油污泥熱解殘?jiān)牧夹陆}漬土回彈模量試驗(yàn)研究

冉武平，李世彤， 陳遠(yuǎn)國(guó)

(1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017;2.新疆土木工程技術(shù)研究中心,新疆 烏魯木齊 830047；3.新疆錦恒利廢礦物油處置有限公司,新疆 烏魯木齊 830091)

0 引言

據(jù)2015年第二次全國(guó)土壤普查資料顯示，新疆地區(qū)鹽漬土面積約占我國(guó)鹽漬土面積的45.7%，鹽漬土嚴(yán)重制約著新疆公路基礎(chǔ)建設(shè)的步伐，鹽漬土的處治嚴(yán)重影響路基質(zhì)量[1]，也是公路施工質(zhì)量保障的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2]。要想加速公路在此地區(qū)的發(fā)展，首先要解決的就是鹽漬土路基所帶來(lái)的一系列問(wèn)題，目前新疆地區(qū)改良鹽漬土常用的換填等方式存在運(yùn)距遠(yuǎn)、造價(jià)高且易造成次生鹽漬化[3]等工程實(shí)際問(wèn)題，將熱解后的油污泥熱解殘?jiān)糜谂渲坡坊牧希粌H能夠提高鹽漬土的強(qiáng)度[4-5]，而且能夠彌補(bǔ)換填用量大成本高的缺陷，亦能達(dá)到廢物利用的目的，同時(shí)還可為油污泥熱解殘?jiān)馁Y源化利用提供一種有效方法。因此本文通過(guò)回彈模量試驗(yàn)，研究不同油污泥熱解殘?jiān)鼡脚浔葘?duì)不同類型鹽漬土的影響，并提出較優(yōu)摻配比，以期在推動(dòng)油污泥熱解殘?jiān)Y源化利用發(fā)展進(jìn)程的同時(shí)，為其應(yīng)用于公路路基材料領(lǐng)域提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

由于新疆地區(qū)平原盆地面積占新疆總面積的51.8%[6]，而平原盆地邊緣是以巨粒土和粗粒土為主的戈壁天然砂礫[7]，因此本文為更加貼近公路建設(shè)實(shí)際，決定選用自配粗粒礫類鹽漬土展開(kāi)后續(xù)研究，土樣基本性質(zhì)指標(biāo)與級(jí)配見(jiàn)表1。鹽漬土作為工程中的一種特殊類型土，在《新疆鹽漬土地區(qū)公路路基路面設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》等規(guī)范[8]與參考文獻(xiàn)[9]中都有定義，鹽漬土指易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的巖土。以新疆某地區(qū)為例，年均降水量為40～82 mL，年均蒸發(fā)量為1 800～2 560 mL[10]，由此發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)降雨量少且蒸發(fā)量大的特殊氣候特征，會(huì)使得地層土體存在大量隨水鹽遷移與強(qiáng)蒸發(fā)作用滯留在土體中的易溶鹽含量大于0.3%的鹽顆粒，所以本試驗(yàn)選取規(guī)范[11]中弱、中、強(qiáng)鹽漬土開(kāi)展試驗(yàn)工作，鹽以質(zhì)量百分比的方式添加。鹽選用天津永晟精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)，氯鹽與硫酸鹽的pH(50 g/L，25 ℃)為5～8，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 自配土基本性質(zhì)指標(biāo)及級(jí)配Table 1 Basic property index and gradation of self-distributed soil

表2 鹽主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of salt %

截至到2015年新疆各油田累計(jì)產(chǎn)生油污泥已經(jīng)達(dá)到1.66×105m3，且仍在逐年增加[12]。油污泥熱解殘?jiān)怯捎臀勰嗤ㄟ^(guò)熱解法處理后殘余的主要產(chǎn)物，針對(duì)油污泥熱解殘?jiān)馁Y源化利用,現(xiàn)有研究主要集中在吸附劑、催化劑、絮凝劑和制取富氫燃?xì)獾确矫鎇13]。然而這些資源化利用方式并不能高效利用油污泥熱解殘?jiān)?，?dǎo)致大量的油污泥熱解殘?jiān)蝗我舛逊牛^而對(duì)周邊環(huán)境造成污染，將油污泥熱解殘?jiān)糜谥苽渎坊牧鲜禽^好的變廢為寶的技術(shù)措施。試驗(yàn)所用油污泥熱解殘?jiān)∽孕陆\恒利廢礦物油處置有限公司，為灰棕色固體，如圖1所示，其主要化學(xué)成分與粉煤灰類似[5]，具體如下：Al2O3為14.5%，F(xiàn)e2O3為5.03%，CaO為5.26%，SiO2為54.2%，BaO為2.7%，Na2O為1.5%，SO3為3.52%，Loss為12.95%。無(wú)害化處理樣品檢測(cè)結(jié)果如下：六價(jià)鉻<2 mg/kg，銅43.2 mg/kg，鋅114 mg/kg，鎳44.5 mg/kg，鉛15.3 mg/kg，鎘2.48 mg/kg，砷4.04 mg/kg，苯并笓<0.66 mg/kg，含油率0.816%，該樣品檢測(cè)結(jié)果符合DB 65/T 3998-2017《油氣田含油污泥綜合利用污染控制要求》中污染物限值要求，是一種可直接利用且對(duì)周邊環(huán)境無(wú)不良影響的改良材料。

圖1 油污泥熱解殘?jiān)麱igure 1 Pyrolysis residue of oily sludge

路基回彈模量試驗(yàn)是我國(guó)路面設(shè)計(jì)重要力學(xué)參數(shù)，路基回彈模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、使用性能和使用壽命起著十分重要的作用[15]，因此選取土的回彈模量試驗(yàn)對(duì)改良鹽漬土進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。試驗(yàn)方案見(jiàn)表3，為適用不同地區(qū)鹽漬土鹽漬化程度的差異，方案中含鹽量選取JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中對(duì)鹽漬土按鹽漬化程度進(jìn)行分類后不同鹽類型粗粒土的弱鹽漬土、中鹽漬土和強(qiáng)鹽漬土含鹽量作為試驗(yàn)摻量；方案中油污泥熱解殘?jiān)鼡搅繌?%開(kāi)始，以5%遞增。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test plan

1.1 擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]，壓實(shí)度94%能夠滿足三、四級(jí)公路路床和高速公路、一級(jí)公路與二級(jí)公路路堤壓實(shí)度需求，因此本文控制壓實(shí)度為94%。高志偉[16]等分別選取新疆地區(qū)東疆、北疆、南疆各典型路段埋設(shè)濕度傳感器對(duì)公路路基含水量年變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)3個(gè)區(qū)域中在新疆喀什地區(qū)存在含水量最大值8.2%，因此本文選定最不利含水率8%作為室內(nèi)試驗(yàn)自配土最大含水率開(kāi)展擊實(shí)試驗(yàn)。根據(jù)JTG E40-2007《土工試驗(yàn)規(guī)程》[17]確定采用重型擊實(shí)法，分3層擊實(shí)，擊實(shí)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可看出自配土的最佳含水率為6%，最大干密度為2.36 g/cm3。

圖2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Figure 2 Compaction test results

1.2 土的回彈模量試驗(yàn)

試驗(yàn)采用JTG E40-2007《土工試驗(yàn)規(guī)程》[17]中的強(qiáng)度儀法對(duì)改良鹽漬土開(kāi)展研究，許文輝[18]等專門(mén)針對(duì)新疆礫類土進(jìn)行回彈模量研究，發(fā)現(xiàn)礫類土回彈模量范圍在84～125 MPa之間，且在最佳含水率下進(jìn)行擊實(shí)，能夠使得強(qiáng)度更為穩(wěn)定。因此本試驗(yàn)用最佳含水率下?lián)魧?shí)后的試件開(kāi)展回彈模量試驗(yàn)，將擊實(shí)后的試件和試筒放在強(qiáng)度儀的升降臺(tái)上，將強(qiáng)度儀的貫入桿對(duì)正，首先進(jìn)行預(yù)壓，這一步驟主要目的是模擬施工期間路用材料所承受的應(yīng)力，以消除壓實(shí)和反復(fù)加卸載等差異因素的影響，從而降低回彈模量的變異性[19]。預(yù)壓過(guò)后將預(yù)定的最大壓力分為4～6份進(jìn)行逐級(jí)加載、卸載過(guò)程并記錄數(shù)據(jù)。回彈模量按式(1)進(jìn)行計(jì)算，最終回彈模量為3組平行試驗(yàn)的平均值。

(1)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 油污泥熱解殘?jiān)鼡搅繉?duì)改良鹽漬土影響結(jié)果與分析

油污泥熱解殘?jiān)鼡搅颗c改良氯鹽漬土和硫酸鹽漬土回彈模量關(guān)系結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 殘?jiān)鼡搅颗c氯鹽漬土回彈模量關(guān)系Figure 3 The relationship between residual content and resilience modulus of chlorine saline soil

由圖3可看出：所有氯鹽漬土試件回彈模量均大于84 MPa，與許文輝[18]等研究規(guī)律類似，回彈模量滿足規(guī)范要求。從柱狀圖可看出摻加油污泥熱解殘?jiān)娠@著提高氯鹽漬土回彈模量，回彈模量隨油污泥熱解殘?jiān)鼡搅康卦黾映尸F(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的變化趨勢(shì)，殘?jiān)鼡搅吭?%～5%階段對(duì)回彈模量提升較為顯著，而在5%～10%階段提升作用減緩，在10%～15%階段出現(xiàn)下降趨勢(shì)。SAYED[20]等研究了原油對(duì)于不同類型巖土的力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)會(huì)由于油等烴類流體的低介電常數(shù)導(dǎo)致土樣的黏聚力增加。因此認(rèn)為當(dāng)殘?jiān)鼡搅坑?%不斷增長(zhǎng)到10%的過(guò)程中，由于含油量的增加使得粗粒土黏聚力得到大幅改善，并且油污泥熱解殘?jiān)煞峙c粉煤灰類似，改良中存在一些相似的物理化學(xué)作用[21-22]從而使回彈模量有較大提升。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)氯鹽含量為2%時(shí)，不同殘?jiān)鼡搅康母牧纪粱貜椖Ａ枯^自配土分別增加了12.6%、34%、23.2%；當(dāng)氯鹽含量為5%時(shí)，不同殘?jiān)鼡搅康母牧纪粱貜椖Ａ枯^自配土分別增加了10.3%、14.8%、12.5%；當(dāng)氯鹽含量為8%時(shí)，不同殘?jiān)鼡搅康母牧纪粱貜椖Ａ枯^自配土分別增加了51.3%、57.2%、51.2%。其中油污泥熱解殘?jiān)鼡搅繉?duì)氯鹽漬土的提升存在一個(gè)峰值，由本試驗(yàn)確定該值存在于10%處。

圖4 殘?jiān)鼡搅颗c硫酸鹽漬土回彈模量關(guān)系Figure 4 The relationship between the amount of residue and the resilience modulus of sulfuric acid saline soil

由圖4可看出：所有硫酸鹽漬土試件回彈模量均大于84 MPa，回彈模量滿足規(guī)范要求，油污泥熱解殘?jiān)膿郊语@著提高了硫酸鹽漬土回彈模量，其回彈模量隨油污泥熱解殘?jiān)鼡搅康脑黾樱尸F(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，且規(guī)律與氯鹽較為一致，均在殘?jiān)鼡搅繛?%～5%階段回彈模量提升較為顯著，而在5%～10%階段提升作用減緩，在10%～15%階段出現(xiàn)下降趨勢(shì)。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)硫酸鹽含量為1.5%時(shí)，不同殘?jiān)鼡搅康母牧纪粱貜椖Ａ枯^自配土分別增加了54.8%、60.6%、54.1%；當(dāng)硫酸鹽含量為3%時(shí)，不同殘?jiān)鼡搅康母牧纪粱貜椖Ａ枯^自配土分別增加了51.5%、73.6%、71.5%；當(dāng)硫酸鹽含量為6%時(shí)，不同殘?jiān)鼡搅康母牧纪粱貜椖Ａ枯^自配土分別增加了88.9%、92%、67.3%。其中油污泥熱解殘?jiān)鼡搅繉?duì)硫酸鹽漬土的提升存在一個(gè)峰值，由本試驗(yàn)確定該值存在于10%處。

2.2 鹽含量對(duì)改良鹽漬土影響結(jié)果與分析

鹽含量與改良氯鹽漬土、硫酸鹽漬土回彈模量關(guān)系結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 鹽含量與氯鹽漬土回彈模量關(guān)系Figure 5 Relationship between salinity and resilience modulus of chlorine saline soil

由圖5可看出：摻加油污泥熱解殘?jiān)蟮穆塞}漬土回彈模量均大于自配土，說(shuō)明摻加油污泥熱解殘?jiān)軌蛴行嵘至Ｍ恋幕貜椖Ａ?；結(jié)合圖3不難發(fā)現(xiàn),中氯和強(qiáng)氯鹽漬土的回彈模量本就大于弱氯鹽漬土，說(shuō)明氯鹽漬土的回彈模量本身就會(huì)隨著鹽含量的增加而提升；當(dāng)氯鹽含量小于2%時(shí)，油污泥熱解殘?jiān)牧见}漬土的改良效果不明顯，使得這一階段回彈模量與鹽含量負(fù)相關(guān)，當(dāng)氯鹽含量大于2%時(shí)，油污泥熱解殘?jiān)牧见}漬土的改良效果，隨著含油量和物理化學(xué)作用的提升，使得這一階段回彈模量與鹽含量呈現(xiàn)正相關(guān)。回彈模量隨鹽含量的增加而逐漸增強(qiáng)這一規(guī)律與MIURA[23]、ONITSUKA[24]和MOHD YUNUS[25]等采用水泥或石灰對(duì)鹽漬土進(jìn)行改良試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律基本一致，與徐安花[26]等對(duì)青海地區(qū)鹽漬土回彈模量研究得出的回彈模量隨鹽含量的增長(zhǎng)逐漸上升的規(guī)律一致。

由圖6可看出：摻加油污泥熱解殘?jiān)蟮牧蛩猁}漬土回彈模量均大于自配土，說(shuō)明摻加油污泥熱解殘?jiān)軌蛴行嵘至Ｍ恋幕貜椖Ａ?，由圖可以發(fā)現(xiàn)不同油污泥熱解殘?jiān)鼡搅康母牧纪?，其回彈模量均隨含鹽量的增加呈現(xiàn)先增大后減小,最終趨于平緩的趨勢(shì)，由本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)回彈模量與鹽含量的關(guān)系存在一個(gè)臨界值，本文確定該值存在于1.5%含量處，LV[27]等研究含鹽量對(duì)經(jīng)過(guò)不同固化劑固化后的硫酸鹽漬土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在1.8%含鹽量處，這一結(jié)論與本試驗(yàn)規(guī)律較為相似。

圖6 鹽含量與硫酸鹽漬土回彈模量關(guān)系Figure 6 Relationship between salt content and the resilience modulus of sulfuric acid saline soil

3 結(jié)論

本文為了研究油污泥熱解殘?jiān)牧夹陆貐^(qū)鹽漬土的回彈模量，使其能夠更有效地應(yīng)用于工程實(shí)例，分別選取不同含鹽量和油污泥熱解殘?jiān)鼡搅康母牧纪猎嚇舆M(jìn)行了回彈模量試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析得到以下結(jié)論：

a.不同油污泥熱解殘?jiān)鼡搅康母牧悸塞}漬土和硫酸鹽漬土，回彈模量均滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求且有較大提升，說(shuō)明油污泥熱解殘?jiān)梢杂糜谥坡坊牧系耐瑫r(shí)，還能提升土體強(qiáng)度。

b.對(duì)于氯鹽漬土，其回彈模量隨鹽含量的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)于弱鹽漬土(鹽含量為2%)、中氯鹽漬土(鹽含量為5%)和強(qiáng)氯鹽漬土(鹽含量為8%)，油污泥熱解殘?jiān)鼡搅恳诉x擇改良土回彈模量提升峰值時(shí)的10%作為較優(yōu)摻配比。

c.對(duì)于硫酸鹽漬土，其回彈模量隨鹽含量的增加呈現(xiàn)先增大后降低再至平緩的趨勢(shì)，鹽含量峰值為1.5%，對(duì)于弱鹽漬土(鹽含量為1.5%)、中鹽漬土(鹽含量為3%)和強(qiáng)鹽漬土(鹽含量為6%)，油污泥熱解殘?jiān)鼡搅恳诉x擇改良土回彈模量提升峰值時(shí)的10%作為較優(yōu)摻配比。

d.將油污泥熱解殘?jiān)糜诟牧夹陆貐^(qū)鹽漬土路基，不僅能為油污泥熱解殘?jiān)业揭环N高效的資源化利用方式，而且還能為改良鹽漬土路基提供一種新方法。