電石渣改良黃土的路用性能研究

摘 要：【目的】我國“十四五”規(guī)劃針對大宗固體廢棄物明確提出了資源化利用的要求，當(dāng)前石灰資源緊缺，工業(yè)固廢電石渣中富含氧化鈣、氧化鎂等成分可有效替代石灰，開展電石渣替代石灰的研究對固體廢棄物的資源化利用具有重要意義?！痉椒ā恳躁兾魇∥靼彩悬S土作為主要研究對象，將電石渣摻入黃土中，通過擊實試驗、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、CBR試驗和凍融循環(huán)試驗全面探究電石渣和粉煤灰對黃土改良后的路用性能?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，8%電石渣含量的電石渣改良黃土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.28 MPa，CBR強(qiáng)度為179.2%，性能優(yōu)異。【結(jié)論】結(jié)合經(jīng)濟(jì)性綜合分析各項性能指標(biāo)，確定最佳電石渣穩(wěn)定土摻配比例為8∶92。該比例在保證改良黃士路用性能的同時，最大化實現(xiàn)了工業(yè)固廢的有效利用，有利于緩解石灰資源短缺的情況，有助于推動循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：陜西??；電石渣；擊實試驗；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

中圖分類號：U416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0059-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.012

Study on Road Performance of Loess Improved by

Calcium Carbide Slag

ZHANG Quanbing WANG Xindi LI Bin ZHANG Guohong

（Shaanxi Eepressway Test & Insprection Co.， Ltd.， Xi'an 710086， China）

Abstract： [Purposes] China’s “14th Five-Year Plan” clearly puts forward the requirement of resource utilization for bulk solid waste. At present， lime resources are scarce. Industrial solid waste carbide slag is rich in calcium oxide， magnesium oxide and other components， which can effectively replace lime. Therefore， it is of great significance to carry out research on the replacement of lime by carbide slag for the resource utilization of solid waste. [Methods] Taking the loess in Xi'an， Shaanxi province as the main research object， calcium carbide slag was mixed into the loess， and the road performance of calcium carbide slag and fly ash on the improved loess was comprehensively explored through compaction test， unlimited compressive strength test， CBR test and freeze-thaw cycle test.[Findings] The result shows that the 7 d unlimited compressive strength of 8% is 1.28 MPa and CBR is 179.2%， with excellent performance.[Conclusions] Combined with the comprehensive analysis of economic performance indexes， the optimal mixing ratio of calcium carbide slag stable soil is determined to be 8∶92. This proportion ensures the improvement of the performance and maximizes the effective utilization of industrial solid waste， which helps to alleviate the shortage of lime resources and promote the realization of circular economy and sustainable development.

Keywords： Shaanxi Province; calcium carbide slag; compaction test; unconfined compressive strength

0 引言

電石渣是電石水解制取乙炔氣過程中常見的副產(chǎn)品，在傳統(tǒng)處理方法中，由于電石渣具有明顯的堿性特征，通常被視為工業(yè)廢料，一般通過堆存或填埋的方式進(jìn)行處理［1］。然而，長期堆積不僅占用了大量土地資源，更對周邊土壤和水體環(huán)境造成了不良影響，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了不小的壓力［2］。為了推進(jìn)資源循環(huán)利用和環(huán)境保護(hù)與治理，許多學(xué)者開始探索電石渣的再利用途徑。其中，將電石渣作為凝膠材料應(yīng)用于土壤改良，成為相關(guān)學(xué)者研究的熱點之一［3］。電石渣改良土的研究涉及軟土、過濕黏土、鹽漬土、膨脹土以及花崗巖殘積土等多種土壤類型［4］。電石渣改良土的基本原理在于利用其強(qiáng)堿性，通過離子交換和火山灰反應(yīng)等機(jī)制，改善土體的工程性能［5］。相關(guān)學(xué)者圍繞不同摻量、固化時間及含水量等因素，深入研究了電石渣對土體強(qiáng)度、液塑限等指標(biāo)的影響，并得出了電石渣具有與消石灰相似的土壤穩(wěn)定效果的結(jié)論［6］。通過室內(nèi)外試驗證明，電石渣對穩(wěn)定土的路用性能具有顯著影響，為土壤改良和建筑材料研究提供了新的思路和方向。

綜上所述，電石渣的資源化再利用不僅有助于減少工業(yè)廢料對環(huán)境的污染，還能提升黃土工程性能，為可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)作出積極貢獻(xiàn)。

本研究對陜西省的電石渣使用現(xiàn)狀進(jìn)行了深入調(diào)研，并通過室內(nèi)試驗對電石渣改良黃土的路用性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過試驗確定了電石渣在穩(wěn)定黃土中的最佳摻量。本研究不僅為陜西省的電石渣資源化利用提供了科學(xué)依據(jù)，也為電石渣改良黃土在實際施工時提供了重要的數(shù)據(jù)參考。

1 原材料性能

1.1 電石渣基本特性研究

本研究所用電石渣由陜西良禾新正商貿(mào)有限公司加工生產(chǎn)，電石渣形態(tài)均為粉末狀，顏色為深灰色。其基本性能指標(biāo)見表1，化學(xué)成分見表2。

由表1可知，電石渣中的有效氧化鎂和氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)合計為62.1%，這一數(shù)值已經(jīng)滿足Ⅱ級鈣質(zhì)消石灰的標(biāo)準(zhǔn)要求，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)需大于或等于60%。如圖1所示，電石渣中的氧化鈣鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)會隨著儲存時間的延長而逐漸減小。在出廠時，電石渣的有效氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)62.7%，表明其質(zhì)量滿足了Ⅱ級消石灰的標(biāo)準(zhǔn)。因此，電石渣作為一種潛在的資源，其合理的儲存和使用對于保證其質(zhì)量具有重要意義。儲存過程中，在通風(fēng)環(huán)境下電石渣有效氧化鈣含量衰減明顯，電石渣易碳化的特性是導(dǎo)致其有效成分鈣鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的主要原因。具體來說，電石渣中的有效成分Ca（OH）2在與空氣中的CO2接觸時，會在水的作用下發(fā)生反應(yīng)，從而降低其鈣鎂含量。然而，在密封環(huán)境下，電石渣中的活性鈣成分具有與空氣中CO2發(fā)生反應(yīng)的特性，這種反應(yīng)會生成一層CaCO3保護(hù)膜，這層保護(hù)膜能夠減緩甚至阻止進(jìn)一步的碳化反應(yīng)，因此電石渣在密封環(huán)境中的有效鈣鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，而相對密封的環(huán)境CO2相對不足致使其不會大量侵蝕電石渣。在密封環(huán)境下存放24 d后，電石渣的有效氧化鈣鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)依然保持在60.5％，這一數(shù)據(jù)仍然符合Ⅱ級消石灰的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，為確保電石渣的質(zhì)量穩(wěn)定，建議盡量采用密封的儲存方式。同時，在使用電石渣之前，應(yīng)對其有效氧化鈣鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測，以確保其符合所需道路等級的使用要求。

1.2 黃土基本特性研究

根據(jù)陜西省地域情況，選取黃土作為試驗土樣，其來自陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司京昆高速公路改擴(kuò)建項目，具體土樣的性能參數(shù)見表3。

2 改良黃土力學(xué)性能研究

2.1 試驗方案

本研究選用2％、4％、6％、8％、10％、12%等6種劑量的電石渣改良黃土分別進(jìn)行試驗，得出其最佳含水率、最大干密度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CBR（California Bearing Ratio，CBR）強(qiáng)度、凍融循環(huán)試驗結(jié)果。

2.2 擊實試驗

依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG 3441—2020）中的規(guī)定，對電石渣改良黃土進(jìn)行擊實試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，電石渣改良黃土的最佳含水率之所以會隨著電石渣劑量的增加而逐漸增大，主要原因在于電石渣的主要成分CaO在水中會發(fā)生電離，分解為Ca2+和OH-離子。隨著電石渣摻入量的增多，電離反應(yīng)所需的水量也會相應(yīng)增加，進(jìn)而導(dǎo)致穩(wěn)定土的最佳含水率逐漸提升。而最大干密度隨電石渣劑量的增加而減小，則是因為電石渣具有較大的比表面積，顆粒相對細(xì)微，并且密度較小。隨著電石渣摻量的不斷增加，土體的整體組成會發(fā)生變化，進(jìn)而使得其最大干密度呈現(xiàn)下降趨勢。這種變化趨勢為合理利用電石渣作為改良黃土材料提供了重要參考，也表明在實際工程中需要根據(jù)電石渣的摻量來調(diào)整改良黃土的含水率和密度，以達(dá)到最佳的工程性能。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

電石渣改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見表4。

電石渣劑量和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，在不同壓實度條件下，電石渣改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。具體來說，當(dāng)電石渣的摻量逐漸增加時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)；然而，當(dāng)劑量達(dá)到8%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到一個峰值，即最大值；隨后，隨著摻量的進(jìn)一步增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而開始逐漸降低。這一現(xiàn)象表明，電石渣的摻入對于提升土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有顯著效果，但摻量的控制也至關(guān)重要，過多或過少的摻量都可能影響到強(qiáng)度的最優(yōu)化表現(xiàn)，主要是由于電石渣中電離出來的鈣離子會與土中存在的活性氧化硅和三氧化二鋁反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，這些生成物會填充粒間孔隙讓土體更加密實，表現(xiàn)為混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高，隨著摻量的增加，提供反應(yīng)所需的反應(yīng)物濃度增加，促使生成物質(zhì)增多，表現(xiàn)為混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻量的提升而提升，當(dāng)摻量達(dá)到一定比例后，膠凝反應(yīng)接近飽和，多余的電石渣會消耗水分，促使反應(yīng)速率減緩，混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所降低。

壓實度和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，電石渣改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著壓實度的增大而增大，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最佳摻配比例是8%。主要是由于壓實度的增加，單位土體的質(zhì)量增加，混合料土顆粒間的摩阻力和嵌擠力作用增加，土體空隙減小，混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加。

齡期和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，在相同的壓實度和電石渣摻量條件下，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)生齡期的延長而不斷提高。然而，這一增長過程并非勻速進(jìn)行，而是呈現(xiàn)逐漸趨緩的趨勢。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為試件內(nèi)部發(fā)生的系列化學(xué)和物理反應(yīng)。隨著養(yǎng)生齡期的逐步延長，試件內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)更加活躍，碳化結(jié)晶、離子交換凝聚及火山灰反應(yīng)得以更加充分地展開。這些化學(xué)反應(yīng)會生成大量結(jié)晶體和凝膠物，這些產(chǎn)物有效地填充了試件內(nèi)部的空隙，增強(qiáng)了土顆粒間的聯(lián)結(jié)緊密度。因此，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得以逐步提升。然而，值得注意的是，隨著齡期的持續(xù)延長，混合料顆粒內(nèi)部的游離離子如Ca2+、Al3+、SiO32-等會逐漸減少，這可能對試件強(qiáng)度的進(jìn)一步提高產(chǎn)生一定影響。這意味著促進(jìn)強(qiáng)度形成的化學(xué)反應(yīng)原料在逐漸減少，因此反應(yīng)速率也逐漸減慢，并最終趨于平緩。

2.4 電石渣改良黃土CBR強(qiáng)度試驗

CBR（California Bearing Ratio）強(qiáng)度是評定路基土及路面材料承載能力的指標(biāo)，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）中的方法進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。

電石渣改良黃土的浸水CBR值與電石渣摻量呈正相關(guān)，隨著電石渣摻量的增加，承載比逐漸增大。由圖6可知，2%摻量的電石渣改良黃土的CBR值為103.1%，12%摻量的電石渣改良黃土的CBR值為209.3%，較2%摻量的混合料提高103.1%，這表明混合料的抵抗局部荷載壓入變形能力顯著增強(qiáng)，完全滿足規(guī)范中對路基填筑最小承載比的要求。

2.5 電石渣改良黃土凍融循環(huán)試驗

本研究參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG 3441—2024 ）的規(guī)定，設(shè)計電石渣改良黃土的凍融試驗方法，采用直徑×高度為50 mm×50 mm的試件，壓實度為96%，養(yǎng)生時間為7 d，凍融試件在-18 ℃的低溫箱中冷凍18 h后，放入20 ℃的水槽中融6 h，試驗結(jié)果見表5。

由表5可知，試件在經(jīng)過凍融循環(huán)后，外觀上并未出現(xiàn)顯著的破損或剝落現(xiàn)象；試件在經(jīng)過測試后，其質(zhì)量變化率均保持在5%以下，顯示出良好的穩(wěn)定性；凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失較小，均滿足石灰粉煤灰穩(wěn)定類材料抗凍性能技術(shù)要求。

3 試驗路段鋪筑

京昆改擴(kuò)建工程起自京昆高速（G5）與榆藍(lán)高速（G6521）相交的東楊樞紐互通立交，全長164.386 km，其中改擴(kuò)建路段長為125.878 km。試驗段采用8%的電石渣進(jìn)行填筑，并按規(guī)定進(jìn)行檢測，結(jié)果見表6。

根據(jù)檢測結(jié)果，可知，電石渣改良黃土的灰劑量、壓實度、厚度及彎沉值均達(dá)到了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。這充分證明了摻加8%電石渣劑量的改良黃土完全可以滿足該試驗段的要求。電石渣改良黃土質(zhì)量與同比例的石灰黃土相當(dāng)，因此在實際工程應(yīng)用中是完全可行的。這一發(fā)現(xiàn)為電石渣在穩(wěn)定土領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的支持，展示了其作為一種環(huán)保材料的巨大潛力。

4 結(jié)論

①電石渣劑量相同時，電石渣改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的延長而增加；初期電石渣改良黃土的強(qiáng)度增長較快，后期增長平緩且趨于穩(wěn)定。

②電石渣改良黃土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過0.7 MPa，這充分表明，在實際應(yīng)用中，電石渣完全能夠替代石灰，作為電石渣土用于高速公路和一級公路的底基層，以及二級和二級以下公路的基層和底基層等結(jié)構(gòu)層。其強(qiáng)度足以滿足各項設(shè)計要求，展現(xiàn)出優(yōu)異的工程應(yīng)用性能。

③電石渣改良黃土CBR值呈現(xiàn)隨電石渣劑量增加而逐漸上升的趨勢。

④電石渣改良黃土凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失較小，均滿足石灰粉煤灰穩(wěn)定類材料抗凍性能技術(shù)要求。

⑤高速公路電石渣改良黃土的電石渣最佳劑量為8%，滿足西安地區(qū)建筑材料抗凍要求。

⑥綜合分析研究結(jié)果可知，電石渣劑量選擇為8%時，電石渣改良黃土性能較優(yōu)且經(jīng)濟(jì)性較好。

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