油污泥熱解殘渣處治風積沙路基力學性能研究

冉武平，王亞強，李玲，張珊珊，王帥

（1.新疆大學建筑工程學院，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 830017；3.干旱荒漠區(qū)公路工程技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室，新疆烏魯木齊 830000）

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)的長足發(fā)展，西北荒漠地區(qū)路網(wǎng)密度逐漸提高，風積沙作為荒漠地區(qū)廣泛分布的筑路材料，用于道路建設(shè)不僅可節(jié)約成本，還具有一定環(huán)境效益［1-2］.然而風積沙存在無黏聚性、不易壓實、抗剪性差、穩(wěn)定性不足等不良特性，導致風積沙路基易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，進而引起路面裂縫、車轍和沉陷等結(jié)構(gòu)病害［3-4］.目前使用無機結(jié)合料處治風積沙會加劇路面開裂程度并提高造價，因此尋求更合理的方法處治風積沙路基是當前沙漠公路建設(shè)亟待解決的問題之一.

道路建設(shè)在工業(yè)固廢的處治利用方面有很大潛力［5］，目前關(guān)于工業(yè)固廢在道路工程中的應(yīng)用研究已有很多，Rouabah 等［6］對礦渣的物理、化學和力學特性進行研究，表明礦渣可用作路基骨料.Javed［7］發(fā)現(xiàn)鑄造廢砂的性能滿足路基填料的設(shè)計要求.Huang 等［8］研究表明鎳鐵渣通過少量水泥改性可部分替代路基填料.查進［9］對磷渣、錳渣路基材料的力學性能和收縮特性進行了分析，認為無機結(jié)合料改性后的磷渣、錳渣路基后期強度增高，具有一定自恢復性且抗裂性好.魏功槐［10］研究了油頁巖廢渣的路用性能，得出含黏油頁巖電廠渣具有較大CBR 值，7%水泥穩(wěn)定油頁巖半焦可用作二級及以下公路基層或各級公路底基層.鋼渣作為一種強度高、自然級配好的廢料，其能通過微波加熱的特性，在路面材料中使用可提升鋼渣瀝青混合料路面的自愈能力，同時也有優(yōu)良的抗滑性能［11-12］；鋼渣用作路基填料時可增加水化產(chǎn)物數(shù)量，使路基結(jié)構(gòu)更緊密，并且可提升路基整體性和強度［13-14］.Wang 等［15］對高爐礦渣的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能進行研究，最終研制了配比最佳的注漿材料.Cho 等［16］對廢玻璃用作瀝青混凝土集料的路用性能進行研究，表明其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗滑性等符合規(guī)范要求，且反光性能良好.高昌勝等［17-18］研究了粉煤灰、水泥和硫酸鈉處治油污泥熱解殘渣的工程特性，結(jié)果表明：油污泥熱解殘渣可以作為路基材料使用；用粉煤灰處治的最佳摻量為20%；水泥摻量為4%即可滿足強度要求且經(jīng)濟效益最佳；適量地摻入硫酸鈉（0.3%～0.9%）可改善熱解殘渣路基的多項使用性能.

綜上所述，工業(yè)固廢在道路建設(shè)中作為路基或路面材料已有了較多的研究，但在特殊路基材料中的應(yīng)用研究尤其是風積沙路基的處治研究很少，且油污泥熱解殘渣廢料在道路工程中的應(yīng)用也處于起步階段.鑒于此，本文借助室內(nèi)試驗，對不同油污泥熱解殘渣摻量下處治風積沙路基的工程力學性能進行研究，為其在風積沙路基結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供參考.

1 試驗材料的基本性質(zhì)

1.1 試驗材料成分分析

本文所用油污泥熱解殘渣取自新疆奎屯，且經(jīng)800 ℃高溫處理，外觀為黑灰色；相對密度為2.32，含油率為0.008%，pH 值為8.78，苯并［a］芘含量小于0.66 mg/kg.殘渣的紅外光譜如圖1 所示.由圖1 可知，在3 336.97 cm-1、2 923.66 cm-1、1 608.40 cm-1、1 461.83 cm-1、1 029.84 cm-1、775.27 cm-1處出現(xiàn)明顯的伸縮振動的吸收峰，分別由羥基—OH 鍵、C—H鍵、C=C 鍵、C—C 鍵、C—O 及Si—O—Si 和Al—O鍵引起，表明經(jīng)高溫處理后的殘渣中含有苯酚類、短鏈烷烴類、芳香環(huán)類、長鏈烷烴類有機物和含氧官能團［19-20］.

圖1 熱解殘渣FT-IR光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of pyrolysis residue

圖2 為熱解殘渣的X 射線衍射譜.由圖2 可知，在2θ=27°附近有明顯的SiO2晶體衍射峰，且其衍射峰出現(xiàn)次數(shù)最多，說明SiO2晶體成分含量最多；其次Ca和Al元素也出現(xiàn)了多次衍射峰，表明熱解殘渣中富含元素為Si、O、Ca、Al，主要成分則為SiO2、CaO和Al2O3.

圖2 熱解殘渣XRD譜Fig.2 XRD spectrum of pyrolysis residue

熱解殘渣中也含有較多種類的重金屬元素，如表1所示，包括Cu、Cr、Zn、Ni、Pb、Cd 和Hg，但含量較低，總質(zhì)量比不超過0.03%.

表1 油污泥熱解殘渣重金屬元素質(zhì)量比Tab.1 Mass ratio of heavy metals in pyrolysis residue of oily sludge

殘渣的X 射線能譜分析（EDS）試驗結(jié)果見表2.由表2可得殘渣主要組分SiO2、Al2O3和C約占總質(zhì)量的90%，其余成分則為Na、Mg、Ca、K 和S的氧化物及微量鹽分.

表2 油污泥熱解殘渣元素質(zhì)量及原子分數(shù)Tab.2 Elemental mass fraction and atomic fraction of pyrolysis residue of oil sludge

風積沙的主要礦物成分巖屑、長石和石英占90%以上，其主要化學成分SiO2約占70%，Al2O3和Fe2O3約占15%，其余是MgO、Na2O、CaO、K2O、MnO等，約占15%；易溶鹽和中溶鹽含量較小，均不超過1%，難溶鹽含量不超過10%，屬非鹽漬土，呈弱堿性［21-22］.

綜上可知，殘渣經(jīng)高溫處理后，在現(xiàn)有溫度環(huán)境下性質(zhì)穩(wěn)定，其重金屬及有機污染物含量很少，均滿足排放規(guī)定要求.此外由熱解殘渣與風積沙成分分析可知，在該過程中會發(fā)生化學反應(yīng)生成少量的硅酸鹽與氯酸鹽，進一步提高二者的穩(wěn)定性.

1.2 油污泥熱解殘渣電鏡掃描

油污泥熱解殘渣的電鏡掃描試驗結(jié)果如圖3 所示.由圖3（a）可知殘渣顆粒表面粗糙，形狀不規(guī)則，存在大量寬度在1～60 μm 不等的孔隙；圖3（b）中圓圈所示為粒徑大于75 μm 的較大顆粒，其粒間由數(shù)量較多的直徑在10～40 μm 的小顆粒填充.殘渣中所含的小粒徑顆?？梢蕴畛滹L積沙的空隙，同時粗糙的粒面也可提高風積沙的摩擦力，為熱解殘渣提升風積沙的性能提供微觀尺度的理論支撐.

圖3 熱解殘渣SEM圖Fig.3 SEM of pyrolysis residue

1.3 粒徑分析

本文所用的風積沙取自新疆托克遜縣塔克拉瑪干沙漠邊緣，相對密度為2.71；油污泥熱解殘渣與風積沙的篩分試驗結(jié)果如表3 和圖4 所示.由表3 可知，油污泥熱解殘渣的主要粒徑小于5 mm，粒徑小于0.075 mm 的占比24.10%，此部分含量主要為有機物熱解過后形成的碳粉和細粒粉黏土；粒徑大于5 mm 的占比3.46%，為油污泥中混入的碎礫石.風積沙的主要粒徑在0.075～0.5 mm 之間，占比接近90%，粒徑大于0.5 mm的占比12.10%，幾乎不含粒徑小于0.075 mm 的細粒，顆粒整體較細，粒度分布集中.計算得油污泥熱解殘渣與風積沙的不均勻系數(shù)Cu分別為2.36 和2.28，曲率系數(shù)Cc分別為0.63 和1.00，同屬于不良級配.

圖4 級配曲線Fig.4 Grading curve

表3 試驗材料顆粒粒徑與質(zhì)量分數(shù)Tab.3 Particle size and mass fraction of test material

為全面研究不同油污泥熱解殘渣摻配比下風積沙的工程力學性質(zhì)，殘渣按照質(zhì)量比為5%、10%、15%、20%、25%、30%摻入，級配結(jié)果如圖5所示.

圖5 各摻量級配曲線Fig.5 Gradation curve at different dosage

2 擊實試驗

2.1 風積沙的擊實特性

風積沙采用標準重型擊實試驗得到含水率ω與干密度ρd的關(guān)系如圖6 所示.由圖6 可知，風積沙的干密度與含水率呈典型的雙峰值曲線關(guān)系；風積沙的最大干密度ρdmax為1.89 g/cm3，對應(yīng)的最佳含水率ωopt為10%；干壓實密度為1.74 g/cm3；含水率為4%時得ρdmin為1.69 g/cm3.

圖6 風積沙擊實曲線Fig.6 Compaction curve of aeolian sand

2.2 不同殘渣摻量試樣的擊實試驗

將熱解殘渣和風積沙烘干后進行混合，殘渣摻入的質(zhì)量比如1.3 節(jié)所述，以5%、7%、9%、11%和13%五個含水率梯度配置試樣，燜料24 h 后進行標準重型擊實試驗，得到不同殘渣摻量試樣的擊實結(jié)果如圖7、圖8 所示.由圖7 可知，各殘渣摻量下干密度都隨含水率的增加呈先增大后減小的趨勢；最佳含水率ωopt隨殘渣摻量的增加略有增大，基本為7%，當殘渣摻量為30%時增大到9%；由于殘渣摻量為30%且粒徑小于0.075 mm 的細粒只占總質(zhì)量的7.76%，所以最佳含水率增加并不明顯.

由圖8 可知隨殘渣摻量wpo的增大，最大干密度ρdmax有先增后減的趨勢；殘渣摻量為25%、含水率為7.00%時干密度最大，為2.071 g/cm3.相對于非處治風積沙，處治后的風積沙干密度增大是因為風積沙中缺少0.075 mm 以下的細粒土，而熱解殘渣中含有0.075 mm 以下的細粒礦料所致，因此一定程度上可改善級配組成，填充風積沙孔隙，提高壓實效果，從而提高混合填料的密實度.

結(jié)合圖7、圖8，殘渣摻量為25%且在低含水率（5%～9%）時都有較大干密度，因此可對殘渣摻量為25%的風積沙試樣進行進一步研究.

圖7 不同殘渣摻量試樣的擊實曲線Fig.7 Compaction curves of sampleswith different residue contents

圖8 不同殘渣摻量試樣的最大干密度與最佳含水率Fig.8 Maximum dry density and optimum moisture content of samples with different residue content

3 力學特性試驗

3.1 回彈模量試驗

回彈模量試驗使用室內(nèi)承載板法，試樣含水率7%，壓實度98%，試驗結(jié)果如圖9 所示.由圖9 可知回彈模量Es隨殘渣含量的增加呈先增后減的趨勢，殘渣摻量小于等于15%時回彈模量增長較快，殘渣摻量每增加5%回彈模量平均增大10 MPa；殘渣摻量為15%時回彈模量值最大為160.61 MPa，摻量大于15%后回彈模量開始減小，但減小幅度逐漸降低.隨殘渣含量增加試樣密實度和含水量增大，密實度越大試樣可壓縮性越小，回彈模量值越大.當試樣中大于最佳含水量的水分留存量增加，對沙土的潤滑作用增大，引起體應(yīng)變和累積變形不斷增大，回彈模量逐漸減??；同時細粒含量的增多促使土體孔壓累積效應(yīng)更加顯著，導致沙土有效應(yīng)力減小，回彈模量有所降低.故而隨殘渣摻量的增加，回彈模量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢［23］.

圖9 不同摻量試樣的回彈模量Fig.9 Resilient modulus of samples with different contents

非處治風積沙的回彈模量為131.04 MPa，25%摻量時回彈模量為143.04 MPa，殘渣摻入量為15%和25%時的回彈模量相比于非處治風積沙分別提高了22.57%和9.16%，且摻入殘渣后的試樣回彈模量均大于140 MPa.綜上可知，該風積沙樣品本身回彈模量較大，已滿足路基頂面交通荷載等級為極重時回彈模量不小于70 MPa 的要求，摻入適量油污泥熱解殘渣可顯著提高風積沙路基的回彈模量.

3.2 CBR試驗

CBR 試驗壓實度為98%，含水率7%，試樣擊實成型，分別進行不浸水和浸水4 d 的CBR 試驗，并且測量浸水試件的吸水量與膨脹率，結(jié)果如圖10 所示.可知：

圖10 CBR試驗Fig.10 CBR test

1）不浸水時：風積沙的CBR 值為19.29，摻量5%時CBR 值為36.43，提高了0.89 倍；CBR 隨著殘渣摻量的增加不斷增大，摻量為30%時CBR值為53.58.

2）浸水時：風積沙的CBR 值為5.00，摻量5%時CBR 值為22.42，提高了3.48 倍；浸水后CBR 值也隨殘渣摻量增加不斷增大，并且增幅逐漸升高，摻量為30%時CBR值為47.70.

3）對比來看：兩種工況下CBR 值與殘渣摻量都成正比關(guān)系，CBR 值不斷增大說明密度仍在增大，致使相應(yīng)密度下的強度在不斷增大.浸水后風積沙的CBR 值下降為不浸水的25.92%，說明浸水可明顯降低風積沙的CBR 值；同時對比5%殘渣摻量與非處治風積沙的CBR 值，可發(fā)現(xiàn)摻入少量殘渣即可顯著提升風積沙的CBR 值；再者浸水后各摻量下的CBR值也有明顯降低，摻量為5%、30%時分別降低了38.46%和10.97%，隨著殘渣摻量的增加降幅逐漸減小.

結(jié)合圖8 不同殘渣摻量下的最大干密度曲線來看，隨著殘渣摻量的增加，細粒含量增加，最大干密度呈增大趨勢，因而試樣密實程度增加致使CBR 值不斷增大；再由圖11 可知浸水后試樣的吸水量在不斷減小，內(nèi)摩擦角增大，導致試樣局部抗剪強度增大，因此隨殘渣摻量的增加，試樣浸水后的CBR值也更接近相同摻量下不浸水時的CBR值.

圖11 吸水量與膨脹率Fig.11 Absorption mass of water and expansion rate of specimen

由圖11 可看出吸水量Wa與膨脹率δe整體隨殘渣摻量的增加呈先增后減的趨勢，吸水量最大為255.95 g，膨脹率最大值為2.625‰.相比于非處治風積沙，殘渣中的細粒填充孔隙使比表面積增大，吸水量增大；隨著密實試樣密實程度的提高，吸水量減小，相應(yīng)膨脹量也減小，故膨脹量與吸水量密切相關(guān).

3.3 直剪試驗

直剪試驗豎向壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa.25%殘渣摻量下的剪切試驗結(jié)果如圖12～13 所示.由圖12 可知各級豎向壓力下剪應(yīng)力達到最大值后逐漸減小并趨于穩(wěn)定.取各級壓力下的抗剪強度，得豎向壓力P與抗剪強度S的關(guān)系如圖13 所示.由圖13 可知抗剪強度S與豎向壓力P成線性增長關(guān)系，其線性回歸式為：S=0.665 5P+21.395，可得25%摻量試樣的內(nèi)摩擦角為33.64°，黏聚力為21.395 kPa.

圖12 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Stress-strain curve

圖13 抗剪強度Fig.13 Shear strength

各摻量試樣的直剪試驗計算結(jié)果如表4 和圖14所示.可知風積沙的內(nèi)摩擦角為31.87°，內(nèi)摩擦角φ隨殘渣摻量的增加有先增后減的趨勢，變化幅度較小.由殘渣電鏡掃描結(jié)果可知其不規(guī)則的顆粒形狀，可增大風積沙的內(nèi)摩擦角，同時細粒含量增加會改善試樣級配增大內(nèi)摩擦角；但細粒增多會吸收更多水分，導致內(nèi)摩擦角減小，耦合作用下在殘渣摻量為20%時得到最大內(nèi)摩擦角為34.35°.風積沙的黏聚力c為16.09 kPa，摻入殘渣后黏聚力明顯增大，但隨殘渣摻量的增加黏聚力變化幅度很小，摻量為10%時取得最大值21.58 kPa.

圖14 內(nèi)摩擦角和黏聚力Fig.14 Internal friction angle and cohesion

表4 各摻量的直剪試驗結(jié)果Tab.4 The results of direct shear test of different dosages

風積沙直剪試驗的含水率為其最佳含水率，試驗所得的黏聚力并非風積沙的真黏聚力，實際干沙黏聚力為0.該黏聚力一方面因為土顆粒表面含有結(jié)晶水，為強結(jié)合水，通過化學鍵與礦物緊密連接具有較大黏阻性；在靜電吸力和分子間作用力作用下非飽和土固體顆粒表面形成結(jié)合水膜，遠離礦物表面時作用力逐漸減小，吸附強度變?nèi)?，強結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)槿踅Y(jié)合水，直到自由水；由結(jié)合水引起的毛細管張力、滲透吸力和基質(zhì)吸力等共同作用下，使水膜產(chǎn)生膠連作用從而提升了土顆粒的黏聚力［24-25］.根據(jù)Fredlund 等［26］提出的非飽和土抗剪強度理論，如式（1）所示，其中（ua-uω）tanφb考慮了吸附力的影響，為非飽和無黏性土的假黏聚力τf的來源.

式中：c′為有效凝聚力（kPa）；φ′為有效內(nèi)摩擦角（°）；ua為孔隙氣壓力（kPa）；uω為孔隙水壓力（kPa）；tanφb為吸附力增速.

該吸附力在非飽和無黏性土中即為毛細管水吸力，干燥時土顆?？紫杜c空氣連通，此時只有摩擦力；水分進入土體后在土顆粒表面形成結(jié)合水膜，在低飽和度時水分與空氣可在粒間流動，使土顆粒表面的水膜存在氣、水壓力差，在表面張力反作用下使土顆粒壓縮，增大了顆粒間的內(nèi)聚力［27］.

結(jié)合圖14 可知摻入熱解殘渣后相對于非處治風積沙增大的黏聚力可看作有效黏聚力c′，主要由粉黏細粒提供；然而各摻量試樣中小于0.075 mm 的細粒含量占比分別為1.93%、3.10%、4.26%、5.43%、6.60%、7.76%，細粒含量差異較小，對黏聚力的影響較小.

3.4 無側(cè)限抗壓試驗

選取25%殘渣摻量的試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試件直徑50 mm，高度122 mm，高徑比為2.44；采用一次靜壓成型，脫模后放置于室內(nèi)25 ℃的常溫環(huán)境條件下，如圖15所示.

圖15 無側(cè)限抗壓試件Fig.15 Unconfined compression specimen

試件靜置0 d、0.5 d、1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、60 d和90 d 后分別進行無側(cè)限抗壓強度試驗，并測量壓損試件的含水率，試驗結(jié)果如圖16 所示.可見前3 d的抗壓強度值qu增長迅速，從初始的187.56 kPa增長到第3 d 的334.78 kPa，增長了78.49%，相應(yīng)的含水率從初始的7.00%下降到0.38%，其后抗壓強度的增長和與之對應(yīng)含水率的下降都趨于平緩，表明含水率與試件的強度存在相關(guān)關(guān)系.

圖16 無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果Fig.16 Unconfined compression test results

由圖17可知，在低含水率（＜7%）時隨著含水率的減小，試樣強度不斷增大.試樣失水會引起粒間吸力的增大，含水率對基質(zhì)吸力的影響如式（2）所示，由式（2）可知含水率降低使φ和r同時減小，但分母減小的幅度更大，因此基質(zhì)吸力增大，土顆粒內(nèi)聚力增大［24］.

圖17 含水率與抗壓強度關(guān)系Fig.17 The relationship between water contentand compressive strength

式中：R為土顆粒半徑（m）；α為表面張力系數(shù)；φ為土的兩相鄰顆粒中心線和彎液面切點與土顆粒中心連線之間的夾角（°）；r為兩相鄰顆粒間水膜彎液面半徑（m）.

此外Tresca 準則［28］表明土體的破壞是剪切破壞，當土體內(nèi)任意面τmax＞τ0（剪切屈服應(yīng)力）時就發(fā)生破壞.申春妮等［29］則得出非飽和土抗剪強度與含水率的關(guān)系如式（3）所示.

式中：和分別為黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨著含水率的減小而呈線性增加曲線的傾角（°）.

由式（3）可知隨著含水率的減小，黏聚力項（c0-與摩擦力項均增大，并且含水率變化對黏聚力的影響更為顯著；含水率對顆粒多重吸附作用力都有影響，使水膜的潤滑作用減小，摩擦力增大，因而非飽和土抗剪強度隨含水率減小而增大，致使無側(cè)限抗壓強度增大.

由圖17 得出25%殘渣摻量下含水率與無側(cè)限抗壓強度的擬合關(guān)系如式（4）所示，可見無側(cè)限抗壓強度qu與含水率ω呈冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.980 2.

同時將成型的試樣直接烘干后進行無側(cè)限抗壓試驗，結(jié)果如表5 所示，可見直接烘干與靜置擬合式計算強度值接近.由前述微觀試驗分析知殘渣與風積沙含少量的Na2O 和K2O，會在水溶液中發(fā)生電解反應(yīng)生成OH－，與Ca＋結(jié)合生成Ca（OH）2，最終與CO2反應(yīng)生成CaCO3凝膠，可增強土體強度.當電解作用足夠強烈時，富集的OH－會與難溶氧化物SiO2及Al2O3等反應(yīng)生成大量凝膠，與土體水分結(jié)合形成固化結(jié)晶，從而提高土體強度［30］.但Na2O與K2O含量很少以及水分不斷流失，這些微量氧化物的理化反應(yīng)受到很大阻礙，即使在長時間作用下，化學反應(yīng)可提供的強度也非常有限.

表5 烘干試樣無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果Tab.5 Unconfined compression test results of dried samples

已知25%的殘渣摻量下，14 d 及其后的無側(cè)限抗壓強度均超過400 kPa，90 d 時強度最大為454.60 kPa；任輝明等［31］以毛烏素沙漠風積沙為樣品研究改性風積沙的無側(cè)限抗壓強度，得出摻入5%的32.5 級水泥在93%壓實度下qu，7為460 kPa；阮 波等［32］和李德超［33］得出qu，7分別為480 kPa 和440 kPa，表明該摻量下油污泥熱解殘渣處治風積沙能達到接近少量水泥的處治效果，獲得較高的強度值.

圖18 為該試樣無側(cè)限抗壓強度破壞特征圖，可見試件中部產(chǎn)生的裂縫較多，豎向有斜裂縫貫穿.試樣上下接觸面在摩阻力的限制下阻礙了裂縫發(fā)展和變形，端部產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力；中部所受的約束力最小，在徑向拉應(yīng)力的作用下最先產(chǎn)生裂縫和變形；豎向壓力與徑向摩擦力的合力產(chǎn)生了斜向剪力，剪應(yīng)力引起土顆粒間相互位置變化，使中部邊緣裂縫逐漸向內(nèi)發(fā)展變寬，加大顆粒間的孔隙，從而引起體積變化；當試件強度達到峰值后由于存在殘余應(yīng)力，應(yīng)變持續(xù)增大而應(yīng)力開始減小，直至試件完全剪斷脫落時應(yīng)力降為0；由圖18（c）可見破壞面為斜面，最終試件可形成錐體，為剪切破壞形態(tài).

圖18 無側(cè)限壓破壞形態(tài)Fig.18 Failure mode of unconfined pressure

由莫爾-庫倫強度理論：τf=f（σ），即式（5），表明抗剪強度與正應(yīng)力有關(guān)，正應(yīng)力是破壞面上抗剪強度的單值函數(shù)，當應(yīng)力圓與破壞包線函數(shù)相切或該點在包絡(luò)線以外即導致材料破壞.對于該試樣而言，由式（5）可知破壞面剪應(yīng)力值小于無側(cè)限抗壓強度值，因此破壞面剪應(yīng)力較小，試樣的宏觀變形主要由土顆粒間的相對位移組成，基本不發(fā)生顆粒變形及破碎［28，34］.

3.5 油污泥熱解殘渣處治風積沙長期特性

路基的長期性能主要受環(huán)境和荷載影響，長期性能不足將導致路基強度和穩(wěn)定性衰減，引起道路結(jié)構(gòu)沉降變形和失穩(wěn)破壞；而風積沙路基多在少降水、強蒸發(fā)和大溫差的氣候環(huán)境中服役，在該特殊環(huán)境下油污泥熱解殘渣處治風積沙路基的長期性能主要受溫度變化和行車荷載影響.

首先由圖10 可知油污泥熱解殘渣處治風積沙在浸水時也具有較高的CBR 值，因此即使在降水條件下殘渣處治風積沙路基仍具有較好的穩(wěn)定性和力學性能；同時風積沙和經(jīng)過高溫處理后的油污泥熱解殘渣都具有熱穩(wěn)定性，因此熱解殘渣處治風積沙路基在極端溫度和大溫差的服役環(huán)境中，亦具有較好的穩(wěn)定性.由表2 油污泥熱解殘渣化學元素組成分析可知，熱解殘渣與風積沙富含性質(zhì)穩(wěn)定的SiO2和Al2O3，而活性較強的Na2O、CaO 和K2O 含量不足5%，初期與水拌制后，生成含碳酸鹽、硅酸鹽及氯酸鹽的膠凝水硬性產(chǎn)物，在干燥和弱堿性環(huán)境中，其主要成分和少量生成物之間幾乎不發(fā)生水化反應(yīng)及化學反應(yīng)，由此既可增強風積沙顆粒間的膠結(jié)作用，亦可提高其復雜環(huán)境下的穩(wěn)定性.

其次經(jīng)過油污泥熱解殘渣處治后的風積沙力學性能有顯著提升，熱解殘渣摻量為25%時，試樣的最大干密度相對于非處治風積沙提升了9.6%；非處治風積沙不具有無側(cè)限抗壓強度，但經(jīng)殘渣處治后其值與低劑量水泥處治后的強度接近；回彈模量與CBR 分別提升9.16%和兩倍以上；在不同壓力條件下的抗剪強度均有提升，因此其在荷載作用下的力學穩(wěn)定性顯著提升.其強度提升主要有兩方面原因：其一，熱解殘渣中的細粒對風積沙缺失級配的補充，25%摻量試樣的Cu和Cc分別為2.54 和1.03，較非處治風積沙級配顯著改善；其二，殘渣和風積沙所含礦物成分在水分拌和條件下會發(fā)生膠凝反應(yīng)，可進一步提升處治風積沙的穩(wěn)定性和耐久性.

綜上所述，從服役環(huán)境、化學反應(yīng)和力學性能方面來看，油污泥熱解殘渣處治風積沙路基在特殊服役環(huán)境下具有較非處治風積沙優(yōu)越的環(huán)境穩(wěn)定性和力學性能，能夠滿足路用材料長期性能的要求，完全可作為道路路基材料適應(yīng)長期的復雜服役環(huán)境和荷載條件.

4 結(jié)論

1）隨著油污泥熱解殘渣處治風積沙摻量的增大，各試樣的干密度及所有試樣的最大干密度都呈先增后減的趨勢，熱解殘渣摻量為25%時可得到最大干密度值2.071 g/cm3，最佳含水率的變化不明顯，約為7%.

2）試樣回彈模量與內(nèi)摩擦角也隨殘渣增大呈先增后減的趨勢，風積沙回彈模量為131.04 MPa、內(nèi)摩擦角為31.87°、摻量為15% 時回彈模量最大為160.61 MPa，摻量為20%時內(nèi)摩擦角最大為34.35°，各摻量試樣黏聚力基本都在21 kPa 左右.兩種工況下CBR 值都隨殘渣摻量的增加不斷增大，浸水后非處治風積沙的CBR 值急劇減小，各摻量的CBR 值也明顯減小，但隨殘渣摻量的增加幅度逐漸減小，降幅在38.46%～10.97%之間.

3）25%殘渣摻量試樣的無側(cè)限抗壓強度與含水率呈冪函數(shù)關(guān)系，熱解殘渣與風積沙基本不發(fā)生化學反應(yīng)；14 d 及14 d 之后的無側(cè)限抗壓強度值均超過400 kPa，90 d 時為454.60 kPa，接近低摻量水泥改性風積沙的強度.

綜合上述，摻入適量的油污泥熱解殘渣可明顯改善風積沙的各項工程力學特性，油污泥熱解殘渣處治風積沙可以作為路基填料使用.