赤泥摻入對水泥土滲透系數的影響

米棟云,李　熠,2,田高源,董曉強,2

(1.太原理工大學建筑與土木工程學院, 山西太原030024；2.山西省交通科學研究院黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室， 山西太原030006)

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赤泥摻入對水泥土滲透系數的影響

米棟云1,李熠1,2,田高源1,董曉強1,2

(1.太原理工大學建筑與土木工程學院, 山西太原030024；2.山西省交通科學研究院黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室， 山西太原030006)

為了研究赤泥的摻入對水泥土滲透系數的影響，通過將不同量的赤泥摻入到水泥土中，進行不同滲透壓和不同齡期下的水泥土滲透試驗，繪制赤泥摻入量、滲透壓、養護齡期與水泥土滲透系數的相互關系曲線，進而分析赤泥的摻入對水泥土滲透系數的影響。試驗研究結果表明：赤泥的摻入極大地減小水泥土的滲透系數，有助于提高水泥土的抗滲性；隨著滲透壓和養護齡期的增加，不同赤泥摻入量的水泥土的滲透系數變化趨勢一致，基本保持穩定。

赤泥;滲透系數;固化劑;滲透壓

0　引　言

赤泥是一種化學成分十分復雜的工業廢料，隨著氧化鋁工業的快速發展，大量的赤泥堆積在農田、建設用地，污染土壤和地下水源，嚴重地影響了人們正常的生活和工作。近年來，人們的環保意識逐漸地提高，迫切地需要解決赤泥帶來的環境問題，提高赤泥的綜合利用率和增加利用赤泥的方案。許多國內外學者都對其進行了研究，Kumar等[1]提出將赤泥用來制作水泥，并且對水泥赤泥混凝土的強度特性進行了研究；Senff等[2]研究了將赤泥運用于砂漿中，并且研究了赤泥砂漿的流變和硬度；齊建召等[3]將赤泥運作道路基層材料；滲透性是土的基本的力學性質之一[4]，在實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，準確地測試土的滲透系數就比較困難，近年來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]開發了一種新的方法測試透氣性，研究孔隙中的氣體對非飽和土的滲透系數的影響；Park[6]研究通過建立ANN模型來合理估算滲透系數的可能性；Huang等[7]采用特殊的三軸滲透儀，使得能夠在凈正應力和吸力值的各種組合下，直接測量滲透系數；Dolzyk等[8]采用一系列公式預測非塑性土壤的滲透系數和進行八個不同土壤孔隙率的室內試驗來比較土壤的滲透系數；顧正維等[9]關于固化土滲透性的試驗研究，對止水帷幕的設置有指導意義；張虎元等[10]利用柔性壁滲透儀測定膨潤土改性黃土的滲透系數，并且利用掃描電鏡照片分析了膨潤土改性黃土的微觀孔隙結構，揭示了改性黃土滲透系數變化的原因；湯怡新等[11]通過大量的試驗，探討分析了水泥土的幾個重要工程特性，主要包括水泥土的滲透性、抗壓強度、早期抗剪強度。楊波等[12]進行了原狀黃土和重塑黃土的柔性壁滲透試驗的對比，分析了滲透過程中滲透系數、孔隙比、土體變形的變化關系，進而研究了土體結構的變化。本文提出一種新的利用赤泥的方案，通過將赤泥按一定的比例和水泥混合，構成固化劑，對黃土進行固化，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，試驗研究對于固化土在工程領域抗滲方面的運用有著重要的參考價值。

1　材料與方法

1.1試驗材料

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

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

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

1.2試樣制備

黃土：取預定質量的黃土，搗碎，放置于100 ℃的烘箱中，烘干24 h，充分烘干后取出，過2 mm篩；赤泥：首先要經過碾碎、烘干，然后用球磨機研磨1 h，過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。在最優含水量下，加水濕拌均勻后，按照混合料的密度1.83 g/cm3稱取每個試樣的用量，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準養護箱中養護，且設置養護箱的參數：溫度為20 ℃、濕度為95%。

1.3滲透試驗

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

試驗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為透水石、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，減小了滲透過程中側壁漏水的問題，提高滲透試驗精度。試驗方法參照ASTM-D5084—10標準測定固化土的滲透系數。

試驗準備，為了充分飽和土樣，在滲透儀上設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，設置五組的滲透壓分別為50、100、150、200、250 kPa，且設置圍壓始終高于滲透壓50 kPa，每次應在滲透速率穩定之后再記錄數據，每隔35 min后逐級增加滲透壓，依次記錄在5組壓力差下的滲透速率。最后根據公式計算不同固化劑配比的土樣在不同滲透壓下的滲透系數。

2　試驗結果與分析

2.1赤泥的摻入對滲透系數的影響

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

圖2固化土的滲透系數隨赤泥摻入量的變化曲線

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

圖3固化土的滲透系數隨赤泥摻入量的變化曲線

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，固化土的滲透系數減小趨勢十分明顯，水泥土的滲透系數為8.7×10-6cm/s要遠遠大于赤泥摻入的滲透系數7.6×10-7cm/s，約為其10倍，故赤泥的摻入可以有效地增強土體的抗滲性。由圖3可以看出，固化土的滲透系數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滲透壓對滲透系數的影響

圖4為固化土(養護齡期7 d)的滲透系數隨滲透壓增大的變化曲線;圖5為固化土(養護齡期14 d)的滲透系數隨滲透壓增大的變化曲線。

由圖4可知，當養護齡期為7 d時，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都是先增大，后減小。

①當赤泥摻入量5%≤c≤15%時，滲透壓為150 kPa時，固化土的滲透系數達到最大值。當滲透壓50 kPa≤P≤150 kPa，隨著滲透壓的增大，固化土的滲透系數逐漸增大。但是當滲透壓大于150 kPa時，由于養護齡期較短和赤泥的水化反應還沒有完成，水化反應生成的膠凝物還比較少和膠凝物膠結土顆粒的固化效果還不是很牢固，所以滲透壓大于150 kPa時，在較大的水力梯度下，膠凝物膠結的土顆粒逐漸被沖散，Ca(OH)2晶體也逐漸被溶解，孔隙結構再次被迫重新組合，滲透水流經過的孔隙通道部分被堵塞，也逐漸減少。故當滲透壓150 kPa

②當赤泥摻入量c>15%時，滲透壓為100 kPa時，固化土的滲透系數達到最大值，但是滲透系數的變化非常的小。故當滲透壓50 kPa≤P≤100 kPa時，隨著滲透壓的增加，水流在孔隙中的流動，帶走了部分未反應的赤泥雜質，使得孔隙結構變得稍微通暢，故固化土滲透系數有所增加；當滲透壓P>100 kPa時，在較大的水力梯度下，土顆粒的膠結會被破壞，孔隙通道再次被堵塞，故固化土滲透系數會減小。

由圖5可知，當養護齡期為14 d時，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也會出現一個波峰，但總體的變化不是很大。說明隨著養護齡期的增加，水泥和赤泥的水化反應基本完成，生成的膠凝物膠結土顆粒，重新形成新的土體結構。故隨著滲透壓的增加，固化土的滲透系數基本保持不變。

圖4固化土P-k的變化曲線(7 d)

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

圖5固化土P-k的變化曲線(14 d)

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

2.3養護齡期對滲透系數的影響

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

圖6為固化土的滲透系數隨著養護齡期增加的變化曲線。由圖6可以看出，當赤泥摻入量5%≤c≤20%時，隨著養護齡期的增加，滲透系數逐漸增加，但是增加的趨勢減小。當赤泥摻入量c>20%時，隨著養護齡期的增加，滲透系數保持不變。

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

②當赤泥摻入量c>20%時，赤泥的摻入量過多，赤泥中的游離堿溶解，抑制水泥的水化反應，從而阻礙赤泥的水化，無法生成大量的膠凝物和Ca(OH)2晶體膠結土顆粒，達不到固化土體的效果，故導致土體孔隙結構十分混亂，土體結構不穩定，滲透系數較低。而且隨著養護齡期的增加，并不能改變土體的內部結構，不能引起滲透系數的改變。故隨著養護齡期的增加，滲透系數保持不變。

3　結　語

對于此次固化土的滲透試驗，主要研究在不同滲透壓和不同赤泥摻入量下，經過飽和的固化土的滲透系數的變化，所得結論如下：

①赤泥的摻入會極大減小固化土的滲透系數，但是固化土的滲透系數并不是隨著赤泥摻入量的增加一直在減小。當赤泥摻入量10%20%，固化土的滲透系數會保持穩定。

②固化土(7 d)的滲透系數隨著滲透壓增大，先增加后減小，滲透壓為100～150 kPa時，固化土(7 d)的滲透系數達到最大值。養護齡期在7d以上時，固化土的滲透系數隨著滲透壓增大，變化趨勢不是很明顯，幾乎保持穩定。

③當赤泥摻入量c≤20%時，固化土的滲透系數隨著養護齡期的增加而增加。當赤泥摻入量c>20%時, 隨著養護齡期的增加，固化土的滲透系數不再變化。

[1]KUMAR V, JHA A K, NAUTIYAL B D, et al.Use of neutralized red mud in concrete[J]. Indian Concrete Journal, 1989, 10:505-507.

[2]SENFF L, MODOLO R, SILVA A S, et al.Influence of red mud addition on rheological behavior and hardened properties of mortars[J]. Construction and Building Materials, 2014, 65(13): 84-91.

[3]齊建召,楊家寬,王梅,等.赤泥做道路基層材料的試驗研究[J]. 公路交通科技, 2005,22(6): 30-33.

[4]黃文熙.土的工程性質[M]. 北京:水利電力出版社,1983.

[5]KAMIYA K, BAKRIE R, HONJO Y.A new method for the measurement of air permeability coefficient of unsaturated soil[J]. The Fourth International Conference on Unsaturated Soils, 2006，189: 1741-1752.

[6]PARK H I.Development of neural network model to estimate the permeability coefficient of soils[J]. Marine Georesources and Geotechnology, 2011, 29(4): 267-278.

[7]HUANG S Y, FREDLUN D G, BARBOUR S L.Measurement of the coefficient of permeability for a deformable unsaturated soil using a triaxial permeameter[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1998, 35(3):426-432.

[8]DOLZYK K, CHMIELEWAKA I.Predicting the coefficient of permeability of non-plastic soils[J]. soil mechanics & foundation engineering, 2014, 51(5):213-218.

[9]顧正維,孫炳楠,董邑寧.粘土的原狀土、重塑土和固化土滲透性試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報,2003,22(3):508-508.

[10]張虎元,趙天宇,吳軍榮,等.膨潤土改性黃土襯里防滲性能室內測試與預測[J]. 巖土力學, 2011, 33(7):1963-1969.

[11]湯怡新,劉漢龍,朱偉,等.水泥固化土工程特性試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2000, 22(5): 549-554.

[12]楊波，周偉，董曉強，等.飽和黃土滲透過程變形與滲透系數關系初探[J]. 廣西大學學報(自然科學版),2015,40(2): 325-330.

(責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

山西省國際科技合作項目(2015081055);黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室開放課題資助項目(KLTLR-Y13-4);山西省研究生教育創新項目(2015BY25)

董曉強(1974—)，男，山西霍州人，太原理工大學教授，博士生導師；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.赤泥的摻入對水泥土滲透系數的影響[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1095-1100.