赤泥-石灰土路基材料制備與性能研究

劉碧媛

（甘肅省隴南市成縣交通運輸局，甘肅 隴南 742500）

0 引言

我國地大物博，資源富足，地域遼闊，土地資源種類繁多。但是隨著近年來工業發展迅速，環境污染問題與日俱增，工業排放的廢水、廢液、化學廢料，酸雨等等對各類土體的污染，改變了土質的結構與性質，從而引發了一系列地質災害以及工程問題[1-2]。為解決土壤結構與性質的惡化問題，土壤固化與穩定化技術隨之而出[3]，并可根據土質類型差異對應不同的固化技術，例如赤泥等固化廢棄物可與土體發生固化反應，從而修復受損土壤。根據土壤的不同對應不同的土壤加固這種因材施教的方法，不僅相對廉價并且不會對環境產生二次危害。目前固化劑：水泥、石灰、粉煤灰等比較常見。孫冬青等[4]發現高含水率和豐富有機質的水廠廢料的最佳方法是通過固化處理，并以傳統固化劑水泥石灰進行固化，之后作為路基填土使用，并添加強氧化劑分解有機質可以提高固化劑的固化效果。邵桂彬[5]通過結合土工復合材料的制約性、區域性等特點，對土質施工、沉降、驗收等進行分析，實踐表明：土工復合材料的應用對于路基沉降問題和路基結構性問題提供了有效的性能支撐，可進行推廣和應用。李琬菁等[6]針對含油污以及毒性的廢料殘渣進行分析和處理，指出了含油污毒性的廢料處理和管理的重要依據以及幫助，引導全國對于污染后的廢料無污化處理，資源化處理。楊亞東等[7]針對鐵尾礦廢渣對周圍生態環境造成破壞以及資源浪費等現象，利用鐵尾礦殘余價值，將鐵尾礦與建筑廢料等進行加工組合，并加入土壤改良劑，提高了土壤的肥力等，但其發展空間有限，并展望積極探索新的利用路徑。張曉軍[8]通過CBR（California Bearing Ratio）試驗對合成粉質黏土路基進行了探討，試驗結果表明：單、雙層土人工合成材料增加后CBR 隨之有不同程度的增加，土工格柵放置高度對CBR 的增加程度也不盡相同。劉浩等[9]為解決建筑垃圾的資源化與合理化問題，將石灰與礦粉與建筑垃圾材料進行結合作為新型路基材料，研究結果表明：摻入石灰與礦粉明顯提高路基的強度與水穩定性，此項研究對于天然砂石料的日益枯竭問題十分有益。丁慧等[10]通過對固化疏浚淤泥作路基材料工程特性試驗研究，試驗結果表明：固化劑摻量不同其最大干密度與最優含水量均超過一定范圍，當礦粉含量遠超粉煤灰時，路基材料的承載能力越高，抗剪強度也隨之增加，當淤泥、粉煤灰、礦粉比例為7∶1∶2 時，已經達到中高級高速公路路基材料的最低要求。

上述不少學者對建筑廢料、磚砼類再生集料等建筑固體廢料進行加工后用于路基填料的制備，但是對于赤泥這種化學原料居多且復雜的固體廢料的利用與加工研究較少，因此本文旨在對赤泥—石灰土路基材料制備進行介紹，并通過室內試驗，對其路基土的性能進行研究。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料與參數

本實驗材料主要為赤泥與石灰，其中赤泥選自某鋁廠排泄廢物中，石灰成為為氧化鈣（化學式CaO）氧化鈣不低于98%。基本土質選為黃土，黃土取自某建筑工地，挖掘深度為5 m 基坑內部，產地類型為Q3場地，試驗用水采用去除水中酸性堿性物質的蒸餾水，目的為排除水中酸堿性對試驗的影響。黃土與赤泥的基本物理指標與赤泥分解化學成分酸堿性詳見表1、2。

表1 黃土與赤泥基本物理指標

表2 赤泥化學成分表

為研究赤泥-石灰土作為路基土的具體性質，將上述材料固化形成路基土混合料。試驗時，將黃土、生石灰、赤泥按照一定的比例進行混合，本試驗共制作三組試件其中黃土與生石灰百分比不改變，通過改變赤泥的含量來進行制作試件（其中生石灰與赤泥的比例為干黃土質量百分比）。最終按照擊實試驗得到的最優含水率與最大干密度進行配比，并制備成由石灰土混合而成的赤泥-石灰固化土。其中制成試件的比例按照表3 進行分類混合。

表3 赤泥-石灰路基土混合料配比表

通過簡單地擊實試驗結果可知，赤泥-石灰土路基填料隨著赤泥含量的增加，最優含水率逐漸增加，而最大干密度則與之相反。

1.2 試驗方法與設備

為了探究赤泥-石灰土路基材料是否滿足路基材料的基本性能，本文通過不同赤泥摻量的抗剪強度試驗來檢測路基材料試件的抗剪強度是否滿足路基材料的強度。通過不同赤泥摻量的滲透性來檢測試件的滲透系數是否滿足路基材料標準。

直接剪切試驗根據《土工試驗方法標準》進行，試驗中試件養護時間為7d，豎向壓強為100 kPa。透水試驗首先將試驗儀器所需的透水石、濾紙、橡皮膜套好的試件、底座和密封圈等必要部分裝好并注水飽和，飽和后的上下反壓為200 kPa，滲透儀圍壓為250 kPa，確保試驗儀器內部無氣體。待到試件充分飽和后，滲透試驗選取50～250 kPa5 個滲透壓進行試驗，每級滲透壓間隔50 kPa。試驗記錄讀數并計算滲透系數，滲透系數見式（1）。抗剪強度試驗采用的是應變控制式四聯電動直剪儀，滲透試驗采用的是柔性壁滲透儀，試驗儀器詳見圖1、圖2。

圖1 四聯電動直剪儀

圖2 柔性壁滲透儀

滲透系數k 的計算公式為：

式中：ΔQ 為滲流量；L 為試件長度；ρ 為試驗用水的密度；g 為重力加速度，本文為方便計算取g=10 N/kg；A0為試件橫截面積；ΔP 為壓強差；Δt 為滲流量為ΔQ的時間。

3 試驗結果與分析

3.1 直剪試驗分析

通過對赤泥含量不同的3 種試件進行直剪試驗，分別記錄不同應變情況下對應的剪應力，并對剪應力和應變進行記錄并繪制赤泥含量不同的應力應變曲線見圖3。

圖3 赤泥-石灰土剪應力-應變曲線

由圖3 可見，通過對赤泥-石灰土路基材料的直剪試驗發現，當赤泥-石灰土路基材料隨著赤泥含量的增加，其抗剪強度會先增加后減小。當赤泥含量達到30%時，抗剪強度可達200 kPa 以上，當赤泥含量繼續增加到40%后，其抗剪強度有所下降，但強度依舊要強于赤泥含量為20%時。這可能是由于加入過量的赤泥之后，吸收的土體中的水分，石灰固化也需要消耗水分，當試件中的水分不足時，使得試件無法有效粘結，從而降低的試件整體的附加強度，也就導致了試件的抗剪強度隨之降低。

3.2 滲透試驗分析

通過滲透試驗，根據不同的滲透壓強記錄滲透系數所需數據并進行計算，計算結果見圖4。

圖4 赤泥-石灰土滲透系數曲線

由圖4 可知，隨著赤泥摻量的增加，赤泥-石灰路基土試件的透水系數逐漸減小，意味著抗滲性能逐漸增強，當赤泥摻量為20%時，其抗滲性能隨著滲透壓的增大滲透系數極其不穩定，可能是由于赤泥-石灰路基土試件內部反應不充分，導致孔隙和水化膠凝物質過多，導致抗滲性不足，當赤泥含量持續增加時，赤泥-石灰路基土試件的抗滲性能逐漸增強，并且隨著滲透壓強的增加，雖然滲透系數依舊會發生輕微變動，但幅度并不明顯。意味著其抗滲性能也逐漸穩定。

4 結論

為了探究赤泥-石灰路基土能否滿足路基土的基本性能，通過室內直剪試驗與滲透試驗，分析了不同赤泥摻量下各試驗指標，結果如下：

（1）當赤泥-石灰土路基材料隨著赤泥含量的增加，其抗剪強度會先增加后減小。赤泥-石灰土路基材料的抗剪強度在赤泥含量為30%左右時會達到最大值。

（2）赤泥-石灰土路基材料隨著赤泥含量的逐漸增加，其抗滲性越來越強；其滲透系數會隨著滲透壓強的增加而逐漸增大。

（3）控制好赤泥含量，赤泥-石灰土路基材料可以較好地滿足路基材料的抗滲性能與剪切強度等基本性能。