电石渣稳定土组成设计及影响因素研究

时间：2024-09-03

栗培龙,赵晨希,裴仪,胡晋川

(1.长安大学公路学院，陕西西安 710064；2.长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室，陕西西安 710064；3.山西省交通规划勘测设计院有限公司，山西太原 030032)

环境问题和施工成本的降低促使沥青路面行业越来越多地使用工业废料作为道路路面施工的替代原材料。电石渣是工业生产聚氯乙烯等产品过程中产生的工业废渣，化学成分与消石灰类似，其主要成分为Ca(OH)2。将电石渣用于公路建设，可使其变废为宝作为二次资源，节约工程造价，有显著的经济效益和社会效益[1]。

目前，一些科研人员已经在利用电石渣稳定土、电石渣粉煤灰稳定土等作填筑材料方面开展了一系列研究。杜延军[2]等通过对比电石渣和生石灰物理化学特征的异同，提出了采用电石渣稳定过湿黏土作为路基填料。覃小纲[3]等将工业废料电石渣用于高速公路路基的过湿黏土填料改良，并与生石灰改良土进行了对比研究。HORPIBULSUK S[4]等研究发现单独使用电石渣或者电石渣-粉煤灰的混合物可代替普通硅酸盐水泥用于稳定土壤。SAKONWAN H[5]等以硅酸盐水泥和电石渣为促进剂，对常温固化的底灰地质聚合物的性能进行了研究。陈永贵[6]等分析了浸泡条件对电石渣/偏高岭土固化铜污染土稳定性的影响。刘满超[7]等利用粉煤灰、矿渣粉、电石渣和复合激发剂制备了低成本的复合胶凝材料。DULAIMI[8]等探索电石渣以不同比例替代传统石灰作为热拌沥青混合料填料的潜力。高朋[9]等研究了磷石膏掺量、土质种类等因素对电石渣-粉煤灰稳定土强度影响情况。郭铄[10]等探讨了稻壳灰和电石渣复合材料改良膨胀土的作用机理并采用该复合材料对膨胀土进行改良，发现其无侧限抗压强度显著提高。田朋飞[11]等探究工业废料电石渣对花岗岩残积土的改良效果及其合理掺量。LIU[12]等利用胶凝材料结合稻壳灰和电石渣稳定膨胀土，确定了稻壳灰与电石渣的最佳配比，发现添加谷壳灰和电石渣后无侧限抗压强度、内聚力和内摩擦角均有显著提高。近年来，电石渣稳定土已被应用于多条公路中，并取得了良好的效果[13]。综上所述，目前的研究多针对电石渣稳定土作为路基填料应用在道路工程中具有可行性和科学性，主要针对特定类型土的电石渣剂量的合理范围的确定，对于不同土质指标与最佳电石渣剂量之间的关系研究不足。

鉴于此，本文通过击实试验确定电石渣稳定土的最大干密度和最佳含水量，基于7 d无侧限抗压强度明确最佳电石渣剂量，系统分析黏粒含量、塑性指数和胶体活动性指数对最佳电石渣剂量的影响，提出不同土质电石渣稳定土最佳电石渣剂量的预估模型，为电石渣稳定土的推广应用提供参考。

1 试验材料

1.1 土样

取两种代表性土样，分别编号为土样1、土样2。根据规范[14]规定的方法，对两种土样进行颗粒分析试验和界限含水率试验。主要物理指标见表1。其中，颗粒粒径小于0.002 mm含量为黏粒含量，影响与电石渣的结合能力。

表1 两种土样主要物理指标Table1 Mainphysicalindicesoftwosoilsamples土样液限ωL/%塑限ωP/%塑性指数IP粒径分布/%<0.002mm0.002～0.075mm>0.075mm黏粒含量/%土样分类土样130.117.812.317.081.71.317.0低液限黏土土样228.218.89.49.889.01.29.8低液限黏土

1.2 电石渣

电石渣样品来源于某化工厂,由于公路工程相关规范未把电石渣原材料试验纳入其中，考虑到电石渣的主要成分为Ca(OH)2，根据规范[15]中的方法进行试验，具体试验结果如下：CaO含量64.93%，MgO含量0.18%，烧失量22.79%。根据规范[16]判断该电石渣符合Ⅲ级以上钙质消石灰。

2 电石渣稳定土组成分析

参照石灰稳定土混合料设计方法进行电石渣稳定土混合料优化设计研究。针对所选用的两种土样及电石渣样品，选取5%、7%、9%、11%、13%、15%这6种电石渣剂量与土样1进行配比试验，选取3%、5%、7%、9%、11%这5种电石渣剂量与土样2进行配比试验，采用93%、95%和97%这3个压实度进行试件的成型，在相同养生龄期和养生条件(温度：20 ℃，湿度：95%)下，分析电石渣稳定土试件7 d无侧限抗压强度变化规律，为电石渣稳定土用于路面基层修筑提供依据。

2.1 最佳含水量及最佳干密度确定

含水量对电石渣稳定土强度的形成有较大影响。水分太少，稳定性不足，离子间反应不充分，强度较难达到要求；水分过多，电石渣稳定土较难压实，稳定土层间结合较弱，强度依然较难达到要求。因此，确定不同掺配比例稳定料的最佳含水量对于试件的成型、养生及强度测定非常重要。

根据规范[15]中关于无机结合料稳定材料击实试验要求，采用甲类击实方法(锤击层数为5，每层锤击27次)对不同的剂量的电石渣稳定土进行击实试验，确定最佳含水量和最大干密度，为无侧限抗压强度试验提供基础。击实试验结果如图1和图2所示。

图1 电石渣稳定土击实参数曲线(土样1)

图2 电石渣稳定土击实参数曲线(土样2)

由图1和图2可知，随着电石渣剂量的增加，两种类型的电石渣稳定土最佳含水量均逐渐增大，最大干密度逐渐减低。当土样1所加入的电石渣剂量大于13%时，电石渣稳定土最大干密度降低幅度更大；当土样2所加入的电石渣剂量大于9%时，电石渣稳定土最大干密度降低幅度更大，说明电石渣剂量越大，对电石渣稳定土的压实特性产生不利影响。

相关研究表明，以氢氧化钙为主要成分的电石渣改良黏性土，其主要作用是高价钙离子吸附在黏土颗粒表面，降低了黏土颗粒表面的负电性，降低了黏土颗粒吸附水的能力，压塑了黏土颗粒吸附水膜的厚度，降低了黏性土的液限和塑限，增加了土的密实度。此外，一部分氢氧化钙与二氧化碳反应生成碳酸钙颗粒，进一步增加了土的最大干密度。但在实际科研工作中，用胶体状态的电石渣改良黏性土时，由于氢氧化钙与二氧化碳反应需要一定时间，使得环境中的二氧化碳能够进入土中，从而出现电石渣稳定土最大干密度减小的现象。

2.2 电石渣稳定土组成设计

根据规范[15]要求成型试件，测定电石渣稳定土7 d无侧限抗压强度。根据规范[16]石灰稳定土7 d无侧限抗压强度规范要求，确定电石渣稳定土最佳组成。石灰稳定材料7 d无侧限抗压强度标准见表2。

表2 石灰稳定材料7d龄期无侧限抗压强度标准Table2 Standardforunconfinedcompressivestrengthfor7days-limestabilizedmaterialsMPa结构层高速公路及一级公路二级及二级以下公路基层—≥0.8底基层≥0.80.5～0.7

进行电石渣稳定土无侧限抗压强度试验[15]，电石渣稳定土试件通过无侧限抗压后破坏试件呈中间鼓起，剥落后呈环状剪切面，表面裂缝明显。电石渣稳定土无侧限抗压强度试验结果如图3和图4所示。

图3 电石渣稳定土7 d无侧限抗压强度曲线(土样1)

图4 电石渣稳定土7 d无侧限抗压强度曲线(土样2)

由图3和4可知，电石渣剂量一定时，电石渣稳定土的抗压强度随着压实度的增大而增大，同时增加幅度相对较为明显。

对于土样1，从图3可知，当选用电石渣剂量在5%～11%范围时，设计3种压实度试件，其无侧限抗压强度均能够满足二级和二级以下公路底基层强度要求。当电石渣剂量在7%～11%范围，压实度为97%的情况下，电石渣稳定土能够满足高速公路和一级公路的底基层、二级和二级以下公路基层强度要求。

对于土样2，从图4可知，当选用的电石渣剂量在5%～7%范围时，设计3种压实度试件，其无侧限抗压强度均能够满足二级和二级以下公路底基层强度要求。土样2的7 d无侧限抗压强度均未达到0.8 MPa以上，表明电石渣稳定土不可作为高速公路和一级公路的底基层、二级和二级以下公路基层使用。

根据电石渣稳定土7 d无侧限抗压强度试验，对于土样1，初步确定电石渣稳定土最佳剂量在9%；对于土样2，初步确定电石渣稳定土最佳剂量在5%。

3 最佳电石渣剂量影响因素分析

室内研究发现，不同土样的最佳电石渣剂量是不同的。建立土质与最佳电石渣剂量的联系，可大大减小电石渣稳定土组成设计的工作量。因此，有必要分析土质塑性指数、黏粒含量、胶体活动性指数等指标对最佳电石渣剂量的影响。

3.1 胶体活动性指数

胶体化学中称小于0.1 μm的颗粒为胶体颗粒，实际上粒径为0.2～5 μm的颗粒已经具有胶体粒径，可称为准胶体颗粒。黏土颗粒粒径非常微小，小于5 μm，在介质中具有明显的胶体化学特性。在工程实践中，提出了一个既能反映黏土矿物成分，又能反映黏土颗粒含量影响的综合指标，称为胶体活动性指数，其表达式为：

(1)

式中：IP为土塑性指数；P(<0.002)为黏粒(<0.002 mm)的百分含量。

胶体活动性指数把黏性土的塑性指数、黏土矿物成分以及颗粒大小3个最主要的指标联系起来[17]。

3.2 影响因素分析

3.2.1不同土样的最佳电石渣剂量分析

为确定不同土样的最佳电石渣剂量，另外选取3种土样，进行液塑限测定以及细粒土颗粒分析确定其黏粒含量，分别对土样3、土样4、土样5进行电石渣稳定土组成设计试验，并测定其7 d无侧限抗压强度，找出最佳电石渣剂量，试验结果见表3。

表3 不同土样与最佳电石渣剂量之间的关系Table3 Therelationshipbetweendifferentsoilsamplesandtheoptimalcalciumcarbideslagdose土样塑性指数IP黏粒含量P(<0.002)/%胶体活动性指数AC最佳电石渣剂量/%土样112.317.00.72359土样29.49.80.95925土样311.213.60.82357土样417.827.10.656811土样515.922.30.713010

由表3可知，土样2胶体活动性指数最大，即与电石渣结合能力最大，能够形成有效强度保障的电石渣稳定土，但其黏粒含量最少，表明所需的最佳电石渣剂量较少；土样4的胶体活动性指数最小，即与电石渣结合能力最小，但塑性指数最大，表明该土样易于压实，同样能够形成符合强度的电石渣稳定土，此外，其黏粒含量最多，表明所需的最佳电石渣剂量也较多。土样的塑性指数愈大，其黏粒含量也愈多，即土的颗粒愈细，则比表面积愈大。但土样的塑性指数与土样的黏粒含量之间不是单一的比例关系，塑性指数还与颗粒粒径大于0.002 mm成分含量有关。

3.2.2土质指标与最佳电石渣剂量的关系分析

塑性指数作为表征细粒土物理性质的重要指标，在进行土样分析以及电石渣稳定土组成设计时是重要的参考。黏粒含量代表土中黏土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石)含量的多少，电石渣结合料在与土进行胶结时，实质是与土中黏土矿物进行物化反应形成有效的强度[18]。胶体活动性指数大小代表土中黏土矿物吸附结合水能力的高低，而电石渣结合料的固化作用正是土中的黏土矿物、水和电石渣之间的物化作用，且胶体活动性指数把土的塑性指数、黏土矿物成分含量以及颗粒大小3个最主要的指标联系起来。因此，为探究土样的塑性指数、黏粒含量、胶体活动性指数对电石渣最佳剂量影响规律，分别对这3项指标和电石渣最佳剂量之间进行线性拟合，如图5～图7和表4所示。

图5 土的塑性指数与最佳电石渣剂量的关系

图6 黏粒含量与最佳电石渣剂量的关系

图7 胶体活动性指数与最佳电石渣剂量的关系

表4 土质指标与最佳电石渣剂量的关系Table4 Relationshipbetweensoilqualityindexandoptimalcalciumcarbideslagdose土质指标关系模型R2塑性指数IPy=0.6605x+0.39830.8610黏粒含量P(<0.002)/%y=0.3387x+2.31670.9341胶体活动性指数ACy=-20.1084x+24.01980.9786

由表4可知，土的塑性指数与最佳电石渣掺量之间存在内在联系，但相关性不是很明显，究其原因是塑性指数本质代表土样吸附弱结合水质量与土粒质量之比，即代表土质与水之间的联系，与电石渣原材料并无直接的关系。因此，在现场施工进行电石渣稳定土组成设计时，塑性指数是重要的参考，但并不能完全依赖该项土质指标。

土中黏粒含量与最佳电石渣剂量存在内在的联系，并且相关性较强，究其原因是黏粒含量越多，则土的颗粒比表面积越大[19]，电石渣与土接触面也就越大，反应就越充分，形成的胶接作用越强，即形成的稳定土强度越大。而最佳电石渣剂量是在抗压强度最大时的电石渣掺量，所以，黏粒含量与最佳电石渣剂量存在密切内在的联系。因此，在现场施工进行电石渣稳定土组成设计时，黏粒含量是相当重要的参考指标。但是电石渣稳定土强度形成机理是一个极其复杂的过程，掺入电石渣的稳定土混合料初始阶段表现为颗粒结团、塑性下降、最佳含水量变大，其后土颗粒相互联系形成结晶结构，稳定土的强度及稳定性显著提高[1]。并不是只与土颗粒粒径小于0.002 mm成分含量有关，所以，在进行电石渣稳定土组成设计时并不能完全依赖土中黏粒含量。

胶体活动性指数与最佳电石渣剂量拟合曲线的相关性较好，分析其原因是胶体活动性指数能直观地表明与电石渣结合料发生物化反应能力的大小，更能体现土质的综合特性。因此，在素土应用电石渣进行加固时，对胶体活动性指数分析尤为重要。在工程实践时，对土样进行组成设计选取最佳电石渣剂量时，可以将拟合曲线所得出的最佳电石渣剂量y=-20.108 4x+24.019 8作为有效的参考。