工业废料稳定路基土的无侧限抗压强度及环境影响评价

赵卫琪，方 睿，周 浩，李 娜，姜 屏

(1.绍兴文理学院土木工程学院，绍兴 312000；2.同创工程设计有限公司,绍兴 312000)

0 引 言

化学稳定[1-3]是一种广泛用于改善土壤力学性能的技术，这种技术能够在短时间内使材料获得较高的抗压强度，水泥、石灰就是这类技术中使用较为广泛的材料[4-5]。粉煤灰是火力发电的副产品，具有较高的火山灰活性，可以作为水泥或石灰固化土的外加剂。Mahedi等[6]通过直剪试验研究了石灰对高塑性路堤黏土应力-应变特性的影响，实验结果表明强度随着养护龄期和石灰含量的增加而增加。Indiramma等[7]研究石灰-粉煤灰复掺改善膨胀土的力学性能时发现掺合料提高了土体的最大干容重和强度，土体之间的孔隙由外加剂填充。然而，水泥、石灰的生产是一个能源密集型过程，并且向大气中排放大量的温室气体，是一个重大的环境问题[8-10]。为此，人们迫切地寻找可以替代水泥、石灰的材料来固化土壤。为了考虑成本及环境保护，可以使用一些富含Ca(OH)2的废料与火山灰材料共同使用来产生胶结作用。电石渣是乙炔生产过程中的副产品，主要含有Ca(OH)2。因此可以研究电石渣与粉煤灰对土壤的固化作用。Phummiphan等[11]研究了电石渣-粉煤灰共同稳定红壤土，并且其7 d无侧限抗压强度满足当地轻型和重型交通路面的强度要求。Hanjitsuwan[12]研究了以电石渣为外加剂的碱激发粉煤灰常温固化砂浆的强度发展和耐久性，试验结果表明电石渣与粉煤灰比例为3 ∶7时，在碱活化情况下，砂浆28 d的抗压强度最大。Kampala等[13]研究了电石渣和粉煤灰稳定粉质黏土的抗干湿循环耐久性，以确定其在道路应用的性能，研究表明电石渣单独稳定黏土的抗干湿循环耐久性是低的，但最佳含量下电石渣和粉煤灰可以显著提高粉质黏土的抗干湿循环强度和耐久性。

电石渣改性路基土具有脆性大的缺陷。研究人员[14-16]发现使用纤维作为改善机械性能的方法在土壤改良方面表现良好。Duan等[17]研究了聚丙烯纤维对水泥土力学性能的影响，纤维在一定程度上能够很好地抑制水泥土的侧向变形，改善水泥土的峰值应变和破坏模式。曾军等[18]同样证明了纤维的掺入能够提高水泥土的抗压强度和残余强度，以及到达应力峰值时对应的轴向应变，并且纤维水泥土的破坏模式为塑性破坏。Wang等[19]为了研究聚丙烯纤维对水泥土脆性破坏的改善效果，对不同含量的聚丙烯纤维水泥土进行三轴不固结不排水试验，试验结果表明6%(质量分数)含量的聚丙烯纤维能够最大程度改善其脆性破坏。Jiang等[20]对掺入聚丙烯纤维的铁尾矿粉进行直剪试验，试验结果表明随着聚丙烯纤维掺量的增加，铁尾矿粉的凝聚力先增大后减小，内摩擦角先减小后增大，从能量耗散角度来看聚丙烯纤维的掺入可以改善铁尾矿粉的剪切性能。

本文研究电石-粉煤灰固化土的无侧限抗压强度(unconfined compressive strength, UCS)及对环境的影响，通过无侧限抗压强度来评价电石渣在最优掺量下能否替代同等量的石灰。同时掺入聚丙烯纤维来增强试样的延性，探究聚丙烯纤维的最优掺量。为复掺电石渣、粉煤灰用作道路基层的改良剂提供了参考。

1 实 验

图1 滨海路基土、电石渣、粉煤灰颗粒级配Fig.1 Gradation of subgrade soil, calcium carbide residue and fly ash

1.1 材 料

试验所用材料主要包括路基土、电石渣、石灰、粉煤灰、聚丙烯纤维和水，路基土、电石渣、粉煤灰的颗粒级配如图1所示。

试验所用路基土取自绍兴滨海新城滨江区域，其主要物理性质指标见表1，天然含水量与有机含量占比均为质量分数；试验所用电石渣产自河南郑州，石灰产自江西新余，主要化学组成见表2；试验所用粉煤灰取自浙能绍兴滨海热电有限公司，主要物理性质指标见表3；试验所用聚丙烯纤维由绍兴纤维高新科技有限公司生产，为6 mm短切纤维，其主要物理性质指标见表4；试验所用水为自来水。

表1 路基土主要物理力学指标Table 1 Physical property indexes of subgrade soil

表2 电石渣、石灰主要化学组成Table 2 Main chemical composition of calcium carbide residue and lime

表3 粉煤灰主要物理指标Table 3 Main physical indexes of fly ash

表4 聚丙烯纤维主要物理力学指标Table 4 Main physical and mechanical indexes of polypropylene fiber

1.2 试验方法

1.2.1 UCS试验

(1)试验方案

电石渣含量、石灰含量、粉煤灰含量、聚丙烯纤维含量及含水率按式(1)～(5)确定。

CC=MC/MS×100%

(1)

CL=ML/MS×100%

(2)

CF=MF/MS×100%

(3)

Cp=Mp/(MC+MF+MS)×100%

(4)

CW=MW/(MC+MF+Mp+MS)×100%

(5)

式中：CC为电石渣含量，CL为石灰含量，CF为粉煤灰含量，CP为聚丙烯纤维含量，CW为含水率，上述所述材料含量均为质量分数，单位均为%；MC为电石渣质量，ML为石灰质量，MF为粉煤灰质量，MP为聚丙烯纤维质量，MW为水的质量，MS为路基土干土的质量，上述材料质量单位均为g。

试验中试样含水率固定为20%，固定粉煤灰的掺量为8%，在电石渣掺量为4%、6%、8%、10%的情况下，来寻求电石渣的最优掺量。在电石渣-粉煤灰最优掺量条件下，通过添加0.4%、0.6%、0.8%的聚丙烯纤维，进一步验证聚丙烯纤维对电石渣-粉煤灰固化土的改性效果。试样编号规则为：未浸水组CF、LF、CFP，浸水组SCF、SCFP，其中,C表示电石渣，F表示粉煤灰，L表示石灰，P表示聚丙烯纤维，S表示标准养护6 d后再浸水1 d。UCS试验方案如表5所示。

表5 UCS试验方案Table 5 UCS test protocol

续表

图2 成型后试样Fig.2 Sample after molding

(2)试样制备及养护方法

本试验试样用直径39.1 mm、长80 mm标准模具静压成型，然后用千斤顶脱模，成型后的试样如图2所示。试样制作完成后，用塑料薄膜包裹整个试样，放入标准养护箱，养护箱温度为20 ℃，湿度为95%，养护7 d。对于浸水试验试样标准养护室养护6 d，浸水1 d后测定其无侧限抗压强度。

(3)测试方法

无侧限抗压测试时，剪切速度设为1 mm/min。试验设备使用全自动多功能无侧限抗压机，该设备可通过计算机控制实现试验操作全过程的自动化。对于每组试样，均在相同条件下测试五个试样，以检查测试的一致性。

1.2.2 pH试验

(1)试验方案

本试验中用pH值大小表示腐蚀性高低，纤维对pH值无影响，因此试验暂不考虑添加纤维后的情况，只研究CF试样最优掺量的情况。为了能够更好地模拟土样淋雨后浸出液对环境的影响，采用两种方法来检测土样：1)配制CF土样的浊液，每隔一段时间，测定上清液的pH值，来模拟CF土样被雨水浸泡后对环境的影响；2)配制CF土样的浊液，每隔2 h测定上清液的pH值，每次测定之后，倒出上清液，更换同等质量的纯净水，来模拟CF土样被雨水反复冲刷之后对环境的影响。

(2)制样方法

pH试验时，取UCS试验后的土样，自然风干后研磨通过2 mm筛，采取四分法取10 g土样，放入广口瓶，加纯净水50 mL，土水质量比为1 ∶5，摇晃3 min后测定pH值。

(3)测试方法

所用pH测试仪器为METTLER TOLEDO公司生产的FE28pH计，精确至0.01。每份溶液每次测定两次，取平均值，两次平行误差不超过0.1。

2 结果与讨论

2.1 电石渣的最优掺量

图3显示了不同含量的电石渣与粉煤灰复合改性路基土的应力-应变曲线。结果表明，试样抗压强度存在明显的峰值点，因此该曲线为软化型曲线，且随着电石渣掺量的增加，无侧限抗压强度先增加后减少，并且在电石渣含量为8%时，峰值强度达到最大值。当电石渣掺量为8%时，无侧限抗压强度达到3 625.68 kPa，相较于电石渣掺量为4%、6%、10%时强度提升了124%、114%、124%。

电石渣的主要成分为Ca(OH)2，会与粉煤灰中的SiO2和Al2O3发生火山灰反应，生成不溶于水的水化硅酸钙和水化铝酸钙，由于这两种物质具有极强的胶凝作用，使得土颗粒胶凝成团，提高了路基土的强度。因此，当电石渣掺量增加时，无侧限抗压强度会增加。但当电石渣掺量大于8%时，无侧限抗压强度下降，这是因为粉煤灰含量一定，随着电石渣掺量的增加，试样中的游离的CaO含量增多。

因此，在粉煤灰掺量为8%的前提下，电石渣的最优掺量为8%，掺入比为1 ∶1。

2.2 CF试样应用可行性

在相同的含水率、制样及养护条件下，进一步对比CF试样与LF试样各自配合比在1 ∶1情况下的强度。图4为CF试样与LF试样的应力-应变曲线图。从结果可知，同等掺量下LF试样的抗压强度为3 369.16 kPa，CF试样抗压强度为3 625.68 kPa，强度提升了7.61%。取峰值应变后5%应变时的强度为残余强度[21]，比较发现两者的残余强度几乎相等，大约为186 kPa。因此，在该配合比下可以考虑用电石渣来替代石灰。

图3 不同含量电石渣与粉煤灰改性路基土的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of modified roadbed soil with different content of calcium carbide slag and fly ash

图4 CF试样与LF试样的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of CF specimen and LF specimen

2.3 纤维加筋作用

图5 不同聚丙烯纤维掺量下CFP试样强度对比Fig.5 Comparison of CFP samples strength under different polypropylene fiber content

2.3.1 峰值强度对比

图5所示为不同聚丙烯纤维掺量下CFP试样强度对比，纤维掺量分别为0%、0.4%、0.6%、0.8%，试样分别进行浸水与不浸水试验。从图可以看出，相同掺量下的试样不浸水的强度明显大于浸水试样的强度。对不浸水试样进行分析，试验结果表明，在电石渣、粉煤灰掺量一定的情况下，试样的无侧限抗压强度随着聚丙烯纤维掺量从0%增加到0.6%而提高，但是随着聚丙烯纤维掺量增加到0.8%时，无侧限抗压强度呈现下降趋势。浸水试样无侧限抗压强度变化趋势与不浸水试样变化趋势一致。因此，聚丙烯纤维对加筋试样无侧限抗压强度的最优掺量为0.6%。

上述试验结果可能是由以下原因造成的：

(1)由于纤维的弹性模量远远大于土颗粒的弹性模量，同时又由于变形的协调性，在纤维与土颗粒接触界面上各产生一个平行于界面的切向力，从而使土体的强度得到了加强。纤维被电石渣、粉煤灰火山灰反应产生的胶凝材料包裹，对纤维产生了锚固作用，增强了纤维与土体间的胶结力和摩擦力。

(2)当纤维掺量超过最优掺量时，过多的纤维结团缠绕，形成了纤维与纤维的薄弱界面。当外荷载作用时，水泥土的破坏最先从纤维与纤维的薄弱面开始，导致纤维的抗拉应力没有施展，大大降低了纤维的增强作用。

(3)试样浸水后，纤维与土颗粒之间的界面摩擦力与黏聚力急剧下降，导致强度大大下降。

2.3.2 峰值应变及残余强度

图6所示为不同纤维掺量CFP试样峰值强度对应的轴向应变。从图中可以看出，在相同条件下，CFP试样破坏时的轴向应变远大于CF试样。当聚丙烯纤维掺量为0.4%、0.6%、0.8%时，CFP试样破坏时的轴向应变与纤维掺量为0%相比分别提高了58.6%、85.2%、76.7%。相同纤维掺量下的试样不浸水破坏时的轴向应变与浸水相比较均有所上升，上升幅度达到31.25%、18.93%、24.28%、21.24%。图7所示为不同纤维掺量下CFP试样的残余强度。从图中可以看出，CFP试样的残余强度得到了极大的提高，与不掺纤维相比，残余强度分别提高了380.6%、657.7%、716.5%。进一步发现，试样经过浸水处理后，虽然与不浸水试样相比残余强度下降，但是仍大于未掺入纤维试样的残余强度。说明聚丙烯纤维的掺入有效改善CF试样的脆性，提高试样的延性。其主要原因是电石渣-粉煤灰土颗粒附着在纤维表面，可以增强其黏聚力和摩擦力，纤维能够在加筋土试样已经发生损伤的情况下仍旧提供较好的拉应力，有效减少变形，提高了CF试样的延性和残余强度。

图6 不同纤维掺量下CFP试样峰值应变Fig.6 Peak strain of CFP samples under different fiber content

图7 不同纤维掺量下CFP试样的残余强度Fig.7 Residual strength of CFP samples with different fiber content

表6所示为试样浸水前后质量及强度对比分析。考虑浸水后的质量变化是由于试样吸水的影响，当聚丙烯纤维掺量为0%、0.4%、0.6%、0.8%时，含水率分别提高了3.02%、2.88%、2.70%、2.67%。可以发现随着聚丙烯纤维掺量的增加，试样浸水后的含水率均有所下降，试样的水稳定性随着聚丙烯纤维掺量的增加而有所提高。

表6 不同纤维掺量下CFP试样浸水前后质量及强度Table 6 Quality and strength of CFP samples before and after soaked in water with different fiber content

2.4 破坏模式

图8中(a)～(c)为CF试样的破坏情况，(d)～(f)为CFP试样的破坏情况。从图中可以看出CF试样从受压后变产生贯通裂缝，随着所受压力的不断增大，裂缝不断变宽，当试样破坏时，试样大部分脱落。当加入聚丙烯纤维后，试样裂缝产生时间较长，裂纹扩展速度较慢，同时裂缝并未产生明显的贯通，试样在破坏时并未产生明显的脱落现象。CFP试样在压实后表现出良好的塑性变形，在连续压力的作用下，纤维与土体之间的拉应力虽然已经发生破坏，但仍能持续较长时间。从宏观上看试样发生破裂但并未发生破坏。

图8 试样受压破坏情况图：(a)、(b)、(c)为CF试样的破坏情况；(d)、(e)、(f)为CFP试样的破坏情况Fig.8 Diagram of the damage of samples under pressure： (a), (b), (c) is the damage of CF sample; (d), (e), (f) is the damage of CFP sample

2.5 pH值影响

图9 电石渣掺量与pH值的变化规律Fig.9 Change rule of calcium carbide residue content and pH value

图9为电石渣掺量与pH值的变化规律。由图9可知，随着电石渣掺量的增加，pH值也随之增加，导致水化过程更加剧烈，从而致使更多的Ca(OH)2晶体析出，浊液的pH值上升。结合无侧限抗压强度分析，较高的pH值环境为粉煤灰中SiO2和Al2O3的溶解提供了必需的碱性激发环境，电石渣与粉煤灰发生的火山灰反应更加充分，同时，高碱性环境也会促进硅和铝的溶解，使得火山灰反应持续时间更长。

表7所示为浸泡时间对试样浸出液pH值的影响。由表可知，试样浸出液的pH值较高，浸泡时间在6 h内，试样浸出液的pH值变化并不明显。试样浸泡时间超过6 h之后，浸出液的pH值呈现略微下降趋势，与最高峰相比下降0.33，这是由于浸出液与空气中的CO2等酸性气体发生反应，浸出液的pH值略微降低。可以发现试样浸出液的pH值与存放时间并无显著差异，可以得出试样腐蚀性与存放时间并无显著联系。同时参照《危险废物鉴别标准 腐蚀性鉴别》(GB 5085.1—2007)规范的规定，该土样的pH值未超过规范规定的12.5，因此可以应用于工程实际中。

表7 浸泡时间对试样浸出液pH值的影响Table 7 Influence of soaking time on the pH value of the sample extract

图10展示了在不同雨水冲刷次数下试样pH值变化。由图10(a)可知，随着雨水冲刷次数的增加，试样浸出液的pH值不断减少，说明经过雨水的冲刷之后，CF试样对环境的影响程度逐渐减少。在经过13次雨淋之后，pH值共降低了0.6。以雨水冲刷次数x为横坐标，以pH值y为纵坐标，按照反比例函数进行拟合，如图10(b)所示，得出雨水冲刷次数与pH值之间的关系，拟合方程如式(6)所示，从拟合曲线可以看出其pH值随着雨水冲刷次数的增加还会继续降低。

y=5.277 14x-0.044 32+7 (R2=0.975 56)

(6)

图10 在不同雨水冲刷次数下试样pH值变化Fig.10 pH value of samples under different rain washing times

2.6 微观结构分析

2.6.1 CF掺量的影响

已有研究[22-24]表明，土体的组织结构对土体的力学性能起到至关重要的作用，因此有必要对改良土的微观结构进行分析，探究颗粒大小、孔隙大小及胶结物类型对土体的影响。图11所示为不同掺量下CF试样的SEM照片。图11(c)与其他((a)、(b)、(d))相比较而言可以发现其孔隙率更低，有更多的团聚体，且结构更加的密实。该团聚体是由电石渣与粉煤灰发生火山灰反应的产物引起的，团聚体在土颗粒之间具有良好的编织骨架作用，对孔隙也起到了更好的填充作用，可以清楚地看到电石渣与粉煤灰之间发生火山灰反应引起的胶结产物的存在，这些物质很好的赋予了土体更高的强度和抗变形能力。在图11(d)中，可以清楚的看到过多的游离电石渣的存在，这导致粒状堆积结构的产生，颗粒之间定向排序趋势不明显，整体性较差，土体结构强度的降低。

2.6.2 CFP掺量的影响

图12给出了不同聚丙烯纤维掺量下电石渣-粉煤灰改性土SEM照片。图12(b)、(c)中可以很好发现聚丙烯纤维表明被大量土颗粒和火山灰反应产物附着，这表明土体颗粒与聚丙烯纤维有着良好的结合。由于聚丙烯纤维与土颗粒之间的牢固增强的界面相互作用，能够使得聚丙烯纤维变得更加坚韧，他们能够共同承受外部荷载，将施加的应力分布在更广的区域，并进一步抑制裂缝的扩展。因此，聚丙烯纤维、土颗粒和火山灰反应产物通过胶结、孔隙填充和桥架的共同作用，共同促进了试样内部稳定和相互连通结构的形成。当试样受到外荷载影响时，纤维的桥接作用和火山灰反应的胶结作用可以有效组织裂纹的进一步发展和试样的载荷变形。这也为图6、图8中试样表现出更高的延性和残余强度提供了合理的解释。

由于聚丙烯纤维的进一步添加，在图12(c)中具有0.8%掺量的聚丙烯纤维，扫描电镜照片中也可以明显看到更多的纤维，其中聚丙烯纤维是不均匀随机分布，这可能导致试样内部聚丙烯纤维之间的机械相互作用更加强烈，并可能形成弱表面。同时，由于过多纤维的随机分布，会出现纤维团聚现象。当试样受到外部荷载时，聚丙烯纤维可能会从试样中滑出，滑动破坏最有可能发生在弱表面。0.8%聚丙烯纤维试样强度降低的最大可能就是与聚丙烯纤维的不均匀分布有关。这与Kumar等[25]的研究相似。

图12(b)可以很好地验证聚丙烯纤维与土体之间的界面摩擦。图12(b)显示了聚丙烯纤维的拔出行为，其中在试样表面形成拔出痕迹，并表明了试样破坏机理。当试样受到外荷载作用时，抗拉强度优异的聚丙烯纤维可以进一步防止裂纹的扩展和延伸，直至从试样中拔出。从图12(a)中可以发现纤维末端发生了断裂破坏，这是由于试样只有0.4%的聚丙烯纤维，单位体积下的聚丙烯纤维掺量较少，从而在外荷载作用下，单位体积中的聚丙烯纤维受到的抗拉拔力较大，使得纤维发生了断裂破坏。很明显，图12(b)、(c)中由于单位体积具有更多的纤维，从而使得纤维被拉伸后拔出试样，在土体上留下划痕而非留下断裂破坏的纤维。这也为图5中0.6%聚丙烯纤维掺量的试样强度大于0.4%聚丙烯纤维掺量的试样提供了很好的解释。

图11 不同掺量下电石渣-粉煤灰复合改性土SEM照片Fig.11 SEM images of calcium carbide slag-fly ash composite modified soil with different content

图12 不同聚丙烯纤维掺量下电石渣-粉煤灰改性土SEM照片Fig.12 SEM images of calcium carbide residue-fly ash modified soil with different polypropylene fiber content

3 结 论

(1)电石渣-粉煤灰试样的应力-应变曲线均为应变软化型曲线。当粉煤灰含量为8%时，电石渣含量为8%的试样强度为3 625.68 kPa，达到最大值，与电石渣掺量为4%、6%、10%试样相比，强度提升了124%、114%、124%。电石渣-粉煤灰试样的强度高于石灰-粉煤灰试样的强度，且两者的残余强度相当，因此电石渣可以代替石灰在路基工程上的应用，减少石灰对环境的影响。

(2)聚丙烯纤维能够明显改善电石渣-粉煤灰试样的力学特性。聚丙烯纤维加强电石渣-粉煤灰试样的峰值应变和残余强度均大于不掺聚丙烯纤维的电石渣-粉煤灰试样，说明聚丙烯纤维能够提高试样的强度和延性。而且聚丙烯纤维的掺量存在明显的最优情况，当聚丙烯纤维掺量为0.6%时，试样强度达到最大值。随着聚丙烯纤维掺量从0.4%增加到0.8%，试样浸水后的含水率分别提高了2.88%、2.70%、2.67%，同时试样的水稳定性有所提高。从试样的破坏可以看出，不掺纤维的试样为脆性破坏，掺纤维的试样为塑性破坏，纤维使得试样最终破裂但并未破坏。

(3)电石渣-粉煤灰最优掺量下的试样其pH值与存放时间并无显著联系，并且pH值不超过12.28，可以应用于实际工程。