工業(yè)廢渣與特殊土配合比對強度的影響

摘要：我國工業(yè)廢棄物的排放量逐年增加，工業(yè)廢渣的處理及高附加值資源化利用是目前面臨的較大難題。以S21線阿勒泰至烏魯木齊公路沿線特殊土為背景，對特定配比礦渣、爐渣、電石渣開展室內(nèi)強度試驗，分析了在不同的三渣摻入量下，粉黏土樣本的無側(cè)限壓縮強度和彎拉強度的變化規(guī)律，并對強度曲線進(jìn)行了擬合。研究結(jié)果表明：礦渣、爐渣和電石渣這三種廢渣對穩(wěn)定粉黏土的力學(xué)性能有顯著提升；添加纖維可以增強三渣穩(wěn)定粉黏土的力學(xué)性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)廢渣；特殊土路基；配合比；彎拉強度試驗

0 引言

目前工業(yè)廢渣的資源化利用率僅限于水泥廠回收燒制水泥，但其能源耗費量極大，燒制水泥品質(zhì)較低。由于其在水泥領(lǐng)域利用率較低，造成相當(dāng)大一部分廢渣只能堆存或填埋，從而導(dǎo)致環(huán)境效益和社會效益較差。工業(yè)廢渣處治特殊土路基是實現(xiàn)工業(yè)廢渣的高效綠色環(huán)保利用的有效手段?；诖耍斜匾獙I(yè)廢渣資源化利用開展進(jìn)一步研究。

一些學(xué)者通過不同手段對此開展了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。戈銘[1]基于已有文獻(xiàn)及相關(guān)調(diào)研，分析了電石渣穩(wěn)定土的強度反應(yīng)機理，并通過室內(nèi)試驗研究了電石渣劑量等與CBR值、無側(cè)限抗壓強度等關(guān)系。易耀林等[2]以連云港軟土為研究對象，制定堿激發(fā)礦粉配合比試驗，分析了堿激發(fā)礦粉對軟土的固化機理。何俊等[3]以水玻璃為激發(fā)劑，堿渣和礦渣為固化劑，通過室內(nèi)試驗分析了高含水率淤泥的強度特性。

陶君軍[4]通過數(shù)值軟件和試驗結(jié)合的方法，研究了工業(yè)廢渣復(fù)合固化劑力學(xué)特性，并探討了其在路基填筑方面的可行性。覃莉[5]將粉煤灰、煤矸石、爐渣和赤泥混合成復(fù)合材料，通過試驗研究了干濕循環(huán)作用下復(fù)合材料的力學(xué)特性。趙心濤等[6]以膨脹土為研究對象，研究了不同煤渣摻量下膨脹土改良后的力學(xué)性能。

本文以S21線阿勒泰至烏魯木齊公路沿線特殊土為背景，對特定配比礦渣、爐渣、電石渣開展室內(nèi)強度試驗，分析了在不同的三渣摻入量下，粉黏土樣本的無側(cè)限壓縮強度和彎拉強度的變化規(guī)律，并對強度曲線進(jìn)行了擬合ycMNONtarFlrPwASmawwvJ8WMmnP9Qn0BCuXoIgwPh8=。

1 工程概況

S21線阿勒泰至烏魯木齊公路建設(shè)工程（黃花溝至烏魯木齊段），項目路線總體走向由北向南，起點（K113+

313.636m）福?？h黃花溝向南，沿引額濟(jì)烏干渠西側(cè)向南前行，跨越吉拉溝西側(cè)開始西拐。在K157+000后進(jìn)入古爾班通古特沙漠，跨越石西專用公路，之后一直向南穿出沙漠到達(dá)終點（K342+600.00m），路線全長229.206km。

2 試驗方案

沿線地質(zhì)狀況較復(fù)雜，不良地質(zhì)及特殊土包括風(fēng)積沙土、鹽漬土、濕陷粉土、膨脹泥巖土和軟弱黏土等，因此亟需選用經(jīng)濟(jì)高效的特殊土路基處治工藝。而爐渣、礦渣、電石渣3類廢渣體系可作為良好化學(xué)穩(wěn)定材料應(yīng)用于特殊土路基處理?；诖?，本文對爐渣、礦渣、電石渣3類廢渣體系開展試驗研究。

2.1 試樣制作方法

根據(jù)有關(guān)規(guī)范，按照設(shè)計配比分別稱取烘干后爐渣、礦渣、電石渣材料干質(zhì)量，以及摻加既定含水率燜料的粉黏土質(zhì)量。將稱量的爐渣、礦渣、電石渣放入用濕布擦拭的水泥凈漿攪拌機，開啟慢速、快速交替攪拌各1min、共2min（視具體攪拌量而定）。

待三渣材料攪拌均勻后，按照最優(yōu)含水率條件，將需要加入的水、粉黏土、混合均勻的三渣材料三者進(jìn)行初步混合，再次放入用濕布擦拭的水泥凈漿攪拌機。

按照慢速、快速、慢速交替攪拌各1min、2min、1min，使其充分?jǐn)嚢钄噭?，放入試模中成型即可?/p>

2.2 材料摻量確定

按照礦渣、爐渣、電石渣配比為8：3：4為基準(zhǔn)，三渣總摻量分別為0%、15%、20%、25%?？刂?0%的三渣總摻量不變，改變12mm長的纖維摻入量（0%、0.1%、0.2%、0.3%）。

2.3 確定具體試驗方案

采用內(nèi)摻法計算各材料用量，以便測試三渣穩(wěn)定粉黏土試樣7d無側(cè)限抗壓強度（水灰比為0.4）。三渣穩(wěn)定粉黏土無側(cè)限抗壓強度試驗方案見表1。另外，設(shè)計水泥穩(wěn)定粉黏土為對比組，水泥摻量分別為1%、3%、5%、7%。水泥穩(wěn)定粉黏土配比方案見表2。

為了全面分析礦渣、爐渣、電石渣穩(wěn)定粉黏土路基路用性能，除上述開展無側(cè)限抗壓強度以外，同時設(shè)計了礦渣、爐渣、電石渣總摻量為15%、20%、25%穩(wěn)定粉黏土彎拉強度試驗方案。另外，設(shè)計了采用纖維（20mm）摻量0.3%、粒化高爐礦渣對比組。三渣穩(wěn)定粉黏土彎拉強度試驗方案如表3所示。摻纖維組試驗方案如表4所示。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 根據(jù)實驗結(jié)果擬合參數(shù)

根據(jù)擬定試驗方案開展試樣7d無側(cè)限抗壓強度試驗。試樣7d無側(cè)限抗壓強度隨7d無側(cè)限抗壓強度曲線如圖1所示，試樣 7d無側(cè)限抗壓強度隨纖維摻量變化曲線如圖2所示，試樣7d無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量變化曲線如圖3所示。

分別針對圖1、圖2、圖3進(jìn)行參數(shù)數(shù)值擬合。7d無側(cè)限抗壓強度與三渣總摻量的擬合公式如下：

qu=3×10-3η2+3.3×10-2η+0.03 （1）

控制20%三渣總摻量不變，7d無側(cè)限抗壓強度與纖維摻量的擬合公式如下：

qu=7.3ξ2+0.36ξ+1.9 （2）

7d無側(cè)限抗壓強度與水泥摻量的擬合公式如下：

qu=0.59β+1.659 （3）

式中：qu為7d無側(cè)限抗壓強度，單位為MPa；η為表示礦渣-爐渣-電石渣總摻量，單位為%；ξ為纖維摻量，單位為%；β為水泥摻量，單位為%。

3.2 無側(cè)限抗壓強度分析

從上述圖表和公式可知，當(dāng)三渣的總摻入量上升時，穩(wěn)定粉黏土的7d無側(cè)限抗壓強度逐漸增大，總體呈非線性增長。當(dāng)三渣的總摻入量為25%時，7d無側(cè)限抗壓強度約為2.8MPa，與穩(wěn)定粉黏土摻入4.5%的硅酸鹽水泥后的強度接近。

隨著纖維摻入量增大，穩(wěn)定粉黏土的7d無側(cè)限抗壓強度逐漸增大，并且增長率逐漸增大，兩者總體呈二次函數(shù)關(guān)系。

進(jìn)一步觀察控制，穩(wěn)定粉黏土的7d無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量的增大呈線性增大。此外，水泥摻量對7d無側(cè)限抗壓強度影響最為顯著，三渣總摻量的影響次之，纖維摻量的影響最小。

3.3 彎拉強度分析

根據(jù)彎拉強度試驗結(jié)果，將不同三渣材料摻量的結(jié)果列于表5。從表5中可知，三渣的摻入量增加時，其穩(wěn)定粉黏土的90d彎拉強度也逐漸升高。在相同的三渣摻入量下，含纖維的樣品在90d的彎拉強度是無纖維組的2倍。這表明纖維的添加能有效增加樣品的彎拉強度，并有助于加強整體結(jié)構(gòu)，使其具有更佳的抗裂性。通過比較20%三渣+0.3%纖維與25%三渣的組合可知，添加0.3%的纖維和增加5%的三渣對強度的提升效果是相似的。

3.4 彎拉強度和無側(cè)限抗壓強度關(guān)系分析

圖4展示了同摻量配比三渣穩(wěn)定粉黏土在90dl8U/VbRtHeVDAPFt2b707A==的彎拉強度和7d無側(cè)限抗壓強度之間的關(guān)系。從圖4可以看出，隨著試樣7d無側(cè)限抗壓強度，其90d彎拉強度呈非線性增大。

通過軟件對圖4曲線進(jìn)行擬合，可得到90d的彎拉強度和7d無側(cè)限抗壓強度擬合公式如下：

qf =0.094e0.76qu （4）

由公式（4）可知，兩者呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。聯(lián)立公式（1）和公式（4），可獲得三渣總摻入量和穩(wěn)定粉黏土90d彎拉強度的關(guān)系，如式（5）所示：

qf =0.094e0.028η2+0.025η+0.0228 （5）

式中：qf 為90d 彎拉強度，單位為MPa。

可根據(jù)公式（4）和（5），依據(jù)三渣穩(wěn)定粉黏土的7d無側(cè)限抗壓強度，推算出相應(yīng)配比的90d彎拉強度?；谌目倱搅浚晒浪愠銎?0d的彎拉強度。同時也能預(yù)估不同摻量的90d彎拉強度值。

4 結(jié)束語

工業(yè)廢渣處治特殊土路基是實現(xiàn)工業(yè)廢渣的高效綠色環(huán)保利用的有效手段。本文基于S21線阿勒泰至烏魯木齊公路建設(shè)工程，通過強度試驗研究了爐渣、礦渣、電石渣三類廢渣體系不同摻量下的強度變化。獲得以下主要結(jié)論：

礦渣、爐渣和電石渣這三種廢渣對穩(wěn)定粉黏土的力學(xué)性能有顯著提升。特別是其7d無側(cè)限抗壓強度與三渣摻量之間的關(guān)系為二次函數(shù)增長；當(dāng)三渣摻量為25%時，其7d抗壓強度達(dá)到2.78MPa，與4.5%的42.5#常規(guī)硅酸鹽水泥相似。

與此同時，隨著摻量上升，其增長速度超過了水泥穩(wěn)定的粉黏土。在相同摻量下，其90d彎拉強度和7d抗壓強度遵循指數(shù)變化規(guī)律。

添加纖維可以增強三渣穩(wěn)定粉黏土的力學(xué)性質(zhì)。纖維摻量上升時，其7d抗壓強度按二次函數(shù)形式上升；而在相同三渣摻量下，含纖維樣本的90d彎拉強度為無纖維組的2倍。

參考文獻(xiàn)

[1] 戈銘.電石渣穩(wěn)定土路基的試驗研究 [J].現(xiàn)代交通技術(shù)， 2015，12（6）：8-10+31.

[2] 易耀林，李晨，孫川，等.堿激發(fā)礦粉固化連云港軟土試驗研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（9）：1820-1826.

[3] 何俊，石小康，栗志翔.水玻璃-堿渣-礦渣固化高含水率淤泥的強度性質(zhì)[J].工程地質(zhì)學(xué)報， 2019，27（4）：729-736.

[4] 陶君軍.工業(yè)廢渣復(fù)合固化疏浚淤泥及路基分層填筑技術(shù)研究 [D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)， 2016.

[5] 覃莉.干濕循環(huán)作用下固廢復(fù)合路基材料應(yīng)用性能研究 [J].西部交通科技，2020（12）：97-99+187.

[6] 趙心濤，陳永青.煤渣改良膨脹土膨脹特性的試驗研究[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，31（4）：64-67+78.