废木灰处理红黏土的水力性能研究

孔　雀

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙　410015)



废木灰处理红黏土的水力性能研究

孔雀

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙410015)

由于具有较低的渗透性和中等压缩性，红黏土也被用做垃圾填埋场的衬垫材料。通过不同废木灰掺入比对红黏土改性，研究了不同击实能条件下红黏土及其改性后的水力性能。结果表明废木灰掺入量对该红黏土液塑限指数的影响并不大；随着击实能的减小或废木灰掺入比的增大，红黏土的最优含水量增大；轻型和中型击实的红黏土随着废木灰参入比的增大渗透系数随之增大；废木灰掺入比的增加对土样体积收缩影响明显，同时显著改变了红黏土土样的均一性。

红黏土； 废木灰； 击实； 水力特性

0　前言

在很多亚洲国家，红黏土被用作为建筑材料的历史已有超过了1000 a的时间。由于其具有较低的渗透性、中等压缩性以及对污染物的吸附阻滞性能，红黏土被选做垃圾填埋场的衬垫材料。红土(或红黏土)在我国分布广泛，覆盖面积达2.0万km2，其中分布在我国的10多个省份如广西、云南、湖南等[1]。红黏土主要是在第四纪冲积物重新组织得到的黏土矿物，并从大陆风化或从白垩纪开始的新沉积物。红黏土具有较低的渗透性，但同时也有一定的膨胀收缩性，当被用于防渗或者衬垫材料时应尽可能避免其胀缩特性，因此，近年来很多学者开始考虑对红黏土进行改性或加入其它土工材料、工业废渣废料等[2，3]。

近年来，针对红黏土水力特性的研究有过不少文献报道，但针对红黏土改性或者进行其它材料的掺入研究并不多见[4]，特别是针对用做衬垫材料的红黏土[5]。彭玉林等[6]以昆明红黏土为例，研究了垃圾填埋场中改性红黏土防渗料的性能。刘晓红等[7]基于红黏土临界动应力研究了高铁无碴轨道路堑基床换填厚度。红黏土改性方面，曹豪荣等[8]在考虑干湿循环路径的基础上，试验研究了石灰改性红黏土的路用性能。孙志亮等[9]通过膨胀土与红黏土石灰改性对比试验研究，基于无侧限抗压强度和固结试验结果等得到石灰改性南阳膨胀土的效果比石灰改性郴州红黏土好。据文献调查研究，也有学者采用廉价的或者工业、农业废弃物对红黏土进行改性并应用于工程。如何俊等[10]采用废旧轮胎胶粉配制黏土混合土，并对其击实性能进行了研究。

本文选取一种廉价而又常见的废木灰废弃料对红黏土进行改性，红黏土碾磨过筛后分别进行液塑限试验、击实试验、土柱渗透试验和收缩试验、无侧限抗压强度等试验，对红黏土及其改性混合土进行水力性能分析。

1.试验方法

1.1试验材料

本文试验所用红黏土取自湖南某工地，取土现场照片如图1所示。掺入所用的废木灰来自废旧木料的焚烧后灰料，废旧木料焚烧后过0.1 mm筛作为掺入材料。

图1　红黏土取样现场Figure 1　Open pit of the Red clay

取土后室外风干，碾磨过筛，采用激光粒度仪(Beckman Coulter LS230, USA)对红黏土土样进行粒径分析，得到其颗分曲线如图2所示。图2表明本文试验红黏土颗粒粒径均在在2.0 mm以下。同时往碾磨过筛后的红黏土中掺入质量比为10%的废木灰，得到废木灰和红黏土混合物的颗分曲线，见图2。结果表明废木灰的掺入对红黏土颗粒粒径的影响并不大。

图2　红黏土和改性后的颗分曲线Figure 2　　　　Grain size distribution of red clay before and after treated

1.2试验方法

本文涉及的液塑限试验、击实试验、土柱渗透试验和收缩试验、无侧限抗压强度测定等均在土工试验室完成。使用仪器包括试样环、液塑限联合测定仪、击实仪、压力机等。根据实验要求分别对最大粒径为2 mm的红黏土进行废木灰参入比试验，废木灰参入比分别为2%、4%、6%、8%和10%。随后进行击实试验、液塑限试验、渗透试验和无侧限压缩试验。其中击实试验采用轻型、中型和重型击实，3种击实能分别为592.2，2 684.9，1000 kJ/m3。相关试验按照规范《土工试验方法标准》(GBT50123 — 1999)等[11]执行。

2　结果与讨论

2.1液塑限测定结果

通过液塑限联合测定，得到木灰掺入比分别为2%、4%、6%、8%和10%的红黏土液塑限如图3所示。

图3　木灰含量对液塑限的影响Figure 3　Effects of waste wood ash ratio on liquid plastic limit

图3结果表明红黏土的液限和塑限在废木灰掺入比为2%时最小，随着掺入比的增大液限和塑限也有略微增大趋势。同样的，塑性指数的结果也类似。不难发现，总体来说废木灰掺入量对该红黏土液塑限指数的影响并不大。这可能是2方面耦合作用的结果： ①无机盐类对红黏土液塑限的降低作用； ②掺入废木灰后红黏土因无机盐的化学固结作用，土体发生收缩体积减小，土体变得密实。

2.2木灰含量对最优含水量影响

通过轻型、中型和重型击实能对不同废木灰掺入比的红黏土进行击实，得到不同掺入比下最优含水量的结果如图4所示。

图4　木灰含量对最优含水量的影响Figure 4　　　　Effects of waste wood ash ratio on optimum water content

从图4结果可以看出: 随着击实能的增大，红黏土的最优含水量降低。这是因为随着击实能的增大，土样孔隙比减小，导致土的持水性能降低，进而具有较低的最优含水量。与此同时，随着废木灰掺入比的增大，最优含水量增大。这是由于废木灰中含有大量的钾和磷等化学元素，而红黏土主要有蒙脱石、高岭石等粘土矿物组成。文献研究表明[12]，粘土矿物扩散双电层厚度随着孔隙溶液化学浓度的增大，扩散双电层厚度的减小会引起土体中有效孔隙的增加，最终导致含水量的增大。

2.3木灰含量对渗透系数影响

通过对不同击实能击实的土样用环刀切样并进行渗透试验，得到不同废木灰掺入比的渗透系数结果如图5所示。

图5　木灰含量对不同击实能下渗透系数的影响Figure 5　Effects of waste wood ash ratio on permeability coefficient under different compaction energy

废木灰掺入比对重型击实的红黏土渗透系数影响不大，如图5所示。而随着废木灰参入比的增大，轻型和中型击实的红黏土渗透系数随之增大。正如上文分析，废木灰中的化学物质会导致土体中有效孔隙的增大，从而渗透系数也随着增大。图5结果表明要达到垃圾填埋场衬垫材料的防渗标准，即渗透系数小于1.5×10-9m/s, 轻型击实达不到防渗标准，且当废木灰掺入比超过6%时也将超过防渗标准；不论掺入比多大，重型击实的红黏土都能满足衬垫材料的防渗需求。

2.4木灰含量对体积收缩影响

通过不同击实能击实后环刀切样的红黏土土样置于试验室环境中干燥，干燥会引起体积收缩，通过测量土样直径及高度得到不同废木灰掺入比下红黏土土样体积收缩情况如图6所示。

图6　木灰含量对不同击实能下体积收缩的影响Figure 6　Effects of waste wood ash ratio on soil volume shrink under different compaction energy

图6结果表明随着废木灰掺入比的增大，红黏土土样的干燥收缩，且收缩程度与击实情况有关。击实能越大，土样体积收缩越小。这是由于击实能越大土样孔隙比越小无法像酥松土样一样收缩的缘故。对于轻型击实的土样，土样体积的收缩在废木灰参入比为4%时出现拐点，呈现明显的双线性。

2.5木灰含量对无侧限抗压强度影响

同样地，通过对不同击实能击实后环刀切样的红黏土土样在压力机上进行无侧限抗压强度试验，得到不同木灰掺入比对无侧限抗压强度的影响结果如图7所示。

图7　木灰含量对不同击实能条件下无侧限抗压强度的影响Figure 7　Effects of waste wood ash ratio on unconfined compressive strength under different compaction energy

图7结果表明: 不同木灰掺入比对无侧限抗压强度的影响结果呈“M”曲线型。表明随着废木灰掺入比的增大，无侧限抗压强度变化规律并不明显，这可能是由于废木灰的掺入改变了红黏土土样的均一性。一方面木灰掺入比的增加增大了其有效孔隙，另一方面化学因素还会导致土样体积的收缩，这一过程同时受到击实能的影响。但图7结果能确定随着击实能的增大红黏土土样的无侧限抗压强度也随之增大。

3　结论

本文通过不同废木灰掺入比改性红黏土，并基于液塑限试验、击实试验、土柱渗透试验和收缩试验、无侧限抗压强度得到如下结果：废木灰掺入量对该红黏土液塑限指数影响不大；随着击实能的减小或废木灰掺入比的增大，红黏土的最优含水量增大；轻型和中型击实的红黏土随着废木灰参入比的增大渗透系数随之增大；废木灰掺入比的增加对土样体积收缩影响明显同时改变红黏土土样的均一性。

[1]Wilson,M.J.,He,Z.,Yang,X.,2004a.Introduction and background.In: Wilson,M.J.,He,Zhenli,Yang,Xiaoe (Eds.),The Red Soils of China: Their Nature Management and Utilization [M].Kluwer Academic Publishers,Netherlands,pp.1-3.

[2]H.Bannour,G.Stoltz,P.Delage,N.Touze-Foltz.Effect of stress on water retention of needle punched geosynthetic clay liners [J].Geotextiles and Geomembranes 42 (2014) 629e640.

[3]Anderson,S.A.and Hee,B.,(2000).Lateritic soil in landfill and covers.Geoenvironment 2000: Characterization,Containment,Remediation and Performance in Environmental Geotechnics.ASCE Special Publication,pp.936-947.

[4]Alberta Environment (2002).Standards and Guidelines for the Use of Wood Ash as a Liming Material for Agricultural Soils[J].Science and Standards Branch.Edmonton Alberta T5K 2J6.

[5]Frempong E.M.and Yanful E.K.(2008) Interaction between three tropical soils and municipal solid waste landfill leachate [J].J.Geotech Goenv Eng ASCE 134(3):379-396.

[6]彭玉林,龚爱民,孙海燕,等.垃圾填埋场中改性红黏土防渗料的性能研究[J].人民长江,2011(S2):1001-1006.

[7]刘晓红,杨果林,方薇.红黏土临界动应力与高铁无碴轨道路堑基床换填厚度[J].岩土工程学报,2011,22(3)：348-356.

[8]曹豪荣；李新明；樊友杰；等.考虑干湿循环路径的石灰改性红黏土路用性能试验研究[J].岩土力学,2009(9):22-28.

[9]孙志亮,郭爱国,太俊.膨胀土与红黏土石灰改性对比试验研究[J].岩土力学,2013,34(2): 150-155.

[10]何俊.废旧轮胎胶粉r黏土混合土的击实性能[J].工程地质学报,2015(s): 904-910.

[11]GBT50123-1999,土工试验方法标准[S].

[12]Mitchell,J.K.,1993.Fundamentals of Soil Behavior,2nd Edition [M].John Wiley and Sons,Inc.,New York.

Hydro-mechanical Behavior of Red Clay Treated by Waste Wood Ash

KONG Que

(Hunan Communications Research Institute， Changsha， Hunan 410015， China)

Due to low permeability and moderate compression, the red clay is also used as liner material for landfill. The red clay was modified by different mixing ratio of waste wood ash, the hydro-mechanical behavior of red clay under different compaction energy was studied in this work. The results show that the increasing of the ratio of waste wood ash has insignificant effects on the liquid limit and plastic limit of this red clay. Optimum water content is increased with a decrease of compaction energy or increase ratio of waste wood ash. The permeability coefficient increases with waste wood ash ratio increased of light and medium compaction red clay. The waste wood ash significantly affected the soil volume shrinkage and the red clay soil uniformity was changed by the waste wood ash.

red clay; waste wood ash; compate; hydro-mechanical behavior

2016 — 05 — 23

孔雀(1981 — )，女，湖南岳阳人，工程师，主要从事公路桥梁施工与管理工作。

U 416.1+6

A

1674 — 0610(2016)04 — 0270 — 04