電石渣穩(wěn)定土強度特性影響因素分析

栗培龍， 朱德健， 裴儀， 畢嘉宇， 張萬強

(1.長安大學公路學院， 西安 710064； 2.長安大學道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室， 西安 710064)

電石渣是電石水解生產(chǎn)乙炔時的副產(chǎn)品，其主要成分是氫氧化鈣，每噸電石可產(chǎn)生1.2 t電石渣。據(jù)國家發(fā)展和改革委員會統(tǒng)計，2018年電石產(chǎn)量2 608萬t，增長4.7%，可產(chǎn)生超過3 000萬t電石渣。電石渣屬于一般工業(yè)固體廢物，但由于其產(chǎn)量大，大多化工企業(yè)采用堆放和填埋的處置方式，不僅占用大量的土地資源，而且由于其強堿性引起土體及水質(zhì)污染等環(huán)境問題[1]。因此，開展電石渣的綜合利用，具有良好的生態(tài)環(huán)境效益。目前電石渣的主要利用途徑主要有兩個方面，一是生產(chǎn)建筑材料(水泥、混凝土砌塊以及保溫材料)，二是回收和制備化學產(chǎn)品，包括回收乙炔氣、脫除廢氣與制備碳酸鈣、氧化鈣等產(chǎn)品[2-5]。

近年來許多中外學者關注電石渣在道路工程中的應用研究[6-10]。電石渣富含氫氧化鈣，可以固化土壤。Liu等[11]采用電石渣和稻殼灰復合膠凝材料加固膨脹土；Latifi等[12]研究發(fā)現(xiàn)電石渣可以改善高嶺土和膨潤土的工程性質(zhì)；Noolu等[13]將電石渣用于穩(wěn)定黑棉土路基，可以減小反復荷載作用下路基的永久變形；王亮等[14]以電石渣、粉煤灰和堿激發(fā)劑制備了一種鹽漬土固化劑，研究電石渣-火山灰質(zhì)膠凝體系固化鹽漬土的固化機理。石灰被廣泛應用于道路基層中，而電石渣與石灰的主要成分類似，將其應用于道路基層中具有一定的可行性。Varaprasad等[15]用電石渣和芒果核灰改善膨脹土，并用作鄉(xiāng)間道路的基層與底基層；Chindaprasirt等[16]研究電石渣穩(wěn)定紅土的工程性質(zhì)，建立了無側(cè)限抗壓強度、彈性模量和加州承載比(California bearing ratio, CBR)之間的關系，為其用作工程填料提供了依據(jù)。基層是路面結(jié)構(gòu)中的承重層，應具有一定的強度。Hatmoko等[17]研究了養(yǎng)護時間對蔗渣灰-電石渣穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強度的影響；Du等[18]研究了植物灰分含量、電石渣含量、氫氧化鈉含量和養(yǎng)護時間對黏土-植物灰地質(zhì)聚合物無側(cè)限抗壓強度的影響；郭鑠[19]采用稻殼灰和電石渣復合膠凝材料對膨脹土進行改良，并通過無側(cè)限抗壓強度試驗確定稻殼灰和電石渣的最佳配比為65∶35；宮經(jīng)偉等[20]分析了電石渣摻量、火山灰質(zhì)材料、礦渣占比和硫酸鹽含量等影響因素對固化土力學性能的影響規(guī)律，建立了各因素與固化鹽漬土無側(cè)限抗壓強度間的計算模型。

盡管中外學者在電石渣穩(wěn)定土強度機理和力學性能等方面已開展了較多研究，但是電石渣穩(wěn)定土強度的影響因素眾多，涉及設計、施工等方面，加上目前并沒有相關規(guī)范指導電石渣穩(wěn)定土的施工，所以在壓實和養(yǎng)生等施工因素方面仍需進一步研究?；诖?，現(xiàn)通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗，研究電石渣摻量、壓實度、養(yǎng)生溫度和齡期對電石渣穩(wěn)定土強度的影響規(guī)律，以期為電石渣穩(wěn)定土的施工控制及推廣應用提供參考。

1 原材料

試驗采用兩種細粒土(記為土樣1、土樣2)，取自陜西，其顆粒分析結(jié)果和主要物理指標如表1和表2所示，將土樣烘干備用。試驗所用電石渣來自于陜西北元化工集團，呈粉狀，其化學成分如表3所示。

表1 土樣顆粒分析結(jié)果Table 1 Particle size analysis of the soil sample

表2 土樣的物理指標Table 2 Properties of the soil sample

表3 電石渣的化學成分Table 3 Chemical composition of calcium carbide slag

2 試驗設計

2.1 試驗方案

(1)電石渣摻量的影響。結(jié)合兩種土樣的顆粒組成和物理性質(zhì)，提出電石渣的摻量方案。按電石渣與土的質(zhì)量比值計算，土樣1的電石渣摻量擬采用5%、7%、9%、11%、13%，土樣2的電石渣摻量擬采用3%、5%、7%、9%、11%。

(2)壓實度的影響。參考路面基層實際施工的壓實度，分析壓實度對電石渣穩(wěn)定土強度性能的影響。兩種穩(wěn)定土的壓實度擬采用93%、95%、97%。

(3)養(yǎng)生溫度的影響。為研究養(yǎng)生溫度對電石渣穩(wěn)定土強度的影響，確定合理的養(yǎng)生溫度，養(yǎng)生溫度擬采用10、15、20、25、30 ℃。

(4)齡期的影響。為研究電石渣穩(wěn)定土強度隨齡期延長的變化規(guī)律，齡期擬采用7、14、28、60、90、180 d。

2.2 試驗方法

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)，采用靜壓法成型Φ50 mm×50 mm的圓柱體試件，進行無側(cè)限抗壓強度試驗分析兩種電石渣穩(wěn)定土的力學性能。

(1)試樣制備及養(yǎng)護。在不同電石渣摻量下，分別對兩種土樣按照目標壓實度成型電石渣穩(wěn)定土試件。將成型好的試件用塑料袋封閉后放入養(yǎng)護箱(相對濕度95%以上)，在設計養(yǎng)生溫度下養(yǎng)護至目標齡期。

(2)無側(cè)限抗壓強度試驗。采用萬能試驗機測試電石渣穩(wěn)定土試樣的無側(cè)限抗壓強度，根據(jù)式(1)計算試樣的無側(cè)限抗壓強度。

(1)

式(1)中：Rc為試件無側(cè)限抗壓強度，MPa；P為試件破壞時最大荷載，N；A為試件的截面面積，mm2。

3 電石渣穩(wěn)定土的力學性能分析

3.1 電石渣摻量對穩(wěn)定土性能的影響

兩種穩(wěn)定土在不同電石渣摻量下的無側(cè)限抗壓強度如圖1所示。

圖1 電石渣摻量對穩(wěn)定土強度的影響Fig.1 The effect of calcium carbide slag content on the strength of stabilized soil

由圖1可知，隨著電石渣摻量增加，兩種穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當土樣1的電石渣摻量達到9%時，在93%、95%、97%壓實度下穩(wěn)定土的抗壓強度達到最大值0.62、0.82、0.93 MPa；當土樣2的電石渣摻量達到5%時，在93%、95%、97%壓實度下穩(wěn)定土的抗壓強度達到最大值0.53、0.58、0.71 MPa，可據(jù)此確定兩種土樣的最佳電石渣摻量分別為9%和5%。電石渣摻入后，電離出的Ca2+迅速和土體的活性SiO2和Al2O3發(fā)生化學反應，產(chǎn)生膠凝物質(zhì)填充土體顆粒間的空隙更加密實，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強度增加。當電石渣摻量達到一定程度后，土體中活性成分與電石渣充分反應，反應速率接近飽和，多余的電石渣膠結(jié)料消耗大量水分，進而使電石渣與土體間的反應減緩，穩(wěn)定土抗壓強度呈現(xiàn)出降低的趨勢。土樣1的最佳電石渣摻量更多，并且具有更高的抗壓強度，這是因為黏粒(粒徑小于0.005 mm的顆粒)比表面積大具有很高的活性，在與電石渣反應過程中起主導作用，而土樣1具有更多的黏粒含量，強度性能更佳。

3.2 壓實度對電石渣穩(wěn)定土性能的影響

壓實是電石渣穩(wěn)定土形成強度的重要環(huán)節(jié)，不同壓實度下電石渣穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度如圖2所示。

圖2 壓實度對電石渣穩(wěn)定土強度的影響Fig.2 The effect of compaction on the strength of calcium carbide slag stabilized soil

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，對于不同土樣，隨著壓實度的增加，電石渣穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度均顯著增長。壓實度每增大2%，土樣1的7 d無側(cè)限抗壓強度提高20%以上，土樣2的7 d無側(cè)限抗壓強度平均提高10%以上，當齡期達到28 d時兩種電石渣穩(wěn)定土的抗壓強度可提高25%。土質(zhì)對電石渣穩(wěn)定土的壓實特性有重要影響，土樣1塑性指數(shù)大易于拌和碾壓成型，因而提高壓實度對其強度的提升更為顯著。隨著壓實度的增加，電石渣穩(wěn)定土顆粒間的作用力加強，嵌擠緊密、空隙縮小，密度增大，其無側(cè)限抗壓強度變大。當齡期較短時，增加壓實度對電石渣穩(wěn)定土強度的增幅較小，這是因為前期電石渣與土物化作用進程慢，當齡期較長時壓實度對于電石渣穩(wěn)定土強度的提升顯著。增大壓實度使電石渣穩(wěn)定土形成密實整體，能夠有效地提高電石渣穩(wěn)定土的強度。

3.3 養(yǎng)生溫度對電石渣穩(wěn)定土性能的影響

養(yǎng)生溫度是影響電石渣與土物化反應的重要因素，不同養(yǎng)生溫度下電石渣穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度如圖3所示。

圖3 養(yǎng)生溫度對電石渣穩(wěn)定土強度的影響Fig.3 The effect of curing temperature on the strength of calcium carbide slag stabilized soil

從圖3可以看出，隨著養(yǎng)生溫度的增加，電石渣穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度均明顯增長，養(yǎng)生溫度較低時強度增幅較小。養(yǎng)生溫度由10 ℃升高到30 ℃時，兩種電石渣穩(wěn)定土的抗壓強度均可提高50%以上，具有相同的增長趨勢。土樣1的最佳電石渣摻量更高，在相同養(yǎng)生溫度條件下，能夠產(chǎn)生更多的膠凝物質(zhì)穩(wěn)定土體，因而具有更高的抗壓強度。養(yǎng)生溫度升高后，物化反應和硬化過程加快，水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體迅速覆蓋在土顆粒的表面，減小了顆粒間的空隙和透水性并提高了密實度，強度增長快。當齡期變長時，穩(wěn)定土的強度增幅變大，養(yǎng)生溫度每升高5 ℃，土樣1的14 d無側(cè)限抗壓強度平均升高0.14 MPa，28 d無側(cè)限抗壓強度平均升高約0.18 MPa；土樣2的14 d無側(cè)限抗壓強度平均升高約0.1 MPa，28 d無側(cè)限抗壓強度平均升高約0.15 MPa。當養(yǎng)生溫度一定時，養(yǎng)生齡期越長，電石渣和土體間的火山灰作用越持久，產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)越多，后期強度越高。一般在溫度較高的夏季進行施工和養(yǎng)生，有利于快速形成強度。

3.4 齡期對電石渣穩(wěn)定土性能的影響

電石渣穩(wěn)定土需要一定的齡期形成強度，不同齡期下電石渣穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度如圖4所示。

圖4 齡期對電石渣穩(wěn)定土強度的影響Fig.4 The effect of curing time on the strength of calcium carbide slag stabilized soil

由圖4可知，電石渣穩(wěn)定土的強度隨齡期增長而增大，兩種土樣的強度具有相同的增長趨勢。當齡期處于7～28 d時，電石渣穩(wěn)定土的強度增長迅速，這是因為前期電石渣中的Ca2+濃度高，在土中迅速擴散發(fā)生離子交換作用和結(jié)晶作用，能夠快速形成早期強度。當齡期處于28～90 d后，電石渣穩(wěn)定土的強度增長變緩，這是因為火山灰作用發(fā)展緩慢，產(chǎn)生的水化硅酸鈣、鋁酸鈣晶體較少，形成強度較慢。當齡期達到90 d后，電石渣穩(wěn)定土的強度基本形成，強度增長趨于穩(wěn)定。隨著齡期增長，物化反應持續(xù)進行，電石渣穩(wěn)定土的強度仍會進一步增長，但速率變緩。在施工過程中，一定要保證足夠的齡期形成強度。

3.5 基于壓實和養(yǎng)生的強度預估模型

壓實和養(yǎng)生對電石渣穩(wěn)定土的強度形成具有重要影響。結(jié)合前文對壓實度、養(yǎng)生溫度和齡期三種因素的分析，建立了電石渣穩(wěn)定土強度預估模型：

Rc=(a1K+a2)(a3T2+a4T+a5)(a6+e-a7t)

(2)

式(2)中：K為壓實度，T為養(yǎng)生溫度，t為齡期，a1～a7為待定系數(shù)。利用1 stOpt數(shù)學優(yōu)化分析軟件對強度預估模型進行回歸擬合，預估模型計算值與實際值變化曲線如圖5所示，兩種電石渣穩(wěn)定土的強度的擬合公式如表4所示。

圖5 電石渣穩(wěn)定土強度預估模型回歸結(jié)果Fig.5 Regression results of prediction model for the strength of calcium carbide slag stabilized soil

由試驗數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗公式對于兩種土樣都具有較好的相關性，可以有效表征電石渣穩(wěn)定土的強度。根據(jù)建立的模型可以發(fā)現(xiàn)，增加壓實度和養(yǎng)生溫度、延長齡期可以提高電石渣穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度，同一因素對于兩種穩(wěn)定土強度的影響程度不同，增加壓實度和養(yǎng)生溫度對于土樣1的強度提高效果更佳，延長齡期對于土樣2的強度提高效果更好。在施工過程中可以調(diào)整壓實度和養(yǎng)生條件來滿足電石渣穩(wěn)定土的強度要求。

表4 電石渣穩(wěn)定土強度擬合公式Table 4 Fitting formula for the strength of calcium carbide slag stabilized soil

4 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗，研究了4種因素對電石渣穩(wěn)定土性能的影響，得到了以下結(jié)論。

(1)在壓實度一定時，電石渣穩(wěn)定土的強度隨著電石渣摻量增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，土樣1的最佳電石渣摻量為9%左右，土樣2的最佳電石渣摻量為5%左右。

(2)隨著壓實度的增加，電石渣穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度增大。在最佳電石渣摻量下，壓實度每提高2%，兩種電石渣穩(wěn)定土的7 d無側(cè)限抗壓強度分別提高20%和10%以上。為滿足道路底基層的強度要求，在電石渣穩(wěn)定土施工時必須嚴格控制壓實度，土樣1的壓實度應不低于95%，土樣2的壓實度應不低于97%。

(3)隨著養(yǎng)生溫度的升高，電石渣與土體的反應過程加快，穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度增大。養(yǎng)生溫度由10 ℃升高到30 ℃時，電石渣穩(wěn)定土的抗壓強度可提高50%以上。提高養(yǎng)生溫度可以加快電石渣穩(wěn)定土強度的形成，施工結(jié)束后土樣1的養(yǎng)生溫度應在10 ℃以上，土樣2的養(yǎng)生溫度應在20 ℃以上。

(4)電石渣與土發(fā)生的火山灰反應進程緩慢，其強度在較長齡期內(nèi)始終保持增長，但前期增長速度大于后期。

(5)基于壓實和養(yǎng)生建立的電石渣穩(wěn)定土強度預估模型具有較高的擬合精度，可為電石渣穩(wěn)定土的施工提供依據(jù)。