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        電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度特性影響因素分析

        2022-03-23 14:26:36栗培龍朱德健裴儀畢嘉宇張萬(wàn)強(qiáng)
        科學(xué)技術(shù)與工程 2022年6期
        關(guān)鍵詞:影響

        栗培龍, 朱德健, 裴儀, 畢嘉宇, 張萬(wàn)強(qiáng)

        (1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院, 西安 710064; 2.長(zhǎng)安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710064)

        電石渣是電石水解生產(chǎn)乙炔時(shí)的副產(chǎn)品,其主要成分是氫氧化鈣,每噸電石可產(chǎn)生1.2 t電石渣。據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)統(tǒng)計(jì),2018年電石產(chǎn)量2 608萬(wàn)t,增長(zhǎng)4.7%,可產(chǎn)生超過(guò)3 000萬(wàn)t電石渣。電石渣屬于一般工業(yè)固體廢物,但由于其產(chǎn)量大,大多化工企業(yè)采用堆放和填埋的處置方式,不僅占用大量的土地資源,而且由于其強(qiáng)堿性引起土體及水質(zhì)污染等環(huán)境問(wèn)題[1]。因此,開(kāi)展電石渣的綜合利用,具有良好的生態(tài)環(huán)境效益。目前電石渣的主要利用途徑主要有兩個(gè)方面,一是生產(chǎn)建筑材料(水泥、混凝土砌塊以及保溫材料),二是回收和制備化學(xué)產(chǎn)品,包括回收乙炔氣、脫除廢氣與制備碳酸鈣、氧化鈣等產(chǎn)品[2-5]。

        近年來(lái)許多中外學(xué)者關(guān)注電石渣在道路工程中的應(yīng)用研究[6-10]。電石渣富含氫氧化鈣,可以固化土壤。Liu等[11]采用電石渣和稻殼灰復(fù)合膠凝材料加固膨脹土;Latifi等[12]研究發(fā)現(xiàn)電石渣可以改善高嶺土和膨潤(rùn)土的工程性質(zhì);Noolu等[13]將電石渣用于穩(wěn)定黑棉土路基,可以減小反復(fù)荷載作用下路基的永久變形;王亮等[14]以電石渣、粉煤灰和堿激發(fā)劑制備了一種鹽漬土固化劑,研究電石渣-火山灰質(zhì)膠凝體系固化鹽漬土的固化機(jī)理。石灰被廣泛應(yīng)用于道路基層中,而電石渣與石灰的主要成分類似,將其應(yīng)用于道路基層中具有一定的可行性。Varaprasad等[15]用電石渣和芒果核灰改善膨脹土,并用作鄉(xiāng)間道路的基層與底基層;Chindaprasirt等[16]研究電石渣穩(wěn)定紅土的工程性質(zhì),建立了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量和加州承載比(California bearing ratio, CBR)之間的關(guān)系,為其用作工程填料提供了依據(jù)?;鶎邮锹访娼Y(jié)構(gòu)中的承重層,應(yīng)具有一定的強(qiáng)度。Hatmoko等[17]研究了養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)蔗渣灰-電石渣穩(wěn)定土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響;Du等[18]研究了植物灰分含量、電石渣含量、氫氧化鈉含量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)黏土-植物灰地質(zhì)聚合物無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響;郭鑠[19]采用稻殼灰和電石渣復(fù)合膠凝材料對(duì)膨脹土進(jìn)行改良,并通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定稻殼灰和電石渣的最佳配比為65∶35;宮經(jīng)偉等[20]分析了電石渣摻量、火山灰質(zhì)材料、礦渣占比和硫酸鹽含量等影響因素對(duì)固化土力學(xué)性能的影響規(guī)律,建立了各因素與固化鹽漬土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度間的計(jì)算模型。

        盡管中外學(xué)者在電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度機(jī)理和力學(xué)性能等方面已開(kāi)展了較多研究,但是電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響因素眾多,涉及設(shè)計(jì)、施工等方面,加上目前并沒(méi)有相關(guān)規(guī)范指導(dǎo)電石渣穩(wěn)定土的施工,所以在壓實(shí)和養(yǎng)生等施工因素方面仍需進(jìn)一步研究?;诖?,現(xiàn)通過(guò)室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究電石渣摻量、壓實(shí)度、養(yǎng)生溫度和齡期對(duì)電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響規(guī)律,以期為電石渣穩(wěn)定土的施工控制及推廣應(yīng)用提供參考。

        1 原材料

        試驗(yàn)采用兩種細(xì)粒土(記為土樣1、土樣2),取自陜西,其顆粒分析結(jié)果和主要物理指標(biāo)如表1和表2所示,將土樣烘干備用。試驗(yàn)所用電石渣來(lái)自于陜西北元化工集團(tuán),呈粉狀,其化學(xué)成分如表3所示。

        表1 土樣顆粒分析結(jié)果Table 1 Particle size analysis of the soil sample

        表2 土樣的物理指標(biāo)Table 2 Properties of the soil sample

        表3 電石渣的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of calcium carbide slag

        2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        2.1 試驗(yàn)方案

        (1)電石渣摻量的影響。結(jié)合兩種土樣的顆粒組成和物理性質(zhì),提出電石渣的摻量方案。按電石渣與土的質(zhì)量比值計(jì)算,土樣1的電石渣摻量擬采用5%、7%、9%、11%、13%,土樣2的電石渣摻量擬采用3%、5%、7%、9%、11%。

        (2)壓實(shí)度的影響。參考路面基層實(shí)際施工的壓實(shí)度,分析壓實(shí)度對(duì)電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度性能的影響。兩種穩(wěn)定土的壓實(shí)度擬采用93%、95%、97%。

        (3)養(yǎng)生溫度的影響。為研究養(yǎng)生溫度對(duì)電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響,確定合理的養(yǎng)生溫度,養(yǎng)生溫度擬采用10、15、20、25、30 ℃。

        (4)齡期的影響。為研究電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度隨齡期延長(zhǎng)的變化規(guī)律,齡期擬采用7、14、28、60、90、180 d。

        2.2 試驗(yàn)方法

        根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009),采用靜壓法成型Φ50 mm×50 mm的圓柱體試件,進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析兩種電石渣穩(wěn)定土的力學(xué)性能。

        (1)試樣制備及養(yǎng)護(hù)。在不同電石渣摻量下,分別對(duì)兩種土樣按照目標(biāo)壓實(shí)度成型電石渣穩(wěn)定土試件。將成型好的試件用塑料袋封閉后放入養(yǎng)護(hù)箱(相對(duì)濕度95%以上),在設(shè)計(jì)養(yǎng)生溫度下養(yǎng)護(hù)至目標(biāo)齡期。

        (2)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試電石渣穩(wěn)定土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,根據(jù)式(1)計(jì)算試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

        (1)

        式(1)中:Rc為試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,MPa;P為試件破壞時(shí)最大荷載,N;A為試件的截面面積,mm2。

        3 電石渣穩(wěn)定土的力學(xué)性能分析

        3.1 電石渣摻量對(duì)穩(wěn)定土性能的影響

        兩種穩(wěn)定土在不同電石渣摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

        圖1 電石渣摻量對(duì)穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響Fig.1 The effect of calcium carbide slag content on the strength of stabilized soil

        由圖1可知,隨著電石渣摻量增加,兩種穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)土樣1的電石渣摻量達(dá)到9%時(shí),在93%、95%、97%壓實(shí)度下穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值0.62、0.82、0.93 MPa;當(dāng)土樣2的電石渣摻量達(dá)到5%時(shí),在93%、95%、97%壓實(shí)度下穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值0.53、0.58、0.71 MPa,可據(jù)此確定兩種土樣的最佳電石渣摻量分別為9%和5%。電石渣摻入后,電離出的Ca2+迅速和土體的活性SiO2和Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生膠凝物質(zhì)填充土體顆粒間的空隙更加密實(shí),宏觀上表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度增加。當(dāng)電石渣摻量達(dá)到一定程度后,土體中活性成分與電石渣充分反應(yīng),反應(yīng)速率接近飽和,多余的電石渣膠結(jié)料消耗大量水分,進(jìn)而使電石渣與土體間的反應(yīng)減緩,穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。土樣1的最佳電石渣摻量更多,并且具有更高的抗壓強(qiáng)度,這是因?yàn)轲ち?粒徑小于0.005 mm的顆粒)比表面積大具有很高的活性,在與電石渣反應(yīng)過(guò)程中起主導(dǎo)作用,而土樣1具有更多的黏粒含量,強(qiáng)度性能更佳。

        3.2 壓實(shí)度對(duì)電石渣穩(wěn)定土性能的影響

        壓實(shí)是電石渣穩(wěn)定土形成強(qiáng)度的重要環(huán)節(jié),不同壓實(shí)度下電石渣穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖2所示。

        圖2 壓實(shí)度對(duì)電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響Fig.2 The effect of compaction on the strength of calcium carbide slag stabilized soil

        由圖2可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于不同土樣,隨著壓實(shí)度的增加,電石渣穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均顯著增長(zhǎng)。壓實(shí)度每增大2%,土樣1的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高20%以上,土樣2的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均提高10%以上,當(dāng)齡期達(dá)到28 d時(shí)兩種電石渣穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度可提高25%。土質(zhì)對(duì)電石渣穩(wěn)定土的壓實(shí)特性有重要影響,土樣1塑性指數(shù)大易于拌和碾壓成型,因而提高壓實(shí)度對(duì)其強(qiáng)度的提升更為顯著。隨著壓實(shí)度的增加,電石渣穩(wěn)定土顆粒間的作用力加強(qiáng),嵌擠緊密、空隙縮小,密度增大,其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變大。當(dāng)齡期較短時(shí),增加壓實(shí)度對(duì)電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的增幅較小,這是因?yàn)榍捌陔娛c土物化作用進(jìn)程慢,當(dāng)齡期較長(zhǎng)時(shí)壓實(shí)度對(duì)于電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的提升顯著。增大壓實(shí)度使電石渣穩(wěn)定土形成密實(shí)整體,能夠有效地提高電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度。

        3.3 養(yǎng)生溫度對(duì)電石渣穩(wěn)定土性能的影響

        養(yǎng)生溫度是影響電石渣與土物化反應(yīng)的重要因素,不同養(yǎng)生溫度下電石渣穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖3所示。

        圖3 養(yǎng)生溫度對(duì)電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響Fig.3 The effect of curing temperature on the strength of calcium carbide slag stabilized soil

        從圖3可以看出,隨著養(yǎng)生溫度的增加,電石渣穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均明顯增長(zhǎng),養(yǎng)生溫度較低時(shí)強(qiáng)度增幅較小。養(yǎng)生溫度由10 ℃升高到30 ℃時(shí),兩種電石渣穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度均可提高50%以上,具有相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)。土樣1的最佳電石渣摻量更高,在相同養(yǎng)生溫度條件下,能夠產(chǎn)生更多的膠凝物質(zhì)穩(wěn)定土體,因而具有更高的抗壓強(qiáng)度。養(yǎng)生溫度升高后,物化反應(yīng)和硬化過(guò)程加快,水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體迅速覆蓋在土顆粒的表面,減小了顆粒間的空隙和透水性并提高了密實(shí)度,強(qiáng)度增長(zhǎng)快。當(dāng)齡期變長(zhǎng)時(shí),穩(wěn)定土的強(qiáng)度增幅變大,養(yǎng)生溫度每升高5 ℃,土樣1的14 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均升高0.14 MPa,28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均升高約0.18 MPa;土樣2的14 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均升高約0.1 MPa,28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均升高約0.15 MPa。當(dāng)養(yǎng)生溫度一定時(shí),養(yǎng)生齡期越長(zhǎng),電石渣和土體間的火山灰作用越持久,產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)越多,后期強(qiáng)度越高。一般在溫度較高的夏季進(jìn)行施工和養(yǎng)生,有利于快速形成強(qiáng)度。

        3.4 齡期對(duì)電石渣穩(wěn)定土性能的影響

        電石渣穩(wěn)定土需要一定的齡期形成強(qiáng)度,不同齡期下電石渣穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖4所示。

        圖4 齡期對(duì)電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響Fig.4 The effect of curing time on the strength of calcium carbide slag stabilized soil

        由圖4可知,電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增大,兩種土樣的強(qiáng)度具有相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)齡期處于7~28 d時(shí),電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速,這是因?yàn)榍捌陔娛械腃a2+濃度高,在土中迅速擴(kuò)散發(fā)生離子交換作用和結(jié)晶作用,能夠快速形成早期強(qiáng)度。當(dāng)齡期處于28~90 d后,電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩,這是因?yàn)榛鹕交易饔冒l(fā)展緩慢,產(chǎn)生的水化硅酸鈣、鋁酸鈣晶體較少,形成強(qiáng)度較慢。當(dāng)齡期達(dá)到90 d后,電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度基本形成,強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。隨著齡期增長(zhǎng),物化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度仍會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng),但速率變緩。在施工過(guò)程中,一定要保證足夠的齡期形成強(qiáng)度。

        3.5 基于壓實(shí)和養(yǎng)生的強(qiáng)度預(yù)估模型

        壓實(shí)和養(yǎng)生對(duì)電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度形成具有重要影響。結(jié)合前文對(duì)壓實(shí)度、養(yǎng)生溫度和齡期三種因素的分析,建立了電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度預(yù)估模型:

        Rc=(a1K+a2)(a3T2+a4T+a5)(a6+e-a7t)

        (2)

        式(2)中:K為壓實(shí)度,T為養(yǎng)生溫度,t為齡期,a1~a7為待定系數(shù)。利用1 stOpt數(shù)學(xué)優(yōu)化分析軟件對(duì)強(qiáng)度預(yù)估模型進(jìn)行回歸擬合,預(yù)估模型計(jì)算值與實(shí)際值變化曲線如圖5所示,兩種電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度的擬合公式如表4所示。

        圖5 電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度預(yù)估模型回歸結(jié)果Fig.5 Regression results of prediction model for the strength of calcium carbide slag stabilized soil

        由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于兩種土樣都具有較好的相關(guān)性,可以有效表征電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度。根據(jù)建立的模型可以發(fā)現(xiàn),增加壓實(shí)度和養(yǎng)生溫度、延長(zhǎng)齡期可以提高電石渣穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,同一因素對(duì)于兩種穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響程度不同,增加壓實(shí)度和養(yǎng)生溫度對(duì)于土樣1的強(qiáng)度提高效果更佳,延長(zhǎng)齡期對(duì)于土樣2的強(qiáng)度提高效果更好。在施工過(guò)程中可以調(diào)整壓實(shí)度和養(yǎng)生條件來(lái)滿足電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度要求。

        表4 電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度擬合公式Table 4 Fitting formula for the strength of calcium carbide slag stabilized soil

        4 結(jié)論

        通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),研究了4種因素對(duì)電石渣穩(wěn)定土性能的影響,得到了以下結(jié)論。

        (1)在壓實(shí)度一定時(shí),電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度隨著電石渣摻量增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),土樣1的最佳電石渣摻量為9%左右,土樣2的最佳電石渣摻量為5%左右。

        (2)隨著壓實(shí)度的增加,電石渣穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。在最佳電石渣摻量下,壓實(shí)度每提高2%,兩種電石渣穩(wěn)定土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高20%和10%以上。為滿足道路底基層的強(qiáng)度要求,在電石渣穩(wěn)定土施工時(shí)必須嚴(yán)格控制壓實(shí)度,土樣1的壓實(shí)度應(yīng)不低于95%,土樣2的壓實(shí)度應(yīng)不低于97%。

        (3)隨著養(yǎng)生溫度的升高,電石渣與土體的反應(yīng)過(guò)程加快,穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。養(yǎng)生溫度由10 ℃升高到30 ℃時(shí),電石渣穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度可提高50%以上。提高養(yǎng)生溫度可以加快電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度的形成,施工結(jié)束后土樣1的養(yǎng)生溫度應(yīng)在10 ℃以上,土樣2的養(yǎng)生溫度應(yīng)在20 ℃以上。

        (4)電石渣與土發(fā)生的火山灰反應(yīng)進(jìn)程緩慢,其強(qiáng)度在較長(zhǎng)齡期內(nèi)始終保持增長(zhǎng),但前期增長(zhǎng)速度大于后期。

        (5)基于壓實(shí)和養(yǎng)生建立的電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度預(yù)估模型具有較高的擬合精度,可為電石渣穩(wěn)定土的施工提供依據(jù)。

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