劉 華，梁 騰，趙曉晴,3，岳志才，邵劍濤，李詠陽

(1.江蘇海洋大學 土木與港海工程學院，江蘇 連云港 222005；2.連云港市鐵路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 連云港 222002；3.江蘇省海洋資源開發(fā)研究院，江蘇 連云港 222005；4.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

0 引言

堿渣是氨堿法生產(chǎn)純堿過程中蒸氨廢液經(jīng)沉淀而產(chǎn)生的白色固體，其微觀結(jié)構(gòu)表面粗糙、孔隙較大，呈蜂窩狀[1-2]，壓縮性高，吸水性大。以碳酸鈣、硫酸鈣及鐵、鋁、硅等氧化物為主，自身可以構(gòu)成土的骨架[3]，常與其他材料拌合形成堿渣土，被用作工程填墊材料[4-8]。

本文利用不同比例的堿渣、粉煤灰拌合黏土形成堿渣土，通過擊實試驗對堿渣及堿渣土的擊實特性展開研究。擊實試驗是實現(xiàn)土壓實性的重要方法，而壓實性對土的工程性質(zhì)起著決定性作用[9]，是保證工程土強度和穩(wěn)定性的前提，也是施工驗收的評定標準之一。影響擊實的因素有很多，包括擊實材料的顆粒級配、含水率、擊實功、土樣有機質(zhì)等[10]。不同土樣的擊實曲線有所不同，黏土的擊實曲線呈明顯的上凸單峰狀；風積沙的擊實曲線呈凹型[11]。不同土樣的擊實效果也各不相同。砂礫的擊實效果表現(xiàn)為隨著粗顆粒含量的增加，最大干密度先增加后減小，而最優(yōu)含水率卻一直減小[12]，并會存在一個最優(yōu)含石量[13]。堿渣具有粉土性質(zhì)，粉煤灰類似于砂性特征，對于堿渣及堿渣、粉煤灰拌合黏土形成的堿渣土進行擊實試驗研究具有必要性，能夠為進一步開展堿渣及堿渣土力學性質(zhì)試驗及工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料

堿渣取自連云港堿業(yè)有限公司，為壓濾后的塊狀，烘干后呈白色，化學組分以氧化鈣、氧化鎂為主。粉煤灰是連云港堿業(yè)有限公司生產(chǎn)純堿過程中排出的另一種廢渣，外觀呈灰黑色，由細小的顆粒組成，主要化學成分為活性氧化鈣、氧化鋁等。黏土取自連云港，碾碎過5 mm篩，最大干密度為1.738 g/cm3，最優(yōu)含水率為19.9%。各材料的物理性質(zhì)如表1所示。堿渣的化學組分如表2所示。

表1 試驗材料物理性質(zhì)

表2 堿渣化學組分

2 試驗方案及方法

2.1 試驗方案

對堿渣和堿渣拌合土展開擊實試驗，堿渣、粉煤灰拌合黏土的配比如表3所示，表中各材料占比均為質(zhì)量分數(shù)。

表3 堿渣土配比

2.2 試驗方法

采用重型擊實試驗[14]，錘質(zhì)量為4.5 kg，落高為45 cm，擊實試樣體積為997 cm3，每個試樣分5層擊實，每層擊27次。在擊實前按照四分法每組配比以不同的含水率制備不低于5個試樣，每組拌合時的含水率以2%～4%遞增，并進行悶料24 h。

3 試驗結(jié)果分析

擊實試驗需根據(jù)不同含水率試樣所對應(yīng)的干密度線繪制擊實曲線，同時繪制飽和曲線[14]。通過擊實曲線中的峰值點確定最大干密度和對應(yīng)的最優(yōu)含水率，但是擊實曲線中的峰值點并不能簡單地理解為數(shù)據(jù)最高點[15]。擊實曲線的繪制從過去的“圖解法”，到如今利用Excel，Matlab，Origin以及SPSS等軟件進行插值與擬合，減少了人為誤差，使得試驗結(jié)果更加精確。本文采用SPSS軟件對擊實數(shù)據(jù)進行二次和三次多項式擬合，通過對自變量系數(shù)顯著性分析(Sig)以及擬合優(yōu)度統(tǒng)計量R2比較，得出較優(yōu)模型。當顯著性系數(shù)≤0.05時表明能夠達到統(tǒng)計學上的顯著性，具有統(tǒng)計學意義，證明回歸方程有效；R2為回歸平方和與總平方和的比值，是度量回歸模型優(yōu)劣程度的指標，R2越接近1表明擬合的模型越優(yōu)。利用較優(yōu)模型求出各組最優(yōu)含水率和最大干密度，并進行分析。

3.1 堿渣擊實結(jié)果分析

堿渣擊實結(jié)果如表4所示。含水率作為自變量，干密度作為應(yīng)變量，通過SPSS軟件進行二次函數(shù)和三次函數(shù)曲線模型擬合，并根據(jù)擬合優(yōu)度統(tǒng)計量R2及顯著性分析，比較二次函數(shù)和三次函數(shù)擬合效果，擬合曲線如圖1所示。

表4 堿渣擊實干密度和含水率

圖1 堿渣擊實擬合曲線

堿渣的擊實曲線為開口向下的單峰值曲線。根據(jù)擬合結(jié)果(如表5和表6所示)可知，二次函數(shù)的一次項和二次項顯著性系數(shù)均小于0.05，三次函數(shù)的二次項和三次項顯著性系數(shù)也均小于0.05，說明模型成立的統(tǒng)計學意義顯著，表明二次函數(shù)和三次函數(shù)的擬合結(jié)果均是可行的[16]。但從擬合優(yōu)度的統(tǒng)計量R2分析(見表7)，三次函數(shù)R2(0.981)略大于二次函數(shù)R2(0.976)，說明三次函數(shù)擬合曲線略優(yōu)于二次擬合函數(shù)曲線。根據(jù)三次函數(shù)擬合曲線結(jié)果求出堿渣最大干密度為1.129 g/cm3，最優(yōu)含水率為41.33%。

表5 二次函數(shù)擬合系數(shù)分析表

表6 三次函數(shù)擬合系數(shù)分析表

表7 模型摘要

3.2 堿渣土擊實結(jié)果分析

3.2.1 擊實結(jié)果SPSS擬合分析 對不同配比的堿渣土進行擊實試驗，通過SPSS軟件對其擊實結(jié)果進行二次函數(shù)和三次函數(shù)的擬合。通過擬合曲線(如圖2所示)可以看出，不同比例拌合的堿渣土擊實曲線都呈開口向下的單峰值曲線。除S5組在利用二次函數(shù)進行擊實曲線擬合時擬合曲線與飽和曲線出現(xiàn)相交，其余各組實測點數(shù)據(jù)均能夠通過二次函數(shù)和三次函數(shù)進行有效擬合。通過對統(tǒng)計量R2(如表8所示)進行分析發(fā)現(xiàn)，三次函數(shù)R2值除S8組略小于二次函數(shù)R2值，其他組均大于二次函數(shù)R2值，表明堿渣土擊實曲線利用三次函數(shù)擬合較優(yōu)于二次函數(shù)擬合效果。

表8 堿渣土各組統(tǒng)計量R2值

S1擊實擬合曲線

3.2.2 最大干密度與最優(yōu)含水率分析 利用三次函數(shù)模型所擬合的擊實曲線結(jié)果，計算出各組堿渣土的最大干密度及其所對應(yīng)的最優(yōu)含水率，如表9所示。

表9 堿渣土各組最大干密度與最優(yōu)含水率

堿渣土各組中，最大干密度最高的是S1組，為1.437 g/cm3；最低的是S9組，為1.201 g/cm3。由圖3可以看出，在粉煤灰摻量一定的情況下，隨堿渣摻量的增加、黏土摻量的減少，最大干密度呈階梯狀逐漸下降。堿渣孔隙多質(zhì)量輕，最大干密度僅為1.129 g/cm3，而黏土干密度為1.738 g/cm3，相對較大，所以堿渣摻量增多、黏土摻量減少，堿渣土最大干密度也會相應(yīng)減小。在堿渣摻量一定的情況下，堿渣土最大干密度隨著黏土摻量減少、粉煤灰摻量增多也呈不斷下降趨勢。由于粉煤灰的比重遠小于黏土，黏土摻量減少對最大干密度的影響遠大于粉煤灰摻量增加。當堿渣摻量達70%時，堿渣土最大干密度僅為1.201～1.291 g/cm3，相比于普通填土其質(zhì)量輕，能夠有效減少20%～30%的自重，降低因自重而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，增加填料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

由圖3可以看出，堿渣土最優(yōu)含水率隨著堿渣摻量的增多呈現(xiàn)明顯上升趨勢。堿渣本身具有較強的吸水性，堿渣多以粉狀顆粒為主，擊實時顆粒間發(fā)生移動，為了克服粒間引力和摩阻力，使松散的結(jié)構(gòu)變得密實需要更多的水。當堿渣摻量達到70%時，所對應(yīng)的最優(yōu)含水率均在30%以上。通過壓濾設(shè)備壓濾后的堿渣含水率通常在40%～50%，與最優(yōu)含水率較為接近，通過簡單的翻拌、晾曬容易達到最優(yōu)含水率狀態(tài)，便于現(xiàn)場施工拌合與碾壓。

圖3 堿渣土最大干密度與最優(yōu)含水率

4 結(jié)論

通過對堿渣與堿渣土擊實試驗及其結(jié)果擬合分析，可得：

(1)堿渣、粉煤灰拌合黏土形成的堿渣和堿渣土的擊實曲線均呈開口向下單峰值曲線，利用三次函數(shù)擬合形成的擊實曲線優(yōu)于二次函數(shù)。

(2)堿渣土最大干密度隨著堿渣摻量的增加逐漸降低，相比于普通填料其質(zhì)量輕、自重小。當堿渣摻量達70%時堿渣土輕質(zhì)性更為突出，而此時所對應(yīng)的最優(yōu)含水率均為30%以上，壓濾后的堿渣通過翻拌、晾曬能夠容易達到所對應(yīng)的最優(yōu)含水率狀態(tài)，便于施工的拌合與碾壓。