赤泥基粉砂土击实水敏性试验研究

2022-07-14王玉隆黄家宁刘鹏飞李新明

轻金属 2022年6期

尹松,王玉隆,黄家宁,刘鹏飞,李新明

(1.中原工学院建筑工程学院,河南郑州 450007;2.岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉 430071)

赤泥是氧化铝提炼过程中产生的工业废弃物,在我国以露天堆存为主,其长期堆存不仅占用土地且造成污染,给社会带来一系列环境与经济问题[1]。对赤泥进行改良并实现资源化利用,可缓解其大量堆存所诱发的不利影响[2-3]。

赤泥中含有大量Si、Al等活性物质,将赤泥用于路基填筑,在满足路用性能的同时,也须满足各项环境指标要求。目前学者们对于赤泥的路用性能及其环境影响已开展大量研究,并取得有益结论。如孙兆云等[4]研究发现拜耳法赤泥具有液限高、强度低、水稳性差等特性,程钰等[5]也通过研究得出了类似结论。所以将赤泥用于路基填筑需对其进行改良,在满足路用性能要求的基础上应用。对此,陈瑞峰[6]等研究发现,随赤泥含量的增加,改性黄土的抗压强度和粘聚力逐渐增大;齐建召等[7]利用石灰、水泥等多种材料对赤泥进行改良,得到了满足高等级公路基层强度的配比;张云等[8]将赤泥、水泥、石灰等作为结合料来稳定级配碎石,证明赤泥基半刚性材料满足强度与变形要求。环境影响方面,孙兆云等[9]对两种不同地域赤泥进行危险物含量,浸出毒性及腐蚀性测试,判定两种赤泥均属于第Ⅱ类一般工业固体废弃物;马琳[10]等将赤泥改性固化后铺设试验路基,并进行长期养护和监测,发现赤泥中重金属离子难以迁移到土壤中,且赤泥路基放射性很低,符合规范要求。由此可知,赤泥基改性材料在路用性能及环境影响方面均满足要求,可用作路基填料。

粉砂土在我国广泛分布,利用传统材料对赤泥基粉砂土进行改良并用于路基填筑,以达到消纳赤泥的目的,符合固废资源化利用的发展理念。压实度是公路施工质量的表征指标,而击实特性对压实度的评价非常重要。通过击实曲线的变化趋势可评定土体的水敏性。水敏性越强,土的压实含水率要求越为苛刻,不易达到理想的压实程度。因此,对填筑材料开展击实试验,分析其击实特性及水敏性,对指导填土施工质量控制具有重要意义。

对此,王宇洛等[11]研究发现不同区域及工况下的黄土由于其结构差异,水敏性存在较大差异;孙增奎等[12]发现石灰对软岩的水敏性改良效果显著,而李新明等[13]通过试验发现偏高岭土可有效抑制石灰改良土的水敏性。由此可见,不同类别土的水敏性具有明显差异,不同结合料的加入对土体击实水敏性的影响也不尽相同,所以对于赤泥基改性土的击实水敏性研究要结合改性材料的类别和改性对象进行综合分析和研判。而目前对于赤泥基改性土的击实特性尚未开展系统研究,对其水敏性的研究更是鲜有报道。有必要对掺加不同结合料的赤泥基改性粉砂土进行击实水敏性研究,为赤泥基改性土的路用性能评价提供借鉴。

综上所述,本文开展了不同水泥、二灰(石灰、粉煤灰)掺量下赤泥基改性粉砂土的击实试验,分析不同改性材料及掺配比例条件下土体含水率与干密度之间的变化关系,获得其最大干密度和最佳含水率,并分析其水敏性变化情况。探究不同改性材料与掺量对赤泥基改性粉砂土击实水敏性的影响规律,并探讨赤泥基改性土击实特性的主要影响因素及机理。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用土取自河南省郑州市经开区,赤泥为河南某氧化铝厂的拜耳法赤泥,其基本物理性质指标如表1所示,颗粒级配曲线如图1所示。依据《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)[14]分类可得,试验用土为含细砂的粉质土(简称粉砂土),赤泥颗粒级配不良,细颗粒(≤0.075 mm)含量较多,液塑限较高,亲水性强。赤泥与粉砂土中细颗粒含量分别为90%和35%,利用赤泥改良粉砂土可改善粉砂土的级配特征。

图1 试验材料颗粒级配曲线

表1 试验材料基本物理性质指标

赤泥对环境的污染主要体现在强碱性、重金属毒性浸出及放射性,本文针对以上三个方面对试验用赤泥进行检测,以判断赤泥的环境影响效应。根据《危险废物鉴别标准通则》(GB 5085.7-2019)[15]中相关规定,对赤泥的腐蚀性和浸出毒性进行测试。浸出毒性测试结果见表2～3。由测试结果可知,赤泥pH值未超过规范限值(>2.0,<12.5),各成分的浸出毒性浓度均低于规范限制,不属于危险固体废弃物。赤泥放射性比活度为1.8×103,小于放射性固体废弃物限值7.4×104,属于非放射性固体废弃物[16]。由此可知,试验用赤泥属于一般工业固体废弃物,可用于路基填筑。

表2 赤泥浸出毒性测试结果(1)

水泥为42.5级普通硅酸盐水泥,品质指标如表4所示。粉煤灰等级为2级,细度为225目。试验材料主要化学成分含量如表5所示。

表3 赤泥浸出毒性测试结果(2)

表4 水泥

表5 试验材料的主要化学成分 %

1.2 试验方案

通过表1和图1可发现,赤泥液塑限较高,细粒含量大,必然存在较强的水敏性。为降低赤泥基改性粉砂土的水敏性,考虑利用水泥、石灰和粉煤灰等传统无机结合料,对赤泥基粉砂土进行改良,并对其击实水敏性进行分析和探究。

在赤泥基改性粉砂土基础上,以粉砂土干质量为标准分别加入不同掺配比例的水泥、二灰(简称水泥改性赤泥基粉砂土和二灰改性赤泥基粉砂土),并对其击实特征及水敏性变化规律进行分析。在水泥改性土中,水泥掺量为3%～12%;石灰与粉煤灰之比1∶2为宜,二灰掺量为10%～30%。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)中击实试验方法[14],采用轻型击实仪进行试验,如表6所示。

表6 击实试验方案

2 试验结果与分析

2.1 赤泥基改性粉砂土击实水敏性

不同赤泥掺量下改性粉砂土的击实曲线如图2所示。由图可见,随赤泥掺量的增大,整体击实曲线先向右上方移动,赤泥掺量大于8%时,击实曲线向右下方移动。

图2 不同赤泥掺量的击实曲线

击实曲线的陡峭程度反应了土体的水敏性。击实曲线越陡,说明含水率的变化对干密度的影响越大,土体水敏性越强,不易压实;反之,击实曲线越平缓,土体水敏性越弱,更易压实。观察单一击实曲线变化趋势可得,击实曲线的陡峭程度随赤泥掺量而变化。当赤泥掺量小于11%时,8%赤泥掺量的赤泥基改性粉砂土的最大干密度最大,说明此时土体可以达到更高的压实效果;然而此时击实曲线最陡,表现出的水敏性最强。由此可见,赤泥基改性粉砂土的最大干密度增大,但对其水敏性改良效果不明显。对于8%赤泥掺量的改性粉砂土,在实际施工过程中如需压实至较高的干密度,由于其较强的水敏性,干密度对含水率较为敏感,施工控制难度较大。因此,在选择赤泥掺量时应综合考虑干密度与水敏性的影响。当赤泥掺量大于11%时,随赤泥掺量的增多,击实曲线下降幅度减小,最大干密度趋于稳定,而击实曲线的陡峭程度逐渐增加,土体水敏性逐渐增强。可见赤泥掺量过多时,表现出较强水敏性。整体而言,相较于素土击实曲线,加入赤泥后的击实曲线呈现“左缓右陡”的趋势,赤泥基改性粉砂土的水敏性增强。

根据击实试验结果绘制最大干密度与最优含水率随赤泥掺量变化关系曲线(图3)。可发现,素土最大干密度随着赤泥掺量的增加先逐渐增大,赤泥掺量为8%时达到最大值1.923 g/cm3;随后最大干密度随赤泥掺量增加而减小。且赤泥掺量由8%增加至14%时,最大干密度减小至1.895 g/cm3,降幅为2%,减小幅度较大;赤泥掺量继续增加至23%时,最大干密度减小至最小值1.889 g/cm3,减小幅度较小,降幅为0.3%。最优含水率随赤泥掺量持续增加,由素土时的9.26%,增加至23%赤泥掺量时的13.05%;赤泥掺量小于8%时最优含水率增长较快,大于8%时增长较慢。

图3 最大干密度与最优含水率随赤泥掺量变化曲线

由此可见,赤泥的掺入对土体的击实特性有较大影响,这是由于赤泥的掺入使土体中细粒含量增加,改变了土体的级配。未掺加赤泥时,细颗粒不足以填充土体孔隙,孔隙率较大,密实效果不佳,如图4a所示。赤泥掺量适中时(8%),以粉土粗颗粒形成的骨架结构和填充其间的赤泥颗粒共同形成最密实状态,击实后的土体更加密实,如图4b所示。随赤泥掺量增加,土体中细颗粒含量继续增多,大颗粒被细颗粒裹覆而处于悬浮于状态,骨架结构被破坏,击实过程中细颗粒无法相互填充,密实度降低,如图4c所示。而土体中细颗粒增加至一定含量时,土体中粗颗粒已被细颗粒完全包裹,粗颗粒形成的骨架结构被完全破坏,此状态下继续增加细颗粒含量对土体的最大干密度影响程度减小,因此赤泥掺量大于14%时,最大干密度随赤泥掺量的增加降幅较小。

图4 干密度随赤泥掺量变化示意图

土颗粒表面的吸附水膜在击实过程中起润滑作用,这一作用使土体易于被击实,而赤泥颗粒较细。亲水性强,赤泥的掺入增大了土体的比表面积,使起润滑作用的所需水量增加。另外,赤泥颗粒附带的大量离子,颗粒表面结合水膜较厚,导致最优含水率数值偏高,土体表现出更强的吸水性,因此改性粉砂土的最优含水量随赤泥掺量的增大而增大。

因此,考虑赤泥对于粉砂土击实特性的影响,为增大赤泥的路基填筑用量且保证压实控制质量,需对其进一步改良处理,降低击实水敏性。

2.2 水泥改性赤泥基粉砂土击实水敏性

根据以上试验结果,以粉砂土干质量为标准加入水泥,依据表6试验方案,开展不同赤泥、水泥掺量下的击实试验。图5为同一水泥掺量下,不同赤泥掺量的改性粉砂土击实曲线。可发现,相较于2.1小节赤泥基改性粉砂土,掺加水泥后改性土的击实曲线平缓程度增强。0%赤泥掺量时水泥改性赤泥基粉砂土的击实曲线最为平缓,随赤泥掺量增加曲线的陡峭程度增大。由此可见,掺入水泥后,改性土水敏性均有所改善,但随赤泥掺量的增多改性土的水敏性仍有所增强;且对比发现水泥掺量越多,这一现象越明显。这说明了水泥对赤泥基粉砂土水敏性的改性效果较弱,并未解决改性土随赤泥掺量增多水敏性增强的问题;且对于水敏性改善效果而言,水泥掺量并非越多越好。

图5 不同赤泥掺量的击实曲线

观察整体击实曲线变化趋势可得,各水泥掺量下,随赤泥掺量的增加,击实曲线向右下方移动。最大干密度随赤泥掺量的增加而减小,最优含水率随赤泥掺量的增加而增大,以12%水泥掺量时最优含水率和最大干密度为例进行说明,如图6所示。这一变化趋势与赤泥基改性粉砂土相同,在此不再赘述。

图6 最大干密度与最优含水率变化关系曲线(12%水泥)

2.3 二灰改性赤泥基粉砂土击实水敏性

对不同二灰掺量下的改性赤泥基粉砂土进行击实试验,对不同配比土样进行编号,如表7所示。得到各配比击实曲线如图7所示。由图可见,赤泥基改性粉砂击实土水敏性随二灰掺量的不同呈现明显的规律性。整体而言,二灰改性赤泥基粉砂土击实曲线较为平缓,水敏性较弱。说明二灰对赤泥基改性粉砂土水敏性改善效果良好。进一步分析可得,二灰掺量为10%时,击实曲线最为平缓,水敏性最弱;随二灰掺量增加至20%和30%时,击实曲线平缓程度有所减弱,水敏性增强。说明过大的二灰掺量对土体水敏性的抑制作用有所减弱,二灰掺量并非越多越好。而在相同二灰掺量下,随赤泥掺量的增加,改性土击实曲线逐渐平缓,其水敏性逐渐减小。由此可见,相较于水泥改性赤泥基粉砂土,二灰改性赤泥基粉砂土可以在保证压实质量的前提下,增大赤泥的路用量,且不会因其水敏性强而对压实施工造成不利影响。

表7 二灰改性赤泥基粉砂土配合比

图7 二灰改性赤泥基粉砂土击实曲线

根据击实试验结果绘制不同配合比改性土最大干密度与最优含水率变化关系曲线,如图8所示。由图可见,最优含水率与最大干密度变化趋势根据赤泥掺量的不同可分为三部分。对比可得相同二灰掺量条件下改性土击实特性随赤泥掺量的变化规律。以2、5、8号配比为例,二灰掺量为20%时,随着赤泥掺量的增大,改性土最大干密度逐渐减小,最优含水率逐渐增大,变化规律及机理与赤泥基改性粉砂土相同。以1、2、3号配比为例,赤泥掺量为17%时,随二灰掺量的增加其最大干密度逐渐减小,最优含水率逐渐增大。由于粉煤灰与赤泥相似,其颗粒较细,表面积较大,持水性强,颗粒间摩阻力大,达到最大干密度所需的起润滑作用的水分较多,赤泥基改性粉砂土最优含水率随二灰掺量增加而增大。