電石渣穩(wěn)定土處治路基力學(xué)性能試驗(yàn)探究

劉逢濤 黃前龍

（1.中建路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050001；2.中路高科（北京）公路技術(shù)有限公司，北京 100088；3.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)新材料技術(shù)應(yīng)用交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100088）

隨著近年來(lái)國(guó)家政策的調(diào)整，石灰摻量越發(fā)受到限制，造價(jià)上漲，從而增加公路工程建設(shè)成本。采用工業(yè)固廢煤矸石穩(wěn)定土作為路基填料無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)資源綜合利用和環(huán)保的新途徑。本文將在分析電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)用電石渣和土樣進(jìn)行物化分析，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)確定最佳含水量和最大干密度，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定電石渣的最佳摻量。

一、電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度機(jī)理

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，電石渣摻入土中均勻拌和后，前期通過(guò)土顆粒嵌擠成團(tuán)，降低土樣的塑性指數(shù)，提升原土的最佳含水量，實(shí)現(xiàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)，后期則主要依靠形成結(jié)晶物質(zhì)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度提升，隨著齡期增長(zhǎng)發(fā)生離子交換與凝聚作用、火山灰作用、碳酸化反應(yīng)、結(jié)晶作用等，從而達(dá)到改善土樣物化性質(zhì)的目的。反應(yīng)的具體表現(xiàn)如下：

（一）離子交換與凝聚作用

電石渣中的主要成分為氧化鈣，在與水作用后，生成氫氧化鈣，氫氧化鈣分解出鈣離子和氫氧根離子，而鈣離子通過(guò)與土中鉀、鈉等離子進(jìn)行交換，并吸附在土顆粒的外表面，改變了土顆粒的電極性，使土樣外表面的弱結(jié)合水膜厚度變薄，其結(jié)果表現(xiàn)為使得土顆粒迅速聚攏，將小顆粒凝聚成大顆粒，并相互嵌擠成團(tuán)，形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高土體強(qiáng)度的目的。

（二）火山灰作用

火山灰作用，主要是因?yàn)橥林懈缓?、鋁酸鹽等活性物質(zhì)，在與水作用下，與電石渣中生成的氫氧化鈣物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鹽和鋁酸鹽凝膠，并包裹在土顆粒外層形成保護(hù)結(jié)構(gòu)，且可以填充土顆粒之間的空隙，使得電石渣穩(wěn)定土的透水系數(shù)得到明顯降低，進(jìn)而提升電石渣穩(wěn)定土的整體性、穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

（三）碳酸化作用

電石渣在水的作用下，與土進(jìn)行充分拌和，生成碳酸鈣等結(jié)晶物質(zhì)，該物質(zhì)能夠與土體顆粒發(fā)生交結(jié)作用，有效改善和提升穩(wěn)定土整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及水穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)土體的碳酸化加固作用。

（四）結(jié)晶作用

結(jié)晶作用主要通過(guò)電石渣穩(wěn)定土自行結(jié)晶生成的碳酸鈣物質(zhì)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將土體顆粒牢固黏結(jié)，從而提高電石渣穩(wěn)定土的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

二、原材料物化性能分析

（一）電石渣

電石渣采用邯鄲某氣體公司排放的工業(yè)固體廢棄物，其基本物理性質(zhì)如表1所示。通過(guò)X射線熒光分析法（XRF）對(duì)電石渣進(jìn)行化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，化學(xué)成分為氧化鈣含量高達(dá)91%，其次是三氧化二鋁和二氧化硅，氧化鎂含量較低僅0.34%，其主要成分與石灰相近，屬于鈣質(zhì)消石灰，有效鈣鎂含量為65%，達(dá)到二級(jí)含量技術(shù)指標(biāo)。

表1 電石渣基本物理性質(zhì)

（二）試驗(yàn)土樣

試樣土樣取自國(guó)道107邯邢界至北張莊段改建項(xiàng)目，其篩分試驗(yàn)結(jié)果及基本物理性能，如表2和表3所示。結(jié)果表明該土樣顆粒級(jí)配良好，屬低液限非膨脹性黏土。

表2 土樣篩分試驗(yàn)結(jié)果

表3 土樣基本物理性能

三、配合比方案及力學(xué)性能研究

（一）配合比方案

電石渣的摻量及養(yǎng)護(hù)齡期是影響電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的主要因素，因此通過(guò)內(nèi)摻法對(duì)電石渣摻量為4%、6%、8%、10%、12%共5組的電石渣穩(wěn)定土混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)確定各摻量下的最佳含水量和最大干密度，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)電石渣穩(wěn)定土7d、28d、60d和90d的強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定電石渣穩(wěn)定土的力學(xué)性能及電石渣的最佳摻量，為工程推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

（二）擊實(shí)試驗(yàn)

通過(guò)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)方法，確定4%、6%、8%、10%、12%共5組電石渣摻量穩(wěn)定土的最佳含水量和最大干密度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，電石渣穩(wěn)定土隨電石渣摻量的增加，最佳含水量逐漸增大，最大干密度則隨電石渣摻量的增加逐漸減小。主要原因?yàn)殡娛闹饕煞譃闅溲趸}，穩(wěn)定土中所含鈣離子能有效吸附在黏土顆粒表面，降低了土顆粒對(duì)水的吸附能力及土的液塑限，從而提升了土的密實(shí)度；同時(shí)所含氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應(yīng)也生成部分碳酸鈣，進(jìn)一步提升了土的干密度，但氫氧化鈣與二氧化碳的反應(yīng)過(guò)程較為緩慢，因而電石渣穩(wěn)定土的最大干密度會(huì)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

（三）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)結(jié)果，對(duì)各試驗(yàn)原材料進(jìn)行復(fù)配以及試件制作，試件采用直徑為50mm的圓柱體試件，按照96%壓實(shí)度靜壓成型，在溫度為20±2℃，濕度為95%條件下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，齡期分別為7d、28d、60d、90d，在養(yǎng)生齡期前一天放入20℃水中浸泡24h，最后利用路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，按公式1計(jì)算抗壓強(qiáng)度，公式中Rc為試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；p為試件破壞時(shí)最大壓力(N)；r為試件半徑(mm)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 電石渣穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由圖2可得，電石渣穩(wěn)定土在同一摻量下，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，7d到28d的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大，而60d到90d的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較小，即60d后電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)已逐漸平穩(wěn)。電石渣穩(wěn)定土在同一齡期條件下，電石渣摻量4%到8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨電石渣摻量的增加而增大，電石渣摻量8%到12%時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨電石渣摻量的增加而減小，在電石渣摻量為8%時(shí)，電石渣穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.34MPa，90d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.88MPa，這表明8%為電石渣穩(wěn)定土中所用電石渣的最佳摻量比例。

四、結(jié)語(yǔ)

本文分析了電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度形成機(jī)理，對(duì)試驗(yàn)用電石渣和土樣進(jìn)行了物化分析，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)確定了最佳含水量和最大干密度，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定了電石渣的最佳摻量。研究表明：電石渣穩(wěn)定土最佳含水量隨電石渣摻量的增加而增大，最大干密度則隨電石渣摻量的增加而減??；通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，表明電石渣最佳摻量為8%時(shí)，電石渣穩(wěn)定土材料的力學(xué)性能最佳。