赤泥-石灰土路基材料制备与性能研究

2021-08-15刘碧媛

城市道桥与防洪 2021年7期

刘碧媛

（甘肃省陇南市成县交通运输局，甘肃陇南 742500）

0 引言

我国地大物博，资源富足，地域辽阔，土地资源种类繁多。但是随着近年来工业发展迅速，环境污染问题与日俱增，工业排放的废水、废液、化学废料，酸雨等等对各类土体的污染，改变了土质的结构与性质，从而引发了一系列地质灾害以及工程问题[1-2]。为解决土壤结构与性质的恶化问题，土壤固化与稳定化技术随之而出[3]，并可根据土质类型差异对应不同的固化技术，例如赤泥等固化废弃物可与土体发生固化反应，从而修复受损土壤。根据土壤的不同对应不同的土壤加固这种因材施教的方法，不仅相对廉价并且不会对环境产生二次危害。目前固化剂：水泥、石灰、粉煤灰等比较常见。孙冬青等[4]发现高含水率和丰富有机质的水厂废料的最佳方法是通过固化处理，并以传统固化剂水泥石灰进行固化，之后作为路基填土使用，并添加强氧化剂分解有机质可以提高固化剂的固化效果。邵桂彬[5]通过结合土工复合材料的制约性、区域性等特点，对土质施工、沉降、验收等进行分析，实践表明：土工复合材料的应用对于路基沉降问题和路基结构性问题提供了有效的性能支撑，可进行推广和应用。李琬菁等[6]针对含油污以及毒性的废料残渣进行分析和处理，指出了含油污毒性的废料处理和管理的重要依据以及帮助，引导全国对于污染后的废料无污化处理，资源化处理。杨亚东等[7]针对铁尾矿废渣对周围生态环境造成破坏以及资源浪费等现象，利用铁尾矿残余价值，将铁尾矿与建筑废料等进行加工组合，并加入土壤改良剂，提高了土壤的肥力等，但其发展空间有限，并展望积极探索新的利用路径。张晓军[8]通过CBR（California Bearing Ratio）试验对合成粉质黏土路基进行了探讨，试验结果表明：单、双层土人工合成材料增加后CBR 随之有不同程度的增加，土工格栅放置高度对CBR 的增加程度也不尽相同。刘浩等[9]为解决建筑垃圾的资源化与合理化问题，将石灰与矿粉与建筑垃圾材料进行结合作为新型路基材料，研究结果表明：掺入石灰与矿粉明显提高路基的强度与水稳定性，此项研究对于天然砂石料的日益枯竭问题十分有益。丁慧等[10]通过对固化疏浚淤泥作路基材料工程特性试验研究，试验结果表明：固化剂掺量不同其最大干密度与最优含水量均超过一定范围，当矿粉含量远超粉煤灰时，路基材料的承载能力越高，抗剪强度也随之增加，当淤泥、粉煤灰、矿粉比例为7∶1∶2 时，已经达到中高级高速公路路基材料的最低要求。

上述不少学者对建筑废料、砖砼类再生集料等建筑固体废料进行加工后用于路基填料的制备，但是对于赤泥这种化学原料居多且复杂的固体废料的利用与加工研究较少，因此本文旨在对赤泥—石灰土路基材料制备进行介绍，并通过室内试验，对其路基土的性能进行研究。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料与参数

本实验材料主要为赤泥与石灰，其中赤泥选自某铝厂排泄废物中，石灰成为为氧化钙（化学式CaO）氧化钙不低于98%。基本土质选为黄土，黄土取自某建筑工地，挖掘深度为5 m 基坑内部，产地类型为Q3场地，试验用水采用去除水中酸性碱性物质的蒸馏水，目的为排除水中酸碱性对试验的影响。黄土与赤泥的基本物理指标与赤泥分解化学成分酸碱性详见表1、2。

表1 黄土与赤泥基本物理指标

表2 赤泥化学成分表

为研究赤泥-石灰土作为路基土的具体性质，将上述材料固化形成路基土混合料。试验时，将黄土、生石灰、赤泥按照一定的比例进行混合，本试验共制作三组试件其中黄土与生石灰百分比不改变，通过改变赤泥的含量来进行制作试件（其中生石灰与赤泥的比例为干黄土质量百分比）。最终按照击实试验得到的最优含水率与最大干密度进行配比，并制备成由石灰土混合而成的赤泥-石灰固化土。其中制成试件的比例按照表3 进行分类混合。

表3 赤泥-石灰路基土混合料配比表

通过简单地击实试验结果可知，赤泥-石灰土路基填料随着赤泥含量的增加，最优含水率逐渐增加，而最大干密度则与之相反。

1.2 试验方法与设备

为了探究赤泥-石灰土路基材料是否满足路基材料的基本性能，本文通过不同赤泥掺量的抗剪强度试验来检测路基材料试件的抗剪强度是否满足路基材料的强度。通过不同赤泥掺量的渗透性来检测试件的渗透系数是否满足路基材料标准。

直接剪切试验根据《土工试验方法标准》进行，试验中试件养护时间为7d，竖向压强为100 kPa。透水试验首先将试验仪器所需的透水石、滤纸、橡皮膜套好的试件、底座和密封圈等必要部分装好并注水饱和，饱和后的上下反压为200 kPa，渗透仪围压为250 kPa，确保试验仪器内部无气体。待到试件充分饱和后，渗透试验选取50～250 kPa5 个渗透压进行试验，每级渗透压间隔50 kPa。试验记录读数并计算渗透系数，渗透系数见式（1）。抗剪强度试验采用的是应变控制式四联电动直剪仪，渗透试验采用的是柔性壁渗透仪，试验仪器详见图1、图2。

图1 四联电动直剪仪

图2 柔性壁渗透仪

渗透系数k 的计算公式为：

式中：ΔQ 为渗流量；L 为试件长度；ρ 为试验用水的密度；g 为重力加速度，本文为方便计算取g=10 N/kg；A0为试件横截面积；ΔP 为压强差；Δt 为渗流量为ΔQ的时间。

3 试验结果与分析

3.1 直剪试验分析

通过对赤泥含量不同的3 种试件进行直剪试验，分别记录不同应变情况下对应的剪应力，并对剪应力和应变进行记录并绘制赤泥含量不同的应力应变曲线见图3。

图3 赤泥-石灰土剪应力-应变曲线

由图3 可见，通过对赤泥-石灰土路基材料的直剪试验发现，当赤泥-石灰土路基材料随着赤泥含量的增加，其抗剪强度会先增加后减小。当赤泥含量达到30%时，抗剪强度可达200 kPa 以上，当赤泥含量继续增加到40%后，其抗剪强度有所下降，但强度依旧要强于赤泥含量为20%时。这可能是由于加入过量的赤泥之后，吸收的土体中的水分，石灰固化也需要消耗水分，当试件中的水分不足时，使得试件无法有效粘结，从而降低的试件整体的附加强度，也就导致了试件的抗剪强度随之降低。

3.2 渗透试验分析

通过渗透试验，根据不同的渗透压强记录渗透系数所需数据并进行计算，计算结果见图4。

图4 赤泥-石灰土渗透系数曲线

由图4 可知，随着赤泥掺量的增加，赤泥-石灰路基土试件的透水系数逐渐减小，意味着抗渗性能逐渐增强，当赤泥掺量为20%时，其抗渗性能随着渗透压的增大渗透系数极其不稳定，可能是由于赤泥-石灰路基土试件内部反应不充分，导致孔隙和水化胶凝物质过多，导致抗渗性不足，当赤泥含量持续增加时，赤泥-石灰路基土试件的抗渗性能逐渐增强，并且随着渗透压强的增加，虽然渗透系数依旧会发生轻微变动，但幅度并不明显。意味着其抗渗性能也逐渐稳定。