含硫石灰土工程特性的改良措施

卢佩霞

(1. 扬州大学 建筑科学与工程学院, 江苏 扬州 225127; 2. 扬州工业职业技术学院 建筑工程学院, 江苏 扬州 225127)

石灰土具有整体性好、水稳定性好、承载力高及变形小等特点,因此常被用作改善和增强路基填土性能的材料[1-2].文献[3]分析了石灰土的无侧限抗压强度随石灰剂量、养护温度以及龄期而变化的规律.文献[4-5]通过无侧限抗压强度等试验，研究了影响石灰土工程性质的因素.文献[6]研究表明：对于不同掺量下石灰处治土的基本物理指标进行了室内试验，随着掺灰剂量的增加，石灰处治土的液限变化不大，但塑限不断增大，塑性指数随之逐渐减小；土体的弹性模量及无侧限抗压强度随石灰掺量的增大而增大，土体的黏聚力及内摩擦角也随之逐渐增大.文献[7]进行了石灰土、水泥土以及石灰粉煤灰土的物理力学特性研究,认为各改良土的强度随掺入料剂量的增大而增加.文献[8]研究了石灰对黏土工程力学性质的改良作用.文献[9]研究了有机质软土经过石灰处理后的力学和硬化特征.文献[10]研究表明:当采用单一的石灰改良硫酸盐渍土时,改良土中的土粒团粒化作用差,改良土的早期黏聚力低,对土中硫酸钠晶体形成的约束小,因而形成的硫酸钠晶体直径较大,加剧了硫酸钠晶体对土体结构的破坏,导致改良土强度的大幅降低.

因此,笔者基于扬州文昌路西延工程施工1标的黏性填土,利用SANS万能试验机,研究改善含硫石灰土的无侧限抗压强度,分析炉渣和粉煤灰对含硫石灰土强度的影响.该研究在改良含硫石灰土的工程特性,扩大工程适用范围,有着重要的意义.

1 垃圾炉渣的改良效果

1.1 垃圾炉渣的特性

试验用垃圾炉渣取自江苏省扬州泰达生活垃圾焚烧发电厂.炉渣堆放1个月以上.自然的炉渣形态如图1所示.由图1可知,颗粒大小差别很大,存在大量的石块、砖块等大颗粒炉渣,也有许多细颗粒.所取炉渣的颗粒不均匀系数Cu=17.73,曲率系数Cc=1.04,属于级配良好的砾类土.

图1 原态炉渣

2013年取样的垃圾炉渣化学成分列于表1中.焚烧炉渣的化学成分中,SiO2的质量分数最高,达56.7%,其次为Al2O3和CaO，其质量分数分别为13.8%和9.7%,碱质量分数(表1中碱质量分数指K2O和Na2O的质量分数之和)为4.5%,其他化学成分的质量分数相对较少.炉渣的主要组成元素是Si,Al,Ca,Na,Fe,C,K,Mg和O(质量分数均大于1.0%),重金属元素(除As,Cd和Hg外)质量分数的波动较小,为20%～30%.由于As,Cd和Hg为挥发性重金属元素,在垃圾焚烧过程中大部分都挥发进入烟气和飞灰,炉渣中的含量很少.由表1可知,炉渣的烧失量平均值为2.3%,且均小于5%.炉渣试样的压缩特征类似于正常固结黏性土,随着竖向压力的增大,松散组试样孔隙比下降速率较大.松散组试样的屈服应力小于密实组.不同干密度的炉渣的内摩擦角略有不同,随着龄期增加,炉渣内摩擦角基本不变;炉渣的黏聚力随干密度增加而增加,随龄期增加而增加,黏聚力与龄期呈对数函数关系.

表1 垃圾炉渣的化学成分及烧失量 %

1.2 石灰土试样制作

选取扬州文昌路西延工程施工1标的黏性填土,土样的塑性指数IP=27.6,液限wL=54.1%,塑限wP=26.5%.Cu=6.7,Cc=2.0.在试样中掺加的石灰和Na2SO4质量分数均为6%,同时分别掺加质量分数为0,10%,15%,20%和25%的炉渣.采用控制分层高度的击样器制样,分5层加料击实,击实成型为高80.0 mm、直径39.1 mm的圆柱体试样.试样中水质量分数约为20%,干密度为1.6 g·cm-3,养护28 d.

1.3 试验结果与分析

利用SANS万能试验机进行无侧限抗压试验.图2为石灰土无侧限抗压强度与龄期的关系曲线.由图2可知:随龄期增加,石灰土的无侧限抗压强度增加;炉渣质量分数w(炉渣)<15%,石灰土的无侧限抗压强度随垃圾炉渣质量分数增加而增加;炉渣质量分数w(炉渣)>15%,龄期小于180 d,石灰土的无侧限抗压强度随着炉渣质量分数增加而增加,而龄期大于180 d,无侧限抗压强度随着其质量分数增加略有减小.

石灰土的无侧限抗压强度与炉渣质量分数的关系如图3所示.由图3可知:随炉渣质量分数增加,石灰土的无侧限抗压强度增加;龄期<180 d的石灰土的无侧限抗压强度随炉渣质量分数增大而增加的幅度大,龄期>180 d的石灰土的抗压强度随质量分数的增大而增加的幅度小.

图2 掺炉渣石灰土强度与龄期的关系曲线

图3 石灰土强度与炉渣质量分数的关系曲线

图4为掺加炉渣和硫酸盐的石灰土,经过365 d养护后的X射线衍射图.掺加炉渣和硫酸盐的石灰土中的主要矿物有高岭石、蒙脱石、石英、石膏、方解石、水合硅酸钙、水化硅酸钙、钙矾石和风硬石硅灰石膏.

注:M-蒙脱石；Q-石英；G-石膏；C-方解石；A-水合硅酸钙；To-水化硅酸钙；E-钙矾石；T-风硬石硅灰石膏

图4 掺加炉渣、硫酸盐的石灰土X射线衍射图(龄期365 d)

2 粉煤灰的改良效果

粉煤灰有效地降低了硫酸盐引起的石灰土膨胀,改善了掺加硫酸盐的石灰土的性能.在土样中分别掺加0,6%,12%,18%和24%的粉煤灰，制作成石灰土试样.粉煤灰中Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,K2O,Na2O,SO2和SiO2的质量分数分别为23.50%,5.93%,2.72%,1.15%,1.41%,0.44%,0.34%和64.51%.

掺加粉煤灰后,含硫酸盐石灰土的无侧限抗压强度随龄期的变化曲线如图5所示.由图5可知:随龄期增加,掺加粉煤灰石灰土的无侧限抗压强度增加;龄期<90 d时,石灰土的无侧限抗压强度增加速度快;龄期>90 d时,石灰土的无侧限抗压强度增加速度慢.

图5 掺粉煤灰石灰土强度与龄期的关系曲线

不同龄期石灰土的无侧限抗压强度与粉煤灰质量分数的关系如图6所示.由图6可知:随着粉煤灰的增加,石灰土的无侧限抗压强度增加;龄期<30 d,石灰土的无侧限抗压强度随粉煤灰质量分数增加而呈线性增加;龄期>30 d,石灰土的无侧限抗压强度随粉煤灰质量分数增加而增加,但增加幅度随粉煤灰质量分数增加而减小.

掺加不同剂量的Na2SO4的石灰土中,石灰土的膨胀量与粉煤灰质量分数的关系如图7所示.由图7可知:粉煤灰有效地减小了石灰土与硫酸盐反应产生的膨胀变形;随粉煤灰质量分数增加,掺加不同剂量Na2SO4的石灰土的膨胀量减小;对于Na2SO4质量分数为1×10-3的石灰土,由于Na2SO4的剂量小,所以粉煤灰对石灰土的膨胀变形影响很小.

图6 掺粉煤灰石灰土强度与粉煤灰质量分数的关系

图7 膨胀量与粉煤灰质量分数的关系曲线(龄期=60 d)

3 结 论

1) 炉渣和粉煤灰改善了含硫石灰土的强度和性能,抑制了含硫石灰土的膨胀变形.

2) 随炉渣质量分数增加,石灰土的无侧限抗压强度增加.龄期小于180 d的石灰土的无侧限抗压强度随炉渣质量分数增大而增加的幅度大;龄期大于180 d的石灰土的抗压强度随炉渣质量分数增大而增加的幅度小.

3) 随粉煤灰的增加,石灰土的无侧限抗压强度增加.龄期小于30 d,石灰土的无侧限抗压强度随粉煤灰质量分数增大而呈线性增加;龄期大于30 d,石灰土的无侧限抗压强度随粉煤灰质量分数增大而增加,但增加幅度随粉煤灰质量分数增大而减小.