米棟云,李　熠,2,田高源,董曉強(qiáng),2

(1.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 山西太原030024；2.山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西太原030006)

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赤泥摻入對(duì)水泥土滲透系數(shù)的影響

米棟云1,李熠1,2,田高源1,董曉強(qiáng)1,2

(1.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 山西太原030024；2.山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西太原030006)

為了研究赤泥的摻入對(duì)水泥土滲透系數(shù)的影響，通過(guò)將不同量的赤泥摻入到水泥土中，進(jìn)行不同滲透壓和不同齡期下的水泥土滲透試驗(yàn)，繪制赤泥摻入量、滲透壓、養(yǎng)護(hù)齡期與水泥土滲透系數(shù)的相互關(guān)系曲線(xiàn)，進(jìn)而分析赤泥的摻入對(duì)水泥土滲透系數(shù)的影響。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：赤泥的摻入極大地減小水泥土的滲透系數(shù)，有助于提高水泥土的抗?jié)B性；隨著滲透壓和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，不同赤泥摻入量的水泥土的滲透系數(shù)變化趨勢(shì)一致，基本保持穩(wěn)定。

赤泥;滲透系數(shù);固化劑;滲透壓

0　引　言

赤泥是一種化學(xué)成分十分復(fù)雜的工業(yè)廢料，隨著氧化鋁工業(yè)的快速發(fā)展，大量的赤泥堆積在農(nóng)田、建設(shè)用地，污染土壤和地下水源，嚴(yán)重地影響了人們正常的生活和工作。近年來(lái)，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸地提高，迫切地需要解決赤泥帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，提高赤泥的綜合利用率和增加利用赤泥的方案。許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了研究，Kumar等[1]提出將赤泥用來(lái)制作水泥，并且對(duì)水泥赤泥混凝土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究；Senff等[2]研究了將赤泥運(yùn)用于砂漿中，并且研究了赤泥砂漿的流變和硬度；齊建召等[3]將赤泥運(yùn)作道路基層材料；滲透性是土的基本的力學(xué)性質(zhì)之一[4]，在實(shí)際工程中有著重要的影響作用。由于影響土的滲透性的因素很多，準(zhǔn)確地測(cè)試土的滲透系數(shù)就比較困難，近年來(lái)土的滲透性的研究逐漸成為土木工程界的主要課題之一，Kamiya等[5]開(kāi)發(fā)了一種新的方法測(cè)試透氣性，研究孔隙中的氣體對(duì)非飽和土的滲透系數(shù)的影響；Park[6]研究通過(guò)建立ANN模型來(lái)合理估算滲透系數(shù)的可能性；Huang等[7]采用特殊的三軸滲透儀，使得能夠在凈正應(yīng)力和吸力值的各種組合下，直接測(cè)量滲透系數(shù)；Dolzyk等[8]采用一系列公式預(yù)測(cè)非塑性土壤的滲透系數(shù)和進(jìn)行八個(gè)不同土壤孔隙率的室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)比較土壤的滲透系數(shù)；顧正維等[9]關(guān)于固化土滲透性的試驗(yàn)研究，對(duì)止水帷幕的設(shè)置有指導(dǎo)意義；張虎元等[10]利用柔性壁滲透儀測(cè)定膨潤(rùn)土改性黃土的滲透系數(shù)，并且利用掃描電鏡照片分析了膨潤(rùn)土改性黃土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，揭示了改性黃土滲透系數(shù)變化的原因；湯怡新等[11]通過(guò)大量的試驗(yàn)，探討分析了水泥土的幾個(gè)重要工程特性，主要包括水泥土的滲透性、抗壓強(qiáng)度、早期抗剪強(qiáng)度。楊波等[12]進(jìn)行了原狀黃土和重塑黃土的柔性壁滲透試驗(yàn)的對(duì)比，分析了滲透過(guò)程中滲透系數(shù)、孔隙比、土體變形的變化關(guān)系，進(jìn)而研究了土體結(jié)構(gòu)的變化。本文提出一種新的利用赤泥的方案，通過(guò)將赤泥按一定的比例和水泥混合，構(gòu)成固化劑，對(duì)黃土進(jìn)行固化，主要研究不同比例赤泥和水泥的固化劑固化土體后，固化土的滲透性能變化，試驗(yàn)研究對(duì)于固化土在工程領(lǐng)域抗?jié)B方面的運(yùn)用有著重要的參考價(jià)值。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用黃土取自山西太原東山地區(qū)，取土深度為4～5 m，其基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1，試驗(yàn)所用的赤泥，取自山西柳林鋁廠，顏色呈紅褐色，為拜耳法赤泥，其主要化學(xué)成分及含量見(jiàn)表2。

表1　黃土基本物理指標(biāo)Tab.1　Basic physical properties of the soil

表2　赤泥主要化學(xué)成分Tab.2　Main chemical composition of red mud

1.2試樣制備

黃土：取預(yù)定質(zhì)量的黃土，搗碎，放置于100 ℃的烘箱中，烘干24 h，充分烘干后取出，過(guò)2 mm篩；赤泥：首先要經(jīng)過(guò)碾碎、烘干，然后用球磨機(jī)研磨1 h，過(guò)0.075 mm篩。將上述處理后的赤泥與水泥按照配合比(赤泥∶水泥)為0∶1、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1混合，組成不同配合比的固化劑，固化黃土。在最優(yōu)含水量下，加水濕拌均勻后，按照混合料的密度1.83 g/cm3稱(chēng)取每個(gè)試樣的用量，分兩次裝入試樣模具，制備底面直徑為5 cm，高為5 cm的圓柱形試樣，靜壓1 h后，脫去試模，將制備好的圓柱形試樣放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，且設(shè)置養(yǎng)護(hù)箱的參數(shù)：溫度為20 ℃、濕度為95%。

1.3滲透試驗(yàn)

圖1　柔性壁滲透儀試驗(yàn)裝置原理圖Fig.1　The principle of flexible wall permeameter

試驗(yàn)中所采用的滲透儀是柔性壁滲透儀，如圖1所示。在滲透儀上安置土樣的順序?yàn)橥杆?、濾紙、土樣、濾紙、透水石，然后用乳膠薄膜包裹土樣并用橡膠圈套住上下薄膜口，減小了滲透過(guò)程中側(cè)壁漏水的問(wèn)題，提高滲透試驗(yàn)精度。試驗(yàn)方法參照ASTM-D5084—10標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定固化土的滲透系數(shù)。

試驗(yàn)準(zhǔn)備，為了充分飽和土樣，在滲透儀上設(shè)置土樣上部反壓和底部反壓分別為200 kPa，保持24 h。待土樣飽和后，撤去土樣上部壓強(qiáng)，設(shè)置五組的滲透壓分別為50、100、150、200、250 kPa，且設(shè)置圍壓始終高于滲透壓50 kPa，每次應(yīng)在滲透速率穩(wěn)定之后再記錄數(shù)據(jù)，每隔35 min后逐級(jí)增加滲透壓，依次記錄在5組壓力差下的滲透速率。最后根據(jù)公式計(jì)算不同固化劑配比的土樣在不同滲透壓下的滲透系數(shù)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1赤泥的摻入對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖2為固化土滲透系數(shù)隨著赤泥摻入量增加的變化曲線(xiàn);圖3為固化土(不含赤泥含量c=0的試樣)滲透系數(shù)隨著赤泥摻入量增加的變化曲線(xiàn)。

圖2固化土的滲透系數(shù)隨赤泥摻入量的變化曲線(xiàn)

Fig.2Thec-kcurves ofstabilized soil with different content of red mud

圖3固化土的滲透系數(shù)隨赤泥摻入量的變化曲線(xiàn)

Fig.3Thec-kcurves of stabilized soil with different content of red mud

由圖2可以看出，隨著赤泥的摻入，固化土的滲透系數(shù)減小趨勢(shì)十分明顯，水泥土的滲透系數(shù)為8.7×10-6cm/s要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于赤泥摻入的滲透系數(shù)7.6×10-7cm/s，約為其10倍，故赤泥的摻入可以有效地增強(qiáng)土體的抗?jié)B性。由圖3可以看出，固化土的滲透系數(shù)并不是隨著赤泥的含量的增加一直在減小，在赤泥摻入量10%

2.2滲透壓對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖4為固化土(養(yǎng)護(hù)齡期7 d)的滲透系數(shù)隨滲透壓增大的變化曲線(xiàn);圖5為固化土(養(yǎng)護(hù)齡期14 d)的滲透系數(shù)隨滲透壓增大的變化曲線(xiàn)。

由圖4可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，隨滲透壓的增大，不同赤泥摻入量的固化土試樣的滲透系數(shù)都是先增大，后減小。

①當(dāng)赤泥摻入量5%≤c≤15%時(shí)，滲透壓為150 kPa時(shí)，固化土的滲透系數(shù)達(dá)到最大值。當(dāng)滲透壓50 kPa≤P≤150 kPa，隨著滲透壓的增大，固化土的滲透系數(shù)逐漸增大。但是當(dāng)滲透壓大于150 kPa時(shí)，由于養(yǎng)護(hù)齡期較短和赤泥的水化反應(yīng)還沒(méi)有完成，水化反應(yīng)生成的膠凝物還比較少和膠凝物膠結(jié)土顆粒的固化效果還不是很牢固，所以滲透壓大于150 kPa時(shí)，在較大的水力梯度下，膠凝物膠結(jié)的土顆粒逐漸被沖散，Ca(OH)2晶體也逐漸被溶解，孔隙結(jié)構(gòu)再次被迫重新組合，滲透水流經(jīng)過(guò)的孔隙通道部分被堵塞，也逐漸減少。故當(dāng)滲透壓150 kPa

②當(dāng)赤泥摻入量c>15%時(shí)，滲透壓為100 kPa時(shí)，固化土的滲透系數(shù)達(dá)到最大值，但是滲透系數(shù)的變化非常的小。故當(dāng)滲透壓50 kPa≤P≤100 kPa時(shí)，隨著滲透壓的增加，水流在孔隙中的流動(dòng)，帶走了部分未反應(yīng)的赤泥雜質(zhì)，使得孔隙結(jié)構(gòu)變得稍微通暢，故固化土滲透系數(shù)有所增加；當(dāng)滲透壓P>100 kPa時(shí)，在較大的水力梯度下，土顆粒的膠結(jié)會(huì)被破壞，孔隙通道再次被堵塞，故固化土滲透系數(shù)會(huì)減小。

由圖5可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí)，隨滲透壓的增大，不同赤泥摻入量的固化土試樣的滲透系數(shù)也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰，但總體的變化不是很大。說(shuō)明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥和赤泥的水化反應(yīng)基本完成，生成的膠凝物膠結(jié)土顆粒，重新形成新的土體結(jié)構(gòu)。故隨著滲透壓的增加，固化土的滲透系數(shù)基本保持不變。

圖4固化土P-k的變化曲線(xiàn)(7 d)

Fig.4TheP-kcurves of saturated stabilized soil(7 d)

圖5固化土P-k的變化曲線(xiàn)(14 d)

Fig.5TheP-kcurves of saturated stabilized soil(14 d)

2.3養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖6　固化土t-k的變化曲線(xiàn)Fig.6　The t-k curves of saturated stabilized soil

圖6為固化土的滲透系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加的變化曲線(xiàn)。由圖6可以看出，當(dāng)赤泥摻入量5%≤c≤20%時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，滲透系數(shù)逐漸增加，但是增加的趨勢(shì)減小。當(dāng)赤泥摻入量c>20%時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，滲透系數(shù)保持不變。

①當(dāng)赤泥摻入量5%≤c≤20%時(shí)，水泥和赤泥都進(jìn)行水化反應(yīng)，都會(huì)生成膠凝物，且赤泥的水化反應(yīng)需要在水泥水化的基礎(chǔ)上進(jìn)行。當(dāng)齡期t<7 d時(shí)，此階段主要是水泥的水化反應(yīng)，生成膠凝物和Ca(OH)2晶體；當(dāng)齡期7 d

②當(dāng)赤泥摻入量c>20%時(shí)，赤泥的摻入量過(guò)多，赤泥中的游離堿溶解，抑制水泥的水化反應(yīng)，從而阻礙赤泥的水化，無(wú)法生成大量的膠凝物和Ca(OH)2晶體膠結(jié)土顆粒，達(dá)不到固化土體的效果，故導(dǎo)致土體孔隙結(jié)構(gòu)十分混亂，土體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，滲透系數(shù)較低。而且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，并不能改變土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不能引起滲透系數(shù)的改變。故隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，滲透系數(shù)保持不變。

3　結(jié)　語(yǔ)

對(duì)于此次固化土的滲透試驗(yàn)，主要研究在不同滲透壓和不同赤泥摻入量下，經(jīng)過(guò)飽和的固化土的滲透系數(shù)的變化，所得結(jié)論如下：

①赤泥的摻入會(huì)極大減小固化土的滲透系數(shù)，但是固化土的滲透系數(shù)并不是隨著赤泥摻入量的增加一直在減小。當(dāng)赤泥摻入量10%20%，固化土的滲透系數(shù)會(huì)保持穩(wěn)定。

②固化土(7 d)的滲透系數(shù)隨著滲透壓增大，先增加后減小，滲透壓為100～150 kPa時(shí)，固化土(7 d)的滲透系數(shù)達(dá)到最大值。養(yǎng)護(hù)齡期在7d以上時(shí)，固化土的滲透系數(shù)隨著滲透壓增大，變化趨勢(shì)不是很明顯，幾乎保持穩(wěn)定。

③當(dāng)赤泥摻入量c≤20%時(shí)，固化土的滲透系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加。當(dāng)赤泥摻入量c>20%時(shí), 隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，固化土的滲透系數(shù)不再變化。

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(責(zé)任編輯唐漢民梁碧芬)

Influence of red mud on permeability coefficient of loess solidified by cement

MI Dong-yun1, LI Yi1, 2, TIAN Gao-yuan1, DONG Xiao-qiang1, 2

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China；2.Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region,Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

In order to study the effect of red mud on the permeability coefficient of cement soil, different amounts of red mud were added to cement soil. The permeability coefficient of the solidified soil was tested under the condition of different permeable pressures and curing time. According to the test, the relationship between permeability coefficient, red mud, permeable pressures and curing time was analyzed, and then the effect of red mud on the permeability coefficient of cement soil was analyzed. The test showed that the incorporation of red mud would greatly reduce the permeability coefficient of stabilized soil and help improve the impermeability of the soil; that, with the increase of permeable pressure and curing time, the permeability coefficient of loess solidified by different proportions of red mud and cement basically has the same change trend.

red mud; hydraulic permeability; hardener; permeable pressure

2016-04-11；

2016-05-13

山西省國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2015081055);黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目(KLTLR-Y13-4);山西省研究生教育創(chuàng)新項(xiàng)目(2015BY25)

董曉強(qiáng)(1974—)，男，山西霍州人，太原理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師；E-mail：dongxiaoqiang@126.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1095

TU 411.3

A

1001-7445(2016)04-1095-06

引文格式：米棟云,李熠,田高源,等.赤泥的摻入對(duì)水泥土滲透系數(shù)的影響[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：1095-1100.