的液限和塑限，增加了土的密實(shí)度。此外，一部分氫氧化鈣與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣顆粒，進(jìn)一步增加了土的最大干密度。但在實(shí)際科研工作中，用膠體狀態(tài)的電石渣改良黏性土?xí)r，由于氫氧化鈣與二氧化碳反應(yīng)需要一定時(shí)間，使得環(huán)境中的二氧化碳能夠進(jìn)入土中，從而出現(xiàn)電石渣穩(wěn)定土最大干密度減小的現(xiàn)象。

2.2 電石渣穩(wěn)定土組成設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范[15]要求成型試件，測(cè)定電石渣穩(wěn)定土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。根據(jù)規(guī)范[16]石灰穩(wěn)定土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度規(guī)范要求，確定電石渣穩(wěn)定土最佳組成。石灰穩(wěn)定材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 石灰穩(wěn)定材料7d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)Table2 Standardforunconfinedcompressivestrengthfor7days-limestabilizedmaterialsMPa結(jié)構(gòu)層高速公路及一級(jí)公路二級(jí)及二級(jí)以下公路基層—≥0.8底基層≥0.80.5～0.7

進(jìn)行電石渣穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[15]，電石渣穩(wěn)定土試件通過無側(cè)限抗壓后破壞試件呈中間鼓起，剝落后呈環(huán)狀剪切面，表面裂縫明顯。電石渣穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 電石渣穩(wěn)定土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線(土樣1)

圖4 電石渣穩(wěn)定土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線(土樣2)

由圖3和4可知，電石渣劑量一定時(shí)，電石渣穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增大而增大，同時(shí)增加幅度相對(duì)較為明顯。

對(duì)于土樣1，從圖3可知，當(dāng)選用電石渣劑量在5%～11%范圍時(shí)，設(shè)計(jì)3種壓實(shí)度試件，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均能夠滿足二級(jí)和二級(jí)以下公路底基層強(qiáng)度要求。當(dāng)電石渣劑量在7%～11%范圍，壓實(shí)度為97%的情況下，電石渣穩(wěn)定土能夠滿足高速公路和一級(jí)公路的底基層、二級(jí)和二級(jí)以下公路基層強(qiáng)度要求。

對(duì)于土樣2，從圖4可知，當(dāng)選用的電石渣劑量在5%～7%范圍時(shí)，設(shè)計(jì)3種壓實(shí)度試件，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均能夠滿足二級(jí)和二級(jí)以下公路底基層強(qiáng)度要求。土樣2的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均未達(dá)到0.8 MPa以上，表明電石渣穩(wěn)定土不可作為高速公路和一級(jí)公路的底基層、二級(jí)和二級(jí)以下公路基層使用。

根據(jù)電石渣穩(wěn)定土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)于土樣1，初步確定電石渣穩(wěn)定土最佳劑量在9%；對(duì)于土樣2，初步確定電石渣穩(wěn)定土最佳劑量在5%。

3 最佳電石渣劑量影響因素分析

室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，不同土樣的最佳電石渣劑量是不同的。建立土質(zhì)與最佳電石渣劑量的聯(lián)系，可大大減小電石渣穩(wěn)定土組成設(shè)計(jì)的工作量。因此，有必要分析土質(zhì)塑性指數(shù)、黏粒含量、膠體活動(dòng)性指數(shù)等指標(biāo)對(duì)最佳電石渣劑量的影響。

3.1 膠體活動(dòng)性指數(shù)

膠體化學(xué)中稱小于0.1 μm的顆粒為膠體顆粒，實(shí)際上粒徑為0.2～5 μm的顆粒已經(jīng)具有膠體粒徑，可稱為準(zhǔn)膠體顆粒。黏土顆粒粒徑非常微小，小于5 μm，在介質(zhì)中具有明顯的膠體化學(xué)特性。在工程實(shí)踐中，提出了一個(gè)既能反映黏土礦物成分，又能反映黏土顆粒含量影響的綜合指標(biāo)，稱為膠體活動(dòng)性指數(shù)，其表達(dá)式為：

(1)

式中：IP為土塑性指數(shù)；P(<0.002)為黏粒(<0.002 mm)的百分含量。

膠體活動(dòng)性指數(shù)把黏性土的塑性指數(shù)、黏土礦物成分以及顆粒大小3個(gè)最主要的指標(biāo)聯(lián)系起來[17]。

3.2 影響因素分析

3.2.1不同土樣的最佳電石渣劑量分析

為確定不同土樣的最佳電石渣劑量，另外選取3種土樣，進(jìn)行液塑限測(cè)定以及細(xì)粒土顆粒分析確定其黏粒含量，分別對(duì)土樣3、土樣4、土樣5進(jìn)行電石渣穩(wěn)定土組成設(shè)計(jì)試驗(yàn)，并測(cè)定其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，找出最佳電石渣劑量，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同土樣與最佳電石渣劑量之間的關(guān)系Table3 Therelationshipbetweendifferentsoilsamplesandtheoptimalcalciumcarbideslagdose土樣塑性指數(shù)IP黏粒含量P(<0.002)/%膠體活動(dòng)性指數(shù)AC最佳電石渣劑量/%土樣112.317.00.72359土樣29.49.80.95925土樣311.213.60.82357土樣417.827.10.656811土樣515.922.30.713010

由表3可知，土樣2膠體活動(dòng)性指數(shù)最大，即與電石渣結(jié)合能力最大，能夠形成有效強(qiáng)度保障的電石渣穩(wěn)定土，但其黏粒含量最少，表明所需的最佳電石渣劑量較少；土樣4的膠體活動(dòng)性指數(shù)最小，即與電石渣結(jié)合能力最小，但塑性指數(shù)最大，表明該土樣易于壓實(shí)，同樣能夠形成符合強(qiáng)度的電石渣穩(wěn)定土，此外，其黏粒含量最多，表明所需的最佳電石渣劑量也較多。土樣的塑性指數(shù)愈大，其黏粒含量也愈多，即土的顆粒愈細(xì)，則比表面積愈大。但土樣的塑性指數(shù)與土樣的黏粒含量之間不是單一的比例關(guān)系，塑性指數(shù)還與顆粒粒徑大于0.002 mm成分含量有關(guān)。

3.2.2土質(zhì)指標(biāo)與最佳電石渣劑量的關(guān)系分析

塑性指數(shù)作為表征細(xì)粒土物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，在進(jìn)行土樣分析以及電石渣穩(wěn)定土組成設(shè)計(jì)時(shí)是重要的參考。黏粒含量代表土中黏土礦物(高嶺石、伊利石、蒙脫石)含量的多少，電石渣結(jié)合料在與土進(jìn)行膠結(jié)時(shí)，實(shí)質(zhì)是與土中黏土礦物進(jìn)行物化反應(yīng)形成有效的強(qiáng)度[18]。膠體活動(dòng)性指數(shù)大小代表土中黏土礦物吸附結(jié)合水能力的高低，而電石渣結(jié)合料的固化作用正是土中的黏土礦物、水和電石渣之間的物化作用，且膠體活動(dòng)性指數(shù)把土的塑性指數(shù)、黏土礦物成分含量以及顆粒大小3個(gè)最主要的指標(biāo)聯(lián)系起來。因此，為探究土樣的塑性指數(shù)、黏粒含量、膠體活動(dòng)性指數(shù)對(duì)電石渣最佳劑量影響規(guī)律，分別對(duì)這3項(xiàng)指標(biāo)和電石渣最佳劑量之間進(jìn)行線性擬合，如圖5～圖7和表4所示。

圖5 土的塑性指數(shù)與最佳電石渣劑量的關(guān)系

圖6 黏粒含量與最佳電石渣劑量的關(guān)系

圖7 膠體活動(dòng)性指數(shù)與最佳電石渣劑量的關(guān)系

表4 土質(zhì)指標(biāo)與最佳電石渣劑量的關(guān)系Table4 Relationshipbetweensoilqualityindexandoptimalcalciumcarbideslagdose土質(zhì)指標(biāo)關(guān)系模型R2塑性指數(shù)IPy=0.6605x+0.39830.8610黏粒含量P(<0.002)/%y=0.3387x+2.31670.9341膠體活動(dòng)性指數(shù)ACy=-20.1084x+24.01980.9786

由表4可知，土的塑性指數(shù)與最佳電石渣摻量之間存在內(nèi)在聯(lián)系，但相關(guān)性不是很明顯，究其原因是塑性指數(shù)本質(zhì)代表土樣吸附弱結(jié)合水質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，即代表土質(zhì)與水之間的聯(lián)系，與電石渣原材料并無直接的關(guān)系。因此，在現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行電石渣穩(wěn)定土組成設(shè)計(jì)時(shí)，塑性指數(shù)是重要的參考，但并不能完全依賴該項(xiàng)土質(zhì)指標(biāo)。

土中黏粒含量與最佳電石渣劑量存在內(nèi)在的聯(lián)系，并且相關(guān)性較強(qiáng)，究其原因是黏粒含量越多，則土的顆粒比表面積越大[19]，電石渣與土接觸面也就越大，反應(yīng)就越充分，形成的膠接作用越強(qiáng)，即形成的穩(wěn)定土強(qiáng)度越大。而最佳電石渣劑量是在抗壓強(qiáng)度最大時(shí)的電石渣摻量，所以，黏粒含量與最佳電石渣劑量存在密切內(nèi)在的聯(lián)系。因此，在現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行電石渣穩(wěn)定土組成設(shè)計(jì)時(shí)，黏粒含量是相當(dāng)重要的參考指標(biāo)。但是電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度形成機(jī)理是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，摻入電石渣的穩(wěn)定土混合料初始階段表現(xiàn)為顆粒結(jié)團(tuán)、塑性下降、最佳含水量變大，其后土顆粒相互聯(lián)系形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定土的強(qiáng)度及穩(wěn)定性顯著提高[1]。并不是只與土顆粒粒徑小于0.002 mm成分含量有關(guān)，所以，在進(jìn)行電石渣穩(wěn)定土組成設(shè)計(jì)時(shí)并不能完全依賴土中黏粒含量。

膠體活動(dòng)性指數(shù)與最佳電石渣劑量擬合曲線的相關(guān)性較好，分析其原因是膠體活動(dòng)性指數(shù)能直觀地表明與電石渣結(jié)合料發(fā)生物化反應(yīng)能力的大小，更能體現(xiàn)土質(zhì)的綜合特性。因此，在素土應(yīng)用電石渣進(jìn)行加固時(shí)，對(duì)膠體活動(dòng)性指數(shù)分析尤為重要。在工程實(shí)踐時(shí)，對(duì)土樣進(jìn)行組成設(shè)計(jì)選取最佳電石渣劑量時(shí)，可以將擬合曲線所得出的最佳電石渣劑量y=-20.108 4x+24.019 8作為有效的參考。

4 結(jié)論

通過對(duì)電石渣穩(wěn)定土的組成設(shè)計(jì)以及針對(duì)不同土樣對(duì)電石渣劑量的選擇進(jìn)行比較分析和研究，得出以下結(jié)論：

a.電石渣穩(wěn)定土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到石灰穩(wěn)定材料規(guī)范要求，即可以代替石灰材料應(yīng)用到道路工程中。

b.土質(zhì)中的塑性指數(shù)、黏粒含量、膠體活動(dòng)性指數(shù)是土的重要指標(biāo)，它們之間存在一定的聯(lián)系。土質(zhì)塑性指數(shù)越大，土中黏粒含量越多，即土中黏土礦物含量越多，但塑性指數(shù)與黏粒含量并非線性關(guān)系；膠體活動(dòng)性指數(shù)與最佳電石渣劑量之間的內(nèi)在聯(lián)系更緊密。

c.根據(jù)不同的土質(zhì)選用不同的電石渣類型，在分析土質(zhì)時(shí)應(yīng)注重土的膠體活動(dòng)性指數(shù)的測(cè)定，可以根據(jù)土質(zhì)的膠體活動(dòng)性指數(shù)與最佳電石渣劑量擬合關(guān)系模型，進(jìn)行不同土質(zhì)電石渣穩(wěn)定土最佳電石渣劑量的預(yù)估分析。