孔　雀

(湖南省交通科學研究院， 湖南 長沙　410015)

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廢木灰處理紅黏土的水力性能研究

孔雀

(湖南省交通科學研究院， 湖南 長沙410015)

由于具有較低的滲透性和中等壓縮性，紅黏土也被用做垃圾填埋場的襯墊材料。通過不同廢木灰摻入比對紅黏土改性，研究了不同擊實能條件下紅黏土及其改性后的水力性能。結(jié)果表明廢木灰摻入量對該紅黏土液塑限指數(shù)的影響并不大；隨著擊實能的減小或廢木灰摻入比的增大，紅黏土的最優(yōu)含水量增大；輕型和中型擊實的紅黏土隨著廢木灰參入比的增大滲透系數(shù)隨之增大；廢木灰摻入比的增加對土樣體積收縮影響明顯，同時顯著改變了紅黏土土樣的均一性。

紅黏土； 廢木灰； 擊實； 水力特性

0　前言

在很多亞洲國家，紅黏土被用作為建筑材料的歷史已有超過了1000 a的時間。由于其具有較低的滲透性、中等壓縮性以及對污染物的吸附阻滯性能，紅黏土被選做垃圾填埋場的襯墊材料。紅土(或紅黏土)在我國分布廣泛，覆蓋面積達2.0萬km2，其中分布在我國的10多個省份如廣西、云南、湖南等[1]。紅黏土主要是在第四紀沖積物重新組織得到的黏土礦物，并從大陸風化或從白堊紀開始的新沉積物。紅黏土具有較低的滲透性，但同時也有一定的膨脹收縮性，當被用于防滲或者襯墊材料時應(yīng)盡可能避免其脹縮特性，因此，近年來很多學者開始考慮對紅黏土進行改性或加入其它土工材料、工業(yè)廢渣廢料等[2，3]。

近年來，針對紅黏土水力特性的研究有過不少文獻報道，但針對紅黏土改性或者進行其它材料的摻入研究并不多見[4]，特別是針對用做襯墊材料的紅黏土[5]。彭玉林等[6]以昆明紅黏土為例，研究了垃圾填埋場中改性紅黏土防滲料的性能。劉曉紅等[7]基于紅黏土臨界動應(yīng)力研究了高鐵無碴軌道路塹基床換填厚度。紅黏土改性方面，曹豪榮等[8]在考慮干濕循環(huán)路徑的基礎(chǔ)上，試驗研究了石灰改性紅黏土的路用性能。孫志亮等[9]通過膨脹土與紅黏土石灰改性對比試驗研究，基于無側(cè)限抗壓強度和固結(jié)試驗結(jié)果等得到石灰改性南陽膨脹土的效果比石灰改性郴州紅黏土好。據(jù)文獻調(diào)查研究，也有學者采用廉價的或者工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢棄物對紅黏土進行改性并應(yīng)用于工程。如何俊等[10]采用廢舊輪胎膠粉配制黏土混合土，并對其擊實性能進行了研究。

本文選取一種廉價而又常見的廢木灰廢棄料對紅黏土進行改性，紅黏土碾磨過篩后分別進行液塑限試驗、擊實試驗、土柱滲透試驗和收縮試驗、無側(cè)限抗壓強度等試驗，對紅黏土及其改性混合土進行水力性能分析。

1.試驗方法

1.1試驗材料

本文試驗所用紅黏土取自湖南某工地，取土現(xiàn)場照片如圖1所示。摻入所用的廢木灰來自廢舊木料的焚燒后灰料，廢舊木料焚燒后過0.1 mm篩作為摻入材料。

圖1　紅黏土取樣現(xiàn)場Figure 1　Open pit of the Red clay

取土后室外風干，碾磨過篩，采用激光粒度儀(Beckman Coulter LS230, USA)對紅黏土土樣進行粒徑分析，得到其顆分曲線如圖2所示。圖2表明本文試驗紅黏土顆粒粒徑均在在2.0 mm以下。同時往碾磨過篩后的紅黏土中摻入質(zhì)量比為10%的廢木灰，得到廢木灰和紅黏土混合物的顆分曲線，見圖2。結(jié)果表明廢木灰的摻入對紅黏土顆粒粒徑的影響并不大。

圖2　紅黏土和改性后的顆分曲線Figure 2　　　　Grain size distribution of red clay before and after treated

1.2試驗方法

本文涉及的液塑限試驗、擊實試驗、土柱滲透試驗和收縮試驗、無側(cè)限抗壓強度測定等均在土工試驗室完成。使用儀器包括試樣環(huán)、液塑限聯(lián)合測定儀、擊實儀、壓力機等。根據(jù)實驗要求分別對最大粒徑為2 mm的紅黏土進行廢木灰參入比試驗，廢木灰參入比分別為2%、4%、6%、8%和10%。隨后進行擊實試驗、液塑限試驗、滲透試驗和無側(cè)限壓縮試驗。其中擊實試驗采用輕型、中型和重型擊實，3種擊實能分別為592.2，2 684.9，1000 kJ/m3。相關(guān)試驗按照規(guī)范《土工試驗方法標準》(GBT50123 — 1999)等[11]執(zhí)行。

2　結(jié)果與討論

2.1液塑限測定結(jié)果

通過液塑限聯(lián)合測定，得到木灰摻入比分別為2%、4%、6%、8%和10%的紅黏土液塑限如圖3所示。

圖3　木灰含量對液塑限的影響Figure 3　Effects of waste wood ash ratio on liquid plastic limit

圖3結(jié)果表明紅黏土的液限和塑限在廢木灰摻入比為2%時最小，隨著摻入比的增大液限和塑限也有略微增大趨勢。同樣的，塑性指數(shù)的結(jié)果也類似。不難發(fā)現(xiàn)，總體來說廢木灰摻入量對該紅黏土液塑限指數(shù)的影響并不大。這可能是2方面耦合作用的結(jié)果： ①無機鹽類對紅黏土液塑限的降低作用； ②摻入廢木灰后紅黏土因無機鹽的化學固結(jié)作用，土體發(fā)生收縮體積減小，土體變得密實。

2.2木灰含量對最優(yōu)含水量影響

通過輕型、中型和重型擊實能對不同廢木灰摻入比的紅黏土進行擊實，得到不同摻入比下最優(yōu)含水量的結(jié)果如圖4所示。

圖4　木灰含量對最優(yōu)含水量的影響Figure 4　　　　Effects of waste wood ash ratio on optimum water content

從圖4結(jié)果可以看出: 隨著擊實能的增大，紅黏土的最優(yōu)含水量降低。這是因為隨著擊實能的增大，土樣孔隙比減小，導致土的持水性能降低，進而具有較低的最優(yōu)含水量。與此同時，隨著廢木灰摻入比的增大，最優(yōu)含水量增大。這是由于廢木灰中含有大量的鉀和磷等化學元素，而紅黏土主要有蒙脫石、高嶺石等粘土礦物組成。文獻研究表明[12]，粘土礦物擴散雙電層厚度隨著孔隙溶液化學濃度的增大，擴散雙電層厚度的減小會引起土體中有效孔隙的增加，最終導致含水量的增大。

2.3木灰含量對滲透系數(shù)影響

通過對不同擊實能擊實的土樣用環(huán)刀切樣并進行滲透試驗，得到不同廢木灰摻入比的滲透系數(shù)結(jié)果如圖5所示。

圖5　木灰含量對不同擊實能下滲透系數(shù)的影響Figure 5　Effects of waste wood ash ratio on permeability coefficient under different compaction energy

廢木灰摻入比對重型擊實的紅黏土滲透系數(shù)影響不大，如圖5所示。而隨著廢木灰參入比的增大，輕型和中型擊實的紅黏土滲透系數(shù)隨之增大。正如上文分析，廢木灰中的化學物質(zhì)會導致土體中有效孔隙的增大，從而滲透系數(shù)也隨著增大。圖5結(jié)果表明要達到垃圾填埋場襯墊材料的防滲標準，即滲透系數(shù)小于1.5×10-9m/s, 輕型擊實達不到防滲標準，且當廢木灰摻入比超過6%時也將超過防滲標準；不論摻入比多大，重型擊實的紅黏土都能滿足襯墊材料的防滲需求。

2.4木灰含量對體積收縮影響

通過不同擊實能擊實后環(huán)刀切樣的紅黏土土樣置于試驗室環(huán)境中干燥，干燥會引起體積收縮，通過測量土樣直徑及高度得到不同廢木灰摻入比下紅黏土土樣體積收縮情況如圖6所示。

圖6　木灰含量對不同擊實能下體積收縮的影響Figure 6　Effects of waste wood ash ratio on soil volume shrink under different compaction energy

圖6結(jié)果表明隨著廢木灰摻入比的增大，紅黏土土樣的干燥收縮，且收縮程度與擊實情況有關(guān)。擊實能越大，土樣體積收縮越小。這是由于擊實能越大土樣孔隙比越小無法像酥松土樣一樣收縮的緣故。對于輕型擊實的土樣，土樣體積的收縮在廢木灰參入比為4%時出現(xiàn)拐點，呈現(xiàn)明顯的雙線性。

2.5木灰含量對無側(cè)限抗壓強度影響

同樣地，通過對不同擊實能擊實后環(huán)刀切樣的紅黏土土樣在壓力機上進行無側(cè)限抗壓強度試驗，得到不同木灰摻入比對無側(cè)限抗壓強度的影響結(jié)果如圖7所示。

圖7　木灰含量對不同擊實能條件下無側(cè)限抗壓強度的影響Figure 7　Effects of waste wood ash ratio on unconfined compressive strength under different compaction energy

圖7結(jié)果表明: 不同木灰摻入比對無側(cè)限抗壓強度的影響結(jié)果呈“M”曲線型。表明隨著廢木灰摻入比的增大，無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律并不明顯，這可能是由于廢木灰的摻入改變了紅黏土土樣的均一性。一方面木灰摻入比的增加增大了其有效孔隙，另一方面化學因素還會導致土樣體積的收縮，這一過程同時受到擊實能的影響。但圖7結(jié)果能確定隨著擊實能的增大紅黏土土樣的無側(cè)限抗壓強度也隨之增大。

3　結(jié)論

本文通過不同廢木灰摻入比改性紅黏土，并基于液塑限試驗、擊實試驗、土柱滲透試驗和收縮試驗、無側(cè)限抗壓強度得到如下結(jié)果：廢木灰摻入量對該紅黏土液塑限指數(shù)影響不大；隨著擊實能的減小或廢木灰摻入比的增大，紅黏土的最優(yōu)含水量增大；輕型和中型擊實的紅黏土隨著廢木灰參入比的增大滲透系數(shù)隨之增大；廢木灰摻入比的增加對土樣體積收縮影響明顯同時改變紅黏土土樣的均一性。

[1]Wilson,M.J.,He,Z.,Yang,X.,2004a.Introduction and background.In: Wilson,M.J.,He,Zhenli,Yang,Xiaoe (Eds.),The Red Soils of China: Their Nature Management and Utilization [M].Kluwer Academic Publishers,Netherlands,pp.1-3.

[2]H.Bannour,G.Stoltz,P.Delage,N.Touze-Foltz.Effect of stress on water retention of needle punched geosynthetic clay liners [J].Geotextiles and Geomembranes 42 (2014) 629e640.

[3]Anderson,S.A.and Hee,B.,(2000).Lateritic soil in landfill and covers.Geoenvironment 2000: Characterization,Containment,Remediation and Performance in Environmental Geotechnics.ASCE Special Publication,pp.936-947.

[4]Alberta Environment (2002).Standards and Guidelines for the Use of Wood Ash as a Liming Material for Agricultural Soils[J].Science and Standards Branch.Edmonton Alberta T5K 2J6.

[5]Frempong E.M.and Yanful E.K.(2008) Interaction between three tropical soils and municipal solid waste landfill leachate [J].J.Geotech Goenv Eng ASCE 134(3):379-396.

[6]彭玉林,龔愛民,孫海燕,等.垃圾填埋場中改性紅黏土防滲料的性能研究[J].人民長江,2011(S2):1001-1006.

[7]劉曉紅,楊果林,方薇.紅黏土臨界動應(yīng)力與高鐵無碴軌道路塹基床換填厚度[J].巖土工程學報,2011,22(3)：348-356.

[8]曹豪榮；李新明；樊友杰；等.考慮干濕循環(huán)路徑的石灰改性紅黏土路用性能試驗研究[J].巖土力學,2009(9):22-28.

[9]孫志亮,郭愛國,太俊.膨脹土與紅黏土石灰改性對比試驗研究[J].巖土力學,2013,34(2): 150-155.

[10]何俊.廢舊輪胎膠粉r黏土混合土的擊實性能[J].工程地質(zhì)學報,2015(s): 904-910.

[11]GBT50123-1999,土工試驗方法標準[S].

[12]Mitchell,J.K.,1993.Fundamentals of Soil Behavior,2nd Edition [M].John Wiley and Sons,Inc.,New York.

Hydro-mechanical Behavior of Red Clay Treated by Waste Wood Ash

KONG Que

(Hunan Communications Research Institute， Changsha， Hunan 410015， China)

Due to low permeability and moderate compression, the red clay is also used as liner material for landfill. The red clay was modified by different mixing ratio of waste wood ash, the hydro-mechanical behavior of red clay under different compaction energy was studied in this work. The results show that the increasing of the ratio of waste wood ash has insignificant effects on the liquid limit and plastic limit of this red clay. Optimum water content is increased with a decrease of compaction energy or increase ratio of waste wood ash. The permeability coefficient increases with waste wood ash ratio increased of light and medium compaction red clay. The waste wood ash significantly affected the soil volume shrinkage and the red clay soil uniformity was changed by the waste wood ash.

red clay; waste wood ash; compate; hydro-mechanical behavior

2016 — 05 — 23

孔雀(1981 — )，女，湖南岳陽人，工程師，主要從事公路橋梁施工與管理工作。

U 416.1+6

A

1674 — 0610(2016)04 — 0270 — 04