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碱渣膨胀土混合填料路用性能测试

2022-11-04张少波许斌高奥东

中国公路 2022年17期
关键词:填料比率混合

张少波 许斌 高奥东

(1.河北雄安京德高速公路有限公司,北京 100000;2.中路高科(北京)公路技术有限公司,北京 100000)

一、引言

膨胀土在中国分布面积非常广泛,至少存在25个省份中。膨胀土富含蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物,具有裂缝、收缩、超固结等特殊工程性质[1]。如果膨胀土含水量发生变化,其体积就会发生变化,进而出现膨胀或收缩裂缝,对公路、铁路等工程造成破坏,同时,膨胀土引起的危害具有长期性和重复性,膨胀土被称为“工程癌症”[2]。因此,如果在膨胀土地区建设项目,膨胀土应通过技术处理,然后用作填料。

膨胀土改性措施很多,例如土壤置换、湿度控制、物理改性和化学改良。不同修改方法有不同原理和特点。近年来,由于环境保护越来越受到人们的重视,学者们开始使用各种固体废弃物作为膨胀土改良剂,如粉煤灰、高炉矿渣、水泥窑灰、稻壳[3]。

碱渣是碱厂排放的废渣,我国氨碱法年产碱渣5亿吨。因此,它成为碱厂一个急需解决的严重问题[10]。碱渣由碳酸钙、硫酸钙、氯化钙等钙盐组成,可用作土壤养护材料。

本文针对中等膨胀性膨胀土,分析了碱渣与膨胀土混合填料在不同养护期和不同配比下的膨胀率、抗压强度、抗剪强度和加州承载比。研究结果将为今后工程实践提供一些参考。

二、材料

(一)碱渣

在自然状态下,碱渣呈灰色,非常刺鼻。本文所用碱渣基本物理性质如表1所示。可以看出,碱渣天然含水量、液限、塑限相对较高,但塑性指数较低,不存在膨胀。用多晶X射线荧光光谱仪分析碱渣的化学成分,如表2所示。主要阳离子为Ca2+、Na+、Mg2+,主要成分为CaO。其PH值为8.9,呈弱碱性。

表1 碱渣的物理性质

(二)膨胀土

根据《公路工程土壤试验方法》(JTG E40-2007)[13]对膨胀土进行了颗粒组成、极限含水量、压实特性和自由膨胀率试验。由此可以得出结论,膨胀土具有中等膨胀潜力。膨胀土化学成分也通过XRF进行了测试,如表2所示。其主要成分为SiO2和Al2O3。

三、试验方案

(一)掺配比率

本文中掺配比率是碱渣与膨胀土的干质量比。考虑到样品操作可行性和方便性,混合率设计为0%、10%、20%、30%、40%和50%。

表2 碱渣和膨胀土的化学成分

(二)测试方法

为获得碱渣与膨胀土混合填料路用性能,进行膨胀试验、无侧限抗压强度试验、直剪试验和CBR试验。所有试验方法参照《公路工程土壤试验方法》标准。

(三)试验程序

1.碱渣和膨胀土经干燥、筛分后,按设计配比混合均匀。然后加水搅拌混合物,并将其放入密封袋中炖24小时。

2.通过自制样品制备装置[14],可以使用静压法将一定量的混合物压实成标准样品。检查样品表面粗糙度和高度是否符合要求。压实度选择为95%。

3.样品放置在温度为20±3℃,湿度大于95%的标准养护箱中。养护时间设定为0天、7天、14天、28天。

4.当达到特定固化时间时,取出样品,进行两组平行试验,包括膨胀试验、无侧限抗压强度试验、直剪试验和CBR试验。

四、结果和讨论

(一)膨胀率

膨胀土膨胀率是膨胀变形关键指标。掺碱渣后膨胀土无压膨胀率如图1所示。结果表明,随着掺配比率降低,无压膨胀率显著降低。当掺配比率达到20%时,无压溶胀率从15.7%降至3.2%。此外,通过观察混合料膨胀过程,发现当水饱和时,膨胀在前10小时迅速增加,然后变得缓慢,50小时后基本完成。

图1 无压膨胀率随掺配比率的变化图

选择混合率为20%的样品进行膨胀试验,固化时间分别为0天、7天、14天、28天,结果如图2所示。结果表明,随着养护时间增加,膨胀率显著降低。养护7天,无压膨胀率降至0.9%,养护28天,混合物完全消除了膨胀。

图2 无压膨胀率随养护时间的变化图

(二)无侧限抗压强度

图3 无侧限抗压强度随掺配比率的变化图

添加碱渣对混合填料无侧限抗压强度影响,如图3所示。可以观察到碱渣对无侧限抗压强度有明显影响。随着掺配比率增加,无侧限抗压强度逐渐增加,在掺配比率达到30%后,增加速率趋于稳定。这表明,碱渣含量越高,无侧限抗压强度不一定越高。当混合率超过30%时,过多碱渣相当于增加其自身非黏性成分。

如图4所示,养护时间分别为0天、7天、14天、28天时,混合率为20%的样品无侧限抗压强度,凝结时间越长,无侧限抗压强度值越高。7天后,无侧限抗压强度增加到817.5kPa,14天后达到940.5kPa,是原始状态的两倍。超过14天后,随着凝结时间变化,无侧限抗压强度没有显著提高,这表明随着养护龄期的增加,碱渣对稳定土上部强度贡献不大。

图4 无侧限抗压强度随养护时间的变化图

(三)抗剪强度

通过直剪试验测试的抗剪强度指数如图5 所示。可以发现,随着碱渣含量增加,黏聚力(C)先增加后降低,并在掺配比率为30%时达到峰值。未处理土壤的黏聚力为30.19kPa,而掺配比率为30%时的最大黏聚力为104.73kPa,增加235.7%。主要原因是碱渣与膨胀土发生化学反应,生成新的复合物,提高了土壤的密度。内摩擦角(φ)随掺配比率增加变化不大,在25°和29°之间保持稳定。这是由于膨胀土颗粒和改良土颗粒摩擦力大致相等。

(四)加州承载比(CBR)

图5 抗剪强度指数随掺配比率的变化图

图6 CBR随掺配比率的变化图

图7 CBR随养护时间的变化图

CBR用于评估路基材料承载力和抗变形能力。在路基施工中,它是一个非常重要的指标。如图6所示,显示了混合填料CBR值随碱渣的变化。从图中可以看出,原膨胀土CBR小于8%,因此原膨胀土不能直接用于公路路基。碱渣改良后,CBR值大大提高,完全满足公路路基路堤填筑要求。例如,当混合率为30%时,CBR值达到33.6%。此外,凝结时间对混合填料的CBR值有显著影响。凝结时间越长,CBR越高。固化14天后,与未经处理的样品相比,CBR增加了125.6%,28天后增加了162.3%。

五、结语

通过一系列室内试验,对工业碱渣-膨胀土混合填料的路用性能进行综合研究。研究结论如下:

1.碱渣-膨胀土混合料无压膨胀率随掺量增加而显著降低。然而,当掺配比率超过20%时,溶胀率变化不大。溶胀速率与掺配比率呈负指数关系。同时,养护时间对膨胀率有明显影响。养护7天,无压膨胀率降至0.9%,养护28天,混合物完全消除了膨胀。

2.碱渣膨胀土混合料无侧限抗压强度随混合比的增大而增大。当混合比超过30%时,无侧限抗压强度变化很小。此外,养护时间对无侧限抗压强度也有显著影响,如养护14天试样的无侧限抗压强度是未养护试样的两倍。养护时间越长,无侧限抗压强度越高。

3.碱渣膨胀土混合料的粘聚力随混合比的增大先增大后减小。当掺量为30%时,粘聚力达到峰值,是未处理膨胀土的三倍。内摩擦角随掺配比率增加变化不大,在25°~29°之间保持稳定。

4.碱渣膨胀土混合料的CBR值随掺量和凝结时间的增加而增加。固化14天后,与未经处理的样品相比,CBR增加125.6%,28天后增加162.3%。

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