尹 松,王玉隆,黃家寧,劉鵬飛,李新明

(1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院,河南 鄭州 450007;2.巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071)

赤泥是氧化鋁提煉過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物,在我國(guó)以露天堆存為主,其長(zhǎng)期堆存不僅占用土地且造成污染,給社會(huì)帶來(lái)一系列環(huán)境與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題[1]。對(duì)赤泥進(jìn)行改良并實(shí)現(xiàn)資源化利用,可緩解其大量堆存所誘發(fā)的不利影響[2-3]。

赤泥中含有大量Si、Al等活性物質(zhì),將赤泥用于路基填筑,在滿足路用性能的同時(shí),也須滿足各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)要求。目前學(xué)者們對(duì)于赤泥的路用性能及其環(huán)境影響已開展大量研究,并取得有益結(jié)論。如孫兆云等[4]研究發(fā)現(xiàn)拜耳法赤泥具有液限高、強(qiáng)度低、水穩(wěn)性差等特性,程鈺等[5]也通過(guò)研究得出了類似結(jié)論。所以將赤泥用于路基填筑需對(duì)其進(jìn)行改良,在滿足路用性能要求的基礎(chǔ)上應(yīng)用。對(duì)此,陳瑞峰[6]等研究發(fā)現(xiàn),隨赤泥含量的增加,改性黃土的抗壓強(qiáng)度和粘聚力逐漸增大;齊建召等[7]利用石灰、水泥等多種材料對(duì)赤泥進(jìn)行改良,得到了滿足高等級(jí)公路基層強(qiáng)度的配比;張?jiān)频萚8]將赤泥、水泥、石灰等作為結(jié)合料來(lái)穩(wěn)定級(jí)配碎石,證明赤泥基半剛性材料滿足強(qiáng)度與變形要求。環(huán)境影響方面,孫兆云等[9]對(duì)兩種不同地域赤泥進(jìn)行危險(xiǎn)物含量,浸出毒性及腐蝕性測(cè)試,判定兩種赤泥均屬于第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢棄物;馬琳[10]等將赤泥改性固化后鋪設(shè)試驗(yàn)路基,并進(jìn)行長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)和監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)赤泥中重金屬離子難以遷移到土壤中,且赤泥路基放射性很低,符合規(guī)范要求。由此可知,赤泥基改性材料在路用性能及環(huán)境影響方面均滿足要求,可用作路基填料。

粉砂土在我國(guó)廣泛分布,利用傳統(tǒng)材料對(duì)赤泥基粉砂土進(jìn)行改良并用于路基填筑,以達(dá)到消納赤泥的目的,符合固廢資源化利用的發(fā)展理念。壓實(shí)度是公路施工質(zhì)量的表征指標(biāo),而擊實(shí)特性對(duì)壓實(shí)度的評(píng)價(jià)非常重要。通過(guò)擊實(shí)曲線的變化趨勢(shì)可評(píng)定土體的水敏性。水敏性越強(qiáng),土的壓實(shí)含水率要求越為苛刻,不易達(dá)到理想的壓實(shí)程度。因此,對(duì)填筑材料開展擊實(shí)試驗(yàn),分析其擊實(shí)特性及水敏性,對(duì)指導(dǎo)填土施工質(zhì)量控制具有重要意義。

對(duì)此,王宇洛等[11]研究發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域及工況下的黃土由于其結(jié)構(gòu)差異,水敏性存在較大差異;孫增奎等[12]發(fā)現(xiàn)石灰對(duì)軟巖的水敏性改良效果顯著,而李新明等[13]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)偏高嶺土可有效抑制石灰改良土的水敏性。由此可見,不同類別土的水敏性具有明顯差異,不同結(jié)合料的加入對(duì)土體擊實(shí)水敏性的影響也不盡相同,所以對(duì)于赤泥基改性土的擊實(shí)水敏性研究要結(jié)合改性材料的類別和改性對(duì)象進(jìn)行綜合分析和研判。而目前對(duì)于赤泥基改性土的擊實(shí)特性尚未開展系統(tǒng)研究,對(duì)其水敏性的研究更是鮮有報(bào)道。有必要對(duì)摻加不同結(jié)合料的赤泥基改性粉砂土進(jìn)行擊實(shí)水敏性研究,為赤泥基改性土的路用性能評(píng)價(jià)提供借鑒。

綜上所述,本文開展了不同水泥、二灰(石灰、粉煤灰)摻量下赤泥基改性粉砂土的擊實(shí)試驗(yàn),分析不同改性材料及摻配比例條件下土體含水率與干密度之間的變化關(guān)系,獲得其最大干密度和最佳含水率,并分析其水敏性變化情況。探究不同改性材料與摻量對(duì)赤泥基改性粉砂土擊實(shí)水敏性的影響規(guī)律,并探討赤泥基改性土擊實(shí)特性的主要影響因素及機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自河南省鄭州市經(jīng)開區(qū),赤泥為河南某氧化鋁廠的拜耳法赤泥,其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示,顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430-2020)[14]分類可得,試驗(yàn)用土為含細(xì)砂的粉質(zhì)土(簡(jiǎn)稱粉砂土),赤泥顆粒級(jí)配不良,細(xì)顆粒(≤0.075 mm)含量較多,液塑限較高,親水性強(qiáng)。赤泥與粉砂土中細(xì)顆粒含量分別為90%和35%,利用赤泥改良粉砂土可改善粉砂土的級(jí)配特征。

圖1 試驗(yàn)材料顆粒級(jí)配曲線

表1 試驗(yàn)材料基本物理性質(zhì)指標(biāo)

赤泥對(duì)環(huán)境的污染主要體現(xiàn)在強(qiáng)堿性、重金屬毒性浸出及放射性,本文針對(duì)以上三個(gè)方面對(duì)試驗(yàn)用赤泥進(jìn)行檢測(cè),以判斷赤泥的環(huán)境影響效應(yīng)。根據(jù)《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)通則》(GB 5085.7-2019)[15]中相關(guān)規(guī)定,對(duì)赤泥的腐蝕性和浸出毒性進(jìn)行測(cè)試。浸出毒性測(cè)試結(jié)果見表2～3。由測(cè)試結(jié)果可知,赤泥pH值未超過(guò)規(guī)范限值(>2.0,<12.5),各成分的浸出毒性濃度均低于規(guī)范限制,不屬于危險(xiǎn)固體廢棄物。赤泥放射性比活度為1.8×103,小于放射性固體廢棄物限值7.4×104,屬于非放射性固體廢棄物[16]。由此可知,試驗(yàn)用赤泥屬于一般工業(yè)固體廢棄物,可用于路基填筑。

表2 赤泥浸出毒性測(cè)試結(jié)果(1)

水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,品質(zhì)指標(biāo)如表4所示。粉煤灰等級(jí)為2級(jí),細(xì)度為225目。試驗(yàn)材料主要化學(xué)成分含量如表5所示。

表3 赤泥浸出毒性測(cè)試結(jié)果(2)

表4 水泥

表5 試驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)表1和圖1可發(fā)現(xiàn),赤泥液塑限較高,細(xì)粒含量大,必然存在較強(qiáng)的水敏性。為降低赤泥基改性粉砂土的水敏性,考慮利用水泥、石灰和粉煤灰等傳統(tǒng)無(wú)機(jī)結(jié)合料,對(duì)赤泥基粉砂土進(jìn)行改良,并對(duì)其擊實(shí)水敏性進(jìn)行分析和探究。

在赤泥基改性粉砂土基礎(chǔ)上,以粉砂土干質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)分別加入不同摻配比例的水泥、二灰(簡(jiǎn)稱水泥改性赤泥基粉砂土和二灰改性赤泥基粉砂土),并對(duì)其擊實(shí)特征及水敏性變化規(guī)律進(jìn)行分析。在水泥改性土中,水泥摻量為3%～12%;石灰與粉煤灰之比1∶2為宜,二灰摻量為10%～30%。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430-2020)中擊實(shí)試驗(yàn)方法[14],采用輕型擊實(shí)儀進(jìn)行試驗(yàn),如表6所示。

表6 擊實(shí)試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 赤泥基改性粉砂土擊實(shí)水敏性

不同赤泥摻量下改性粉砂土的擊實(shí)曲線如圖2所示。由圖可見,隨赤泥摻量的增大,整體擊實(shí)曲線先向右上方移動(dòng),赤泥摻量大于8%時(shí),擊實(shí)曲線向右下方移動(dòng)。

圖2 不同赤泥摻量的擊實(shí)曲線

擊實(shí)曲線的陡峭程度反應(yīng)了土體的水敏性。擊實(shí)曲線越陡,說(shuō)明含水率的變化對(duì)干密度的影響越大,土體水敏性越強(qiáng),不易壓實(shí);反之,擊實(shí)曲線越平緩,土體水敏性越弱,更易壓實(shí)。觀察單一擊實(shí)曲線變化趨勢(shì)可得,擊實(shí)曲線的陡峭程度隨赤泥摻量而變化。當(dāng)赤泥摻量小于11%時(shí),8%赤泥摻量的赤泥基改性粉砂土的最大干密度最大,說(shuō)明此時(shí)土體可以達(dá)到更高的壓實(shí)效果;然而此時(shí)擊實(shí)曲線最陡,表現(xiàn)出的水敏性最強(qiáng)。由此可見,赤泥基改性粉砂土的最大干密度增大,但對(duì)其水敏性改良效果不明顯。對(duì)于8%赤泥摻量的改性粉砂土,在實(shí)際施工過(guò)程中如需壓實(shí)至較高的干密度,由于其較強(qiáng)的水敏性,干密度對(duì)含水率較為敏感,施工控制難度較大。因此,在選擇赤泥摻量時(shí)應(yīng)綜合考慮干密度與水敏性的影響。當(dāng)赤泥摻量大于11%時(shí),隨赤泥摻量的增多,擊實(shí)曲線下降幅度減小,最大干密度趨于穩(wěn)定,而擊實(shí)曲線的陡峭程度逐漸增加,土體水敏性逐漸增強(qiáng)。可見赤泥摻量過(guò)多時(shí),表現(xiàn)出較強(qiáng)水敏性。整體而言,相較于素土擊實(shí)曲線,加入赤泥后的擊實(shí)曲線呈現(xiàn)“左緩右陡”的趨勢(shì),赤泥基改性粉砂土的水敏性增強(qiáng)。

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果繪制最大干密度與最優(yōu)含水率隨赤泥摻量變化關(guān)系曲線(圖3)?？砂l(fā)現(xiàn),素土最大干密度隨著赤泥摻量的增加先逐漸增大,赤泥摻量為8%時(shí)達(dá)到最大值1.923 g/cm3;隨后最大干密度隨赤泥摻量增加而減小。且赤泥摻量由8%增加至14%時(shí),最大干密度減小至1.895 g/cm3,降幅為2%,減小幅度較大;赤泥摻量繼續(xù)增加至23%時(shí),最大干密度減小至最小值1.889 g/cm3,減小幅度較小,降幅為0.3%。最優(yōu)含水率隨赤泥摻量持續(xù)增加,由素土?xí)r的9.26%,增加至23%赤泥摻量時(shí)的13.05%;赤泥摻量小于8%時(shí)最優(yōu)含水率增長(zhǎng)較快,大于8%時(shí)增長(zhǎng)較慢。

圖3 最大干密度與最優(yōu)含水率隨赤泥摻量變化曲線

由此可見,赤泥的摻入對(duì)土體的擊實(shí)特性有較大影響,這是由于赤泥的摻入使土體中細(xì)粒含量增加,改變了土體的級(jí)配。未摻加赤泥時(shí),細(xì)顆粒不足以填充土體孔隙,孔隙率較大,密實(shí)效果不佳,如圖4a所示。赤泥摻量適中時(shí)(8%),以粉土粗顆粒形成的骨架結(jié)構(gòu)和填充其間的赤泥顆粒共同形成最密實(shí)狀態(tài),擊實(shí)后的土體更加密實(shí),如圖4b所示。隨赤泥摻量增加,土體中細(xì)顆粒含量繼續(xù)增多,大顆粒被細(xì)顆粒裹覆而處于懸浮于狀態(tài),骨架結(jié)構(gòu)被破壞,擊實(shí)過(guò)程中細(xì)顆粒無(wú)法相互填充,密實(shí)度降低,如圖4c所示。而土體中細(xì)顆粒增加至一定含量時(shí),土體中粗顆粒已被細(xì)顆粒完全包裹,粗顆粒形成的骨架結(jié)構(gòu)被完全破壞,此狀態(tài)下繼續(xù)增加細(xì)顆粒含量對(duì)土體的最大干密度影響程度減小,因此赤泥摻量大于14%時(shí),最大干密度隨赤泥摻量的增加降幅較小。

圖4 干密度隨赤泥摻量變化示意圖

土顆粒表面的吸附水膜在擊實(shí)過(guò)程中起潤(rùn)滑作用,這一作用使土體易于被擊實(shí),而赤泥顆粒較細(xì)。親水性強(qiáng),赤泥的摻入增大了土體的比表面積,使起潤(rùn)滑作用的所需水量增加。另外,赤泥顆粒附帶的大量離子,顆粒表面結(jié)合水膜較厚,導(dǎo)致最優(yōu)含水率數(shù)值偏高,土體表現(xiàn)出更強(qiáng)的吸水性,因此改性粉砂土的最優(yōu)含水量隨赤泥摻量的增大而增大。

因此,考慮赤泥對(duì)于粉砂土擊實(shí)特性的影響,為增大赤泥的路基填筑用量且保證壓實(shí)控制質(zhì)量,需對(duì)其進(jìn)一步改良處理,降低擊實(shí)水敏性。

2.2 水泥改性赤泥基粉砂土擊實(shí)水敏性

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果,以粉砂土干質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)加入水泥,依據(jù)表6試驗(yàn)方案,開展不同赤泥、水泥摻量下的擊實(shí)試驗(yàn)。圖5為同一水泥摻量下,不同赤泥摻量的改性粉砂土擊實(shí)曲線。可發(fā)現(xiàn),相較于2.1小節(jié)赤泥基改性粉砂土,摻加水泥后改性土的擊實(shí)曲線平緩程度增強(qiáng)。0%赤泥摻量時(shí)水泥改性赤泥基粉砂土的擊實(shí)曲線最為平緩,隨赤泥摻量增加曲線的陡峭程度增大。由此可見,摻入水泥后,改性土水敏性均有所改善,但隨赤泥摻量的增多改性土的水敏性仍有所增強(qiáng);且對(duì)比發(fā)現(xiàn)水泥摻量越多,這一現(xiàn)象越明顯。這說(shuō)明了水泥對(duì)赤泥基粉砂土水敏性的改性效果較弱,并未解決改性土隨赤泥摻量增多水敏性增強(qiáng)的問(wèn)題;且對(duì)于水敏性改善效果而言,水泥摻量并非越多越好。

圖5 不同赤泥摻量的擊實(shí)曲線

觀察整體擊實(shí)曲線變化趨勢(shì)可得,各水泥摻量下,隨赤泥摻量的增加,擊實(shí)曲線向右下方移動(dòng)。最大干密度隨赤泥摻量的增加而減小,最優(yōu)含水率隨赤泥摻量的增加而增大,以12%水泥摻量時(shí)最優(yōu)含水率和最大干密度為例進(jìn)行說(shuō)明,如圖6所示。這一變化趨勢(shì)與赤泥基改性粉砂土相同,在此不再贅述。

圖6 最大干密度與最優(yōu)含水率變化關(guān)系曲線(12%水泥)

2.3 二灰改性赤泥基粉砂土擊實(shí)水敏性

對(duì)不同二灰摻量下的改性赤泥基粉砂土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),對(duì)不同配比土樣進(jìn)行編號(hào),如表7所示。得到各配比擊實(shí)曲線如圖7所示。由圖可見,赤泥基改性粉砂擊實(shí)土水敏性隨二灰摻量的不同呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。整體而言,二灰改性赤泥基粉砂土擊實(shí)曲線較為平緩,水敏性較弱。說(shuō)明二灰對(duì)赤泥基改性粉砂土水敏性改善效果良好。進(jìn)一步分析可得,二灰摻量為10%時(shí),擊實(shí)曲線最為平緩,水敏性最弱;隨二灰摻量增加至20%和30%時(shí),擊實(shí)曲線平緩程度有所減弱,水敏性增強(qiáng)。說(shuō)明過(guò)大的二灰摻量對(duì)土體水敏性的抑制作用有所減弱,二灰摻量并非越多越好。而在相同二灰摻量下,隨赤泥摻量的增加,改性土擊實(shí)曲線逐漸平緩,其水敏性逐漸減小。由此可見,相較于水泥改性赤泥基粉砂土,二灰改性赤泥基粉砂土可以在保證壓實(shí)質(zhì)量的前提下,增大赤泥的路用量,且不會(huì)因其水敏性強(qiáng)而對(duì)壓實(shí)施工造成不利影響。

表7 二灰改性赤泥基粉砂土配合比

圖7 二灰改性赤泥基粉砂土擊實(shí)曲線

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果繪制不同配合比改性土最大干密度與最優(yōu)含水率變化關(guān)系曲線,如圖8所示。由圖可見,最優(yōu)含水率與最大干密度變化趨勢(shì)根據(jù)赤泥摻量的不同可分為三部分。對(duì)比可得相同二灰摻量條件下改性土擊實(shí)特性隨赤泥摻量的變化規(guī)律。以2、5、8號(hào)配比為例,二灰摻量為20%時(shí),隨著赤泥摻量的增大,改性土最大干密度逐漸減小,最優(yōu)含水率逐漸增大,變化規(guī)律及機(jī)理與赤泥基改性粉砂土相同。以1、2、3號(hào)配比為例,赤泥摻量為17%時(shí),隨二灰摻量的增加其最大干密度逐漸減小,最優(yōu)含水率逐漸增大。由于粉煤灰與赤泥相似,其顆粒較細(xì),表面積較大,持水性強(qiáng),顆粒間摩阻力大,達(dá)到最大干密度所需的起潤(rùn)滑作用的水分較多,赤泥基改性粉砂土最優(yōu)含水率隨二灰摻量增加而增大。

圖8 不同配比最優(yōu)含水率與最大干密度變化趨勢(shì)

2.4 對(duì)比分析

對(duì)比分析水泥、石灰赤泥基改性粉砂土的擊實(shí)水敏性,認(rèn)為二灰對(duì)赤泥基改性粉砂土的水敏性改善效果優(yōu)于水泥,并非水泥或二灰摻量越多對(duì)赤泥基粉砂土的擊實(shí)水敏性改善效果越好,應(yīng)選取適量的水泥或二灰進(jìn)行外摻改良。

對(duì)于水泥赤泥基改性粉砂土,水泥對(duì)赤泥基粉砂土的改性效果較弱,相同水泥摻量下隨赤泥摻量的增多改性土的水敏性仍有所增強(qiáng)。而對(duì)于二灰赤泥基改性粉砂土,在相同二灰摻量時(shí),隨赤泥摻量增加改性土水敏性減弱,可見利用二灰改性赤泥基粉砂土可以按比例摻加更多的赤泥而不會(huì)影響其水敏性。

綜上,二灰對(duì)赤泥基改性粉砂土利于實(shí)際施工壓實(shí)質(zhì)量控制,且可以摻加更多的赤泥,達(dá)到盡可能多的消耗赤泥的目的。

3 結(jié) 論

(1)赤泥基改性粉砂土的最大干密度隨赤泥摻量的增加呈“單峰”變化趨勢(shì),赤泥摻量為8%時(shí)達(dá)到最大干密度峰值。

(2)隨水泥與二灰摻量的增大,赤泥基改性粉砂土最大干密度逐漸減小,最優(yōu)含水率逐漸增大。水泥改性赤泥基粉砂土最大干密度均大于二灰改性赤泥基粉砂土。

(3)赤泥基改性粉砂土的擊實(shí)曲線呈“左緩右陡”趨勢(shì),水敏性較強(qiáng)。水泥與二灰對(duì)赤泥基粉砂土的水敏性均具有改善作用,但均存在最優(yōu)摻量。

(4)二灰對(duì)赤泥基改性粉砂土水敏性的改善效果較優(yōu)于水泥,利于實(shí)際施工壓實(shí)質(zhì)量控制,且可達(dá)到盡可能多的消耗赤泥的目的。