摻硫酸渣、石灰改良紅黏土的室內(nèi)試驗(yàn)研究

［關(guān)鍵詞］ 改良紅黏土；硫酸渣；石灰；強(qiáng)度特征；變形特征

紅黏土是一種特殊性土，其脹縮性、裂隙性及分布不均勻性等不良工程性質(zhì)給工程安全造成了極大隱患[1]。對(duì)于紅黏土路基，常用的處理方法為改良法。目前，對(duì)于改良紅黏土常用的方法為物理改良法與化學(xué)改良法。物理改良法通過(guò)向紅黏土中添加碎石[2]、纖維[3-5]、廢棄輪橡膠顆粒[6]等材料來(lái)改良紅黏土的工程性質(zhì)，提高紅黏土的強(qiáng)度與整體性。化學(xué)改良法將石灰[7-9]、水泥[10-11]、粉煤灰[12]等材料添加到紅黏土中，通過(guò)材料與紅黏土之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，使土顆粒黏聚在一起，從而達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。

硫酸渣又稱“硫酸燒渣”或“燒渣”，是以硫鐵礦制取硫酸時(shí)排出的一種固體工業(yè)廢渣。我國(guó)每年產(chǎn)生硫酸渣超過(guò)兩千萬(wàn)噸，占工業(yè)廢渣的三分之一，但是利用率僅為30%，未被利用的硫酸渣則作為廢棄物堆存，不僅浪費(fèi)資源，還占用土地，影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)[13]。當(dāng)前硫酸渣主要用于提取貴重金屬、制作顏料、制作磚和水泥的添加劑等，用硫酸渣改良土的研究還鮮有報(bào)道。硫酸渣主要成分為Fe2O3、Fe3O4、SiO2、Al2O3，均具有一定的活性，摻入石灰后在水的作用下發(fā)生凝硬反應(yīng)，水化產(chǎn)物能使土顆粒粘結(jié)起來(lái)，提高土體強(qiáng)度與水穩(wěn)定性。因此，本文采用硫酸渣作為改良紅黏土的新材料，結(jié)合石灰改良土的研究現(xiàn)狀，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)硫酸渣和石灰改良紅黏土的可行性進(jìn)行研究。

1. 試驗(yàn)材料

1.1 紅黏土

試驗(yàn)所用紅黏土取自云南省蒙自市，取土點(diǎn)巖性主要為寒武系上統(tǒng)博菜田組灰?guī)r，表層覆蓋紅褐色灰?guī)r殘積土，為典型紅黏土。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

由表1 可以看出，試驗(yàn)所用紅黏土液限ω_L 為59.2%，塑限ω_p為28.1%，塑性指數(shù)I_p為31。《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50145-2007）[14]對(duì)高液限黏土的判斷標(biāo)準(zhǔn)為Ip≥0.63（ω_L-20）和I_p≥10，ω_L≥40，試驗(yàn)所用紅黏土符合規(guī)范對(duì)高液限黏土的規(guī)定。

1.2 硫酸渣

試驗(yàn)所用硫酸渣來(lái)自宿州硫酸廠，顏色呈黑色，其化學(xué)成分如表2所示。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)硫酸渣的物理性質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)表3。其粒徑分布曲線見(jiàn)圖1。

從表2和表3可以看出，試驗(yàn)所用硫酸渣全鐵含量為55.4%，SiO₂ 和Al₂O₃ 總量占比超過(guò)30%，活性指數(shù)70.5%。硫酸渣塑性指數(shù)僅為13，表明其親水性低，粒徑以粉粒為主。

2. 硫酸渣和石灰混合改良紅黏土的強(qiáng)度特征

2.1 試驗(yàn)方案

采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)硫酸渣和石灰混合改良紅黏土的強(qiáng)度進(jìn)行研究，選取無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角作為分析指標(biāo)，得到硫酸渣和石灰混合改良紅黏土的最佳混合配比。試驗(yàn)選定的影響因素有3個(gè)：硫酸渣摻量（A）、石灰摻量（B）、養(yǎng)護(hù)齡期（C），設(shè)置試驗(yàn)因素水平如表4所示。L9（34）是滿足要求的最小的正交表，因此選用L9（34）型正交表進(jìn)行試驗(yàn)，得到試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。硫酸渣摻量與石灰摻量按照硫酸渣質(zhì)量：混合土總質(zhì)量、石灰質(zhì)量：混合土總質(zhì)量計(jì)算。

取風(fēng)干紅黏土碾碎過(guò)2 mm篩，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平摻入相應(yīng)質(zhì)量的硫酸渣和石灰，按土樣最優(yōu)含水率計(jì)算用噴壺加入相應(yīng)質(zhì)量的去離子水，拌和均勻后靜置一晝夜讓水分均勻分布。用重塑筒將土樣分3層擊實(shí)制成直徑40 mm、高度80 mm 的試樣，根據(jù)試驗(yàn)方案置于保濕缸中養(yǎng)護(hù)相應(yīng)的齡期，采用應(yīng)變式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀測(cè)定試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

黏聚力和內(nèi)摩擦角通過(guò)直剪試驗(yàn)得到。素土與改良材料混合過(guò)程與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)一致，制備試樣過(guò)程有所不同。將混合好的土樣用環(huán)刀擊實(shí)筒擊實(shí)成底面積30 cm²、高2 cm的試樣，每個(gè)試樣制備三個(gè)平行試樣，用保鮮膜密封后貼好標(biāo)簽，置于保濕缸中養(yǎng)護(hù)至指定齡期。采用應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)定試樣抗剪強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行極差分析和方差分析，計(jì)算出各因素不同水平的均值和極差，結(jié)果見(jiàn)表6，各因素的偏差平方和、自由度、均方、F值和顯著性結(jié)果見(jiàn)表7。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角的分析結(jié)果中，均是石灰摻量的極差最大，養(yǎng)護(hù)齡期的極差次之，硫酸渣摻量的極差最小，三個(gè)因素敏感性排序?yàn)槭覔搅浚攫B(yǎng)護(hù)齡期＞硫酸渣摻量。在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)三個(gè)試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)各因素不同水平的均值進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，硫酸渣摻量為10%時(shí)混合改良土的強(qiáng)度最大，石灰摻量為8%時(shí)混合改良土的強(qiáng)度最大，養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)混合改良土強(qiáng)度最大。根據(jù)方差分析結(jié)果，石灰摻量顯著性＞養(yǎng)護(hù)齡期顯著性＞硫酸渣摻量顯著性，與極差分析結(jié)果一致。綜合上述分析結(jié)果可知，硫酸渣和石灰混合改良土的最優(yōu)組合為硫酸渣摻量10%，石灰摻量8%，養(yǎng)護(hù)齡期14d。

3. 硫酸渣和石灰混合改良紅黏土的變形特征

硫酸渣和石灰混合改良紅黏土的變形特征包括壓縮變形特征和干濕循環(huán)變形特征。在研究硫酸渣和石灰混合改良紅黏土的變形特征時(shí)，設(shè)置石灰摻量分別為0%、6%、8%，硫酸渣摻量為0%、5%、10%、15%，養(yǎng)護(hù)齡期統(tǒng)一設(shè)置為7d。

3.1 壓縮變形特征

由壓縮試驗(yàn)結(jié)果可得改良土壓縮系數(shù)變化曲線見(jiàn)圖2，改良土壓縮模量曲線見(jiàn)圖3，改良土壓縮指數(shù)變化曲線見(jiàn)圖4，改良土回彈指數(shù)變化曲線見(jiàn)圖5。

由圖2和圖3可知，素土的壓縮系數(shù)為0.266 MPa^-1，壓縮模量為8.162 MPa，屬于中等壓縮性土。摻入石灰后，素土的壓縮系數(shù)顯著減小，壓縮模量增大，土體的壓縮性減小，表明石灰能顯著降低紅黏土的壓縮性。當(dāng)硫酸渣摻量小于10%時(shí)，素土與摻石灰的混合土的壓縮系數(shù)均隨著硫酸渣摻量的增大而減小，壓縮模量隨著硫酸渣摻量的增大而增大；硫酸渣摻量大于10%時(shí)變化趨勢(shì)相反，表明一定量的硫酸渣能降低紅黏土和石灰改良紅黏土的壓縮性，而過(guò)量硫酸渣顆粒起到潤(rùn)滑作用，增大了土的壓縮性。石灰摻量8%，硫酸渣摻量10% 的混合改良土壓縮系數(shù)為0.098 MPa^-1，壓縮模量為20.898 MPa，達(dá)到了低壓縮性土的標(biāo)準(zhǔn)。

由圖4和圖5可知，素土的壓縮指數(shù)為0.427，回彈指數(shù)為0.0946，摻入石灰后壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)降低，摻入8%石灰后壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)減小到0.261和0.0287。這是由于摻入石灰后，石灰與土顆粒間發(fā)生離子交換反應(yīng)和膠結(jié)作用，土顆粒粘結(jié)在一起，形成致密的土骨架結(jié)構(gòu)，土體的壓縮性降低。向素土和摻入石灰的土中摻入硫酸渣后，硫酸渣摻量小于10%時(shí)，壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)均減小，且石灰摻量越大其減小幅度越小。硫酸渣摻量大于10%時(shí)，素土和摻石灰土的壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)均增大，這是由于過(guò)量硫酸渣起到了潤(rùn)滑作用，使得土顆粒的相對(duì)移動(dòng)更容易，土體更易被壓縮，土體壓縮性增大。

3.2 干濕循環(huán)變形特征

試樣經(jīng)歷5次干濕循環(huán)，豎向收縮率δ定義為一次干濕循環(huán)過(guò)程中豎向高度收縮比率，計(jì)算公式如下：

式中：h⁺為飽和狀態(tài)下試樣高度，h^-為風(fēng)干狀態(tài)下試樣高度。

通過(guò)計(jì)算得到試樣各次干濕循環(huán)后豎向收縮率變化曲線如圖6所示。由圖6可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，改良土豎向收縮率減小，表明經(jīng)歷反復(fù)的干濕循環(huán)后素土和改良土的收縮變形均趨向于定值。由圖6（a）可以看出，向紅黏土中單獨(dú)摻入硫酸渣后，改良土的豎向收縮率增大，說(shuō)明硫酸渣單獨(dú)摻入紅黏土中反而使其收縮性增大。由圖6（b）和圖6（c）可以看出，石灰和硫酸渣混合摻入紅黏土中時(shí)，紅黏土的豎向收縮率顯著降低，與石灰改良土相比，石灰與硫酸渣混合改良土的豎向收縮率進(jìn)一步降低。這是由于摻入石灰后，石灰與土顆粒發(fā)生離子交換作用和凝硬反應(yīng)，形成晶體態(tài)的膠凝物，土粒被膠結(jié)成一個(gè)整體，且堿性環(huán)境條件下鐵酸鈣膠體數(shù)量增多，部分膠體在空氣中硬化，因此失水后收縮性進(jìn)一步降低。

4 . 硫酸渣和石灰混合改良紅黏土的機(jī)理

硫酸渣主要成分為Fe₂O₃、Fe₃O₄、SiO₂、Al₂O₃，具有一定的活性，摻入石灰后，硫酸渣的活性被激發(fā)，在水的作用下，石灰與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變成Ca（OH）₂，Ca（OH）₂使得硫酸渣氧化物中的Fe-Q、Al-O和Si-O化學(xué)鍵斷裂，與Ca²⁺反應(yīng)生成水化鐵酸鈣SFCA、水化硅酸鈣C-S-H和水化鋁酸鈣C-A-H等膠凝物質(zhì)，材料內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在空氣中發(fā)生凝硬反應(yīng)，強(qiáng)度不斷提高。水化產(chǎn)物充填于土顆粒孔隙中，能使土顆粒粘結(jié)起來(lái)，提高紅黏土的強(qiáng)度與水穩(wěn)定性。

5. 結(jié)論

（1）采用正交試驗(yàn)方法，分析得出硫酸渣與石灰混合改良紅黏土的最佳混合配比為硫酸渣摻量10%、石灰摻量8%。

（2）硫酸渣與石灰混合摻入紅黏土中時(shí)，改良土的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)均有所減小，壓縮模量增大，改良土壓縮性降低，在硫酸渣摻量為10%、石灰摻量為8%時(shí)改良土壓縮性最小，達(dá)到了低壓縮性土的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）干濕循環(huán)過(guò)程中試樣以收縮變形為主，硫酸渣摻量為10%、石灰摻量為8%混合改良土試樣收縮性最小。進(jìn)一步確定硫酸渣摻量10%、石灰摻量8%為混合改良紅黏土的最佳配比。