赤泥掺入对水泥土渗透系数的影响

米栋云,李　熠,2,田高源,董晓强,2

(1.太原理工大学建筑与土木工程学院, 山西太原030024；2.山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西太原030006)



赤泥掺入对水泥土渗透系数的影响

米栋云1,李熠1,2,田高源1,董晓强1,2

(1.太原理工大学建筑与土木工程学院, 山西太原030024；2.山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西太原030006)

为了研究赤泥的掺入对水泥土渗透系数的影响，通过将不同量的赤泥掺入到水泥土中，进行不同渗透压和不同龄期下的水泥土渗透试验，绘制赤泥掺入量、渗透压、养护龄期与水泥土渗透系数的相互关系曲线，进而分析赤泥的掺入对水泥土渗透系数的影响。试验研究结果表明：赤泥的掺入极大地减小水泥土的渗透系数，有助于提高水泥土的抗渗性；随着渗透压和养护龄期的增加，不同赤泥掺入量的水泥土的渗透系数变化趋势一致，基本保持稳定。

赤泥;渗透系数;固化剂;渗透压

0　引　言

赤泥是一种化学成分十分复杂的工业废料，随着氧化铝工业的快速发展，大量的赤泥堆积在农田、建设用地，污染土壤和地下水源，严重地影响了人们正常的生活和工作。近年来，人们的环保意识逐渐地提高，迫切地需要解决赤泥带来的环境问题，提高赤泥的综合利用率和增加利用赤泥的方案。许多国内外学者都对其进行了研究，Kumar等[1]提出将赤泥用来制作水泥，并且对水泥赤泥混凝土的强度特性进行了研究；Senff等[2]研究了将赤泥运用于砂浆中，并且研究了赤泥砂浆的流变和硬度；齐建召等[3]将赤泥运作道路基层材料；渗透性是土的基本的力学性质之一[4]，在实际工程中有着重要的影响作用。由于影响土的渗透性的因素很多，准确地测试土的渗透系数就比较困难，近年来土的渗透性的研究逐渐成为土木工程界的主要课题之一，Kamiya等[5]开发了一种新的方法测试透气性，研究孔隙中的气体对非饱和土的渗透系数的影响；Park[6]研究通过建立ANN模型来合理估算渗透系数的可能性；Huang等[7]采用特殊的三轴渗透仪，使得能够在净正应力和吸力值的各种组合下，直接测量渗透系数；Dolzyk等[8]采用一系列公式预测非塑性土壤的渗透系数和进行八个不同土壤孔隙率的室内试验来比较土壤的渗透系数；顾正维等[9]关于固化土渗透性的试验研究，对止水帷幕的设置有指导意义；张虎元等[10]利用柔性壁渗透仪测定膨润土改性黄土的渗透系数，并且利用扫描电镜照片分析了膨润土改性黄土的微观孔隙结构，揭示了改性黄土渗透系数变化的原因；汤怡新等[11]通过大量的试验，探讨分析了水泥土的几个重要工程特性，主要包括水泥土的渗透性、抗压强度、早期抗剪强度。杨波等[12]进行了原状黄土和重塑黄土的柔性壁渗透试验的对比，分析了渗透过程中渗透系数、孔隙比、土体变形的变化关系，进而研究了土体结构的变化。本文提出一种新的利用赤泥的方案，通过将赤泥按一定的比例和水泥混合，构成固化剂，对黄土进行固化，主要研究不同比例赤泥和水泥的固化剂固化土体后，固化土的渗透性能变化，试验研究对于固化土在工程领域抗渗方面的运用有着重要的参考价值。

1　材料与方法

1.1试验材料

试验用黄土取自山西太原东山地区，取土深度为4～5 m，其基本物理指标见表1，试验所用的赤泥，取自山西柳林铝厂，颜色呈红褐色，为拜耳法赤泥，其主要化学成分及含量见表2。

表1　黄土基本物理指标Tab.1　Basic physical properties of the soil

表2　赤泥主要化学成分Tab.2　Main chemical composition of red mud

1.2试样制备

黄土：取预定质量的黄土，捣碎，放置于100 ℃的烘箱中，烘干24 h，充分烘干后取出，过2 mm筛；赤泥：首先要经过碾碎、烘干，然后用球磨机研磨1 h，过0.075 mm筛。将上述处理后的赤泥与水泥按照配合比(赤泥∶水泥)为0∶1、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1混合，组成不同配合比的固化剂，固化黄土。在最优含水量下，加水湿拌均匀后，按照混合料的密度1.83 g/cm3称取每个试样的用量，分两次装入试样模具，制备底面直径为5 cm，高为5 cm的圆柱形试样，静压1 h后，脱去试模，将制备好的圆柱形试样放置标准养护箱中养护，且设置养护箱的参数：温度为20 ℃、湿度为95%。

1.3渗透试验

图1　柔性壁渗透仪试验装置原理图Fig.1　The principle of flexible wall permeameter

试验中所采用的渗透仪是柔性壁渗透仪，如图1所示。在渗透仪上安置土样的顺序为透水石、滤纸、土样、滤纸、透水石，然后用乳胶薄膜包裹土样并用橡胶圈套住上下薄膜口，减小了渗透过程中侧壁漏水的问题，提高渗透试验精度。试验方法参照ASTM-D5084—10标准测定固化土的渗透系数。

试验准备，为了充分饱和土样，在渗透仪上设置土样上部反压和底部反压分别为200 kPa，保持24 h。待土样饱和后，撤去土样上部压强，设置五组的渗透压分别为50、100、150、200、250 kPa，且设置围压始终高于渗透压50 kPa，每次应在渗透速率稳定之后再记录数据，每隔35 min后逐级增加渗透压，依次记录在5组压力差下的渗透速率。最后根据公式计算不同固化剂配比的土样在不同渗透压下的渗透系数。

2　试验结果与分析

2.1赤泥的掺入对渗透系数的影响

图2为固化土渗透系数随着赤泥掺入量增加的变化曲线;图3为固化土(不含赤泥含量c=0的试样)渗透系数随着赤泥掺入量增加的变化曲线。

图2固化土的渗透系数随赤泥掺入量的变化曲线

Fig.2Thec-kcurves ofstabilized soil with different content of red mud

图3固化土的渗透系数随赤泥掺入量的变化曲线

Fig.3Thec-kcurves of stabilized soil with different content of red mud

由图2可以看出，随着赤泥的掺入，固化土的渗透系数减小趋势十分明显，水泥土的渗透系数为8.7×10-6cm/s要远远大于赤泥掺入的渗透系数7.6×10-7cm/s，约为其10倍，故赤泥的掺入可以有效地增强土体的抗渗性。由图3可以看出，固化土的渗透系数并不是随着赤泥的含量的增加一直在减小，在赤泥掺入量10%

2.2渗透压对渗透系数的影响

图4为固化土(养护龄期7 d)的渗透系数随渗透压增大的变化曲线;图5为固化土(养护龄期14 d)的渗透系数随渗透压增大的变化曲线。

由图4可知，当养护龄期为7 d时，随渗透压的增大，不同赤泥掺入量的固化土试样的渗透系数都是先增大，后减小。

①当赤泥掺入量5%≤c≤15%时，渗透压为150 kPa时，固化土的渗透系数达到最大值。当渗透压50 kPa≤P≤150 kPa，随着渗透压的增大，固化土的渗透系数逐渐增大。但是当渗透压大于150 kPa时，由于养护龄期较短和赤泥的水化反应还没有完成，水化反应生成的胶凝物还比较少和胶凝物胶结土颗粒的固化效果还不是很牢固，所以渗透压大于150 kPa时，在较大的水力梯度下，胶凝物胶结的土颗粒逐渐被冲散，Ca(OH)2晶体也逐渐被溶解，孔隙结构再次被迫重新组合，渗透水流经过的孔隙通道部分被堵塞，也逐渐减少。故当渗透压150 kPa

②当赤泥掺入量c>15%时，渗透压为100 kPa时，固化土的渗透系数达到最大值，但是渗透系数的变化非常的小。故当渗透压50 kPa≤P≤100 kPa时，随着渗透压的增加，水流在孔隙中的流动，带走了部分未反应的赤泥杂质，使得孔隙结构变得稍微通畅，故固化土渗透系数有所增加；当渗透压P>100 kPa时，在较大的水力梯度下，土颗粒的胶结会被破坏，孔隙通道再次被堵塞，故固化土渗透系数会减小。

由图5可知，当养护龄期为14 d时，随渗透压的增大，不同赤泥掺入量的固化土试样的渗透系数也会出现一个波峰，但总体的变化不是很大。说明随着养护龄期的增加，水泥和赤泥的水化反应基本完成，生成的胶凝物胶结土颗粒，重新形成新的土体结构。故随着渗透压的增加，固化土的渗透系数基本保持不变。

图4固化土P-k的变化曲线(7 d)

Fig.4TheP-kcurves of saturated stabilized soil(7 d)

图5固化土P-k的变化曲线(14 d)

Fig.5TheP-kcurves of saturated stabilized soil(14 d)

2.3养护龄期对渗透系数的影响

图6　固化土t-k的变化曲线Fig.6　The t-k curves of saturated stabilized soil

图6为固化土的渗透系数随着养护龄期增加的变化曲线。由图6可以看出，当赤泥掺入量5%≤c≤20%时，随着养护龄期的增加，渗透系数逐渐增加，但是增加的趋势减小。当赤泥掺入量c>20%时，随着养护龄期的增加，渗透系数保持不变。

①当赤泥掺入量5%≤c≤20%时，水泥和赤泥都进行水化反应，都会生成胶凝物，且赤泥的水化反应需要在水泥水化的基础上进行。当龄期t<7 d时，此阶段主要是水泥的水化反应，生成胶凝物和Ca(OH)2晶体；当龄期7 d

②当赤泥掺入量c>20%时，赤泥的掺入量过多，赤泥中的游离碱溶解，抑制水泥的水化反应，从而阻碍赤泥的水化，无法生成大量的胶凝物和Ca(OH)2晶体胶结土颗粒，达不到固化土体的效果，故导致土体孔隙结构十分混乱，土体结构不稳定，渗透系数较低。而且随着养护龄期的增加，并不能改变土体的内部结构，不能引起渗透系数的改变。故随着养护龄期的增加，渗透系数保持不变。

3　结　语

对于此次固化土的渗透试验，主要研究在不同渗透压和不同赤泥掺入量下，经过饱和的固化土的渗透系数的变化，所得结论如下：

①赤泥的掺入会极大减小固化土的渗透系数，但是固化土的渗透系数并不是随着赤泥掺入量的增加一直在减小。当赤泥掺入量10%20%，固化土的渗透系数会保持稳定。

②固化土(7 d)的渗透系数随着渗透压增大，先增加后减小，渗透压为100～150 kPa时，固化土(7 d)的渗透系数达到最大值。养护龄期在7d以上时，固化土的渗透系数随着渗透压增大，变化趋势不是很明显，几乎保持稳定。

③当赤泥掺入量c≤20%时，固化土的渗透系数随着养护龄期的增加而增加。当赤泥掺入量c>20%时, 随着养护龄期的增加，固化土的渗透系数不再变化。

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(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Influence of red mud on permeability coefficient of loess solidified by cement

MI Dong-yun1, LI Yi1, 2, TIAN Gao-yuan1, DONG Xiao-qiang1, 2

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China；2.Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region,Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

In order to study the effect of red mud on the permeability coefficient of cement soil, different amounts of red mud were added to cement soil. The permeability coefficient of the solidified soil was tested under the condition of different permeable pressures and curing time. According to the test, the relationship between permeability coefficient, red mud, permeable pressures and curing time was analyzed, and then the effect of red mud on the permeability coefficient of cement soil was analyzed. The test showed that the incorporation of red mud would greatly reduce the permeability coefficient of stabilized soil and help improve the impermeability of the soil; that, with the increase of permeable pressure and curing time, the permeability coefficient of loess solidified by different proportions of red mud and cement basically has the same change trend.

red mud; hydraulic permeability; hardener; permeable pressure

2016-04-11；

2016-05-13

山西省国际科技合作项目(2015081055);黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室开放课题资助项目(KLTLR-Y13-4);山西省研究生教育创新项目(2015BY25)

董晓强(1974—)，男，山西霍州人，太原理工大学教授，博士生导师；E-mail：dongxiaoqiang@126.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1095

TU 411.3

A

1001-7445(2016)04-1095-06

引文格式：米栋云,李熠,田高源,等.赤泥的掺入对水泥土渗透系数的影响[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1095-1100.