戈　銘

電石渣穩(wěn)定土路基的試驗研究

戈銘

（江蘇省南京市公路管理處，江蘇 南京210014）

通過大量資料調(diào)研，總結(jié)了電石渣穩(wěn)定土的強(qiáng)度反應(yīng)機(jī)理。通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，CBR試驗，得到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別與齡期、電石渣劑量之間相關(guān)關(guān)系，CBR值與電石渣劑量之間相關(guān)關(guān)系；通過拌土試驗，得到含水率的變化量分別與電石渣劑量、悶料時間、養(yǎng)生條件之間相關(guān)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)電石渣劑量合理范圍，并進(jìn)行凍融試驗、試驗路鋪筑驗證。

電石渣穩(wěn)定土；路基；配比；凍融

電石渣是工業(yè)生產(chǎn)聚氯乙烯等產(chǎn)品過程中，電石水解后產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，主要成分為Ca（OH）2［1-2］，因其再利用率不高，我國每年產(chǎn)生的電石渣廢料幾百萬噸，大多采用填埋或堆存的方法處理。電石渣液的PH值常達(dá)12以上，若廢料處理不當(dāng)可能導(dǎo)致水源、土地堿性化，造成對周邊環(huán)境的污染［3］。近年來，穩(wěn)定土路基施工中最常用的無機(jī)結(jié)合料——石灰價格飛漲，導(dǎo)致公路工程建設(shè)成本大幅增加，與此同時，對自然資源的過度開采，也增加了環(huán)境治理費(fèi)用。

交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》［4］中提出，有效鈣含量在20%以上的等外石灰、貝殼石灰、珊瑚石灰、電石渣等，當(dāng)其混合料的強(qiáng)度通過試驗符合標(biāo)準(zhǔn)時，可以應(yīng)用。因此，根據(jù)現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，電石渣應(yīng)用于道路路基在理論上是可行的，且可使其變廢為寶作為二次資源，解決由電石渣堆積帶來的環(huán)境污染問題。本文從強(qiáng)度反應(yīng)機(jī)理、配比設(shè)計、試驗路鋪筑等方面著手，對電石渣穩(wěn)定土在路基工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1　電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度反應(yīng)機(jī)理

國內(nèi)外眾多學(xué)者研究表明［5］，電石渣與土均勻拌合后將隨著時間的推移發(fā)生一系列反應(yīng)，從而改善天然土的物理性質(zhì)，其初期表現(xiàn)為土顆粒結(jié)團(tuán)、塑性降低、最佳含水量增加，后期表現(xiàn)為結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成、土顆粒相互聯(lián)系、穩(wěn)定土強(qiáng)度和穩(wěn)定性提高。這一系列反應(yīng)主要包括以下4個方面：

1.1離子交換與凝聚作用

電石渣中的CaO在水的作用下分解成Ca2+和（OH）-離子，Ca2+離子可與土中的K+、Na+離子進(jìn)行交換并吸附在顆粒表面，改變土顆粒的帶電狀態(tài)，使表面弱結(jié)合水膜變薄。離子交換的結(jié)果使得土顆粒迅速靠攏，小顆粒聚集成大顆粒并相互咬合，組成一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而提高土體的強(qiáng)度，這就是凝聚作用。

1.2火山灰作用

在水的參與下，土中的活性硅、鋁酸鹽礦物與電石渣中的Ca（OH）2反應(yīng)，生成水硬性的水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體，其在土顆粒外圍形成保護(hù)膜，填充土顆粒的孔隙，顯著減小穩(wěn)定土透水性，提高穩(wěn)定土強(qiáng)度。

1.3碳酸化反應(yīng)

電石渣和土拌和后，生成微結(jié)晶性的CaCO3，其具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，可與土顆粒膠結(jié)，從而得以加固土體。

1.4 結(jié)晶作用

電石渣穩(wěn)定土中絕大部分的CaCO3自行結(jié)晶，生成Ca（OH）2結(jié)晶網(wǎng)格，導(dǎo)致土顆粒牢固地粘結(jié)在一起，電石渣穩(wěn)定土的穩(wěn)定性得到提高。

2　配比試驗結(jié)果及分析

2.1原材料基本性能

試驗所用電石渣來源于南京某環(huán)保工程公司，按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51）［6］規(guī)定的方法進(jìn)行相關(guān)試驗，具體結(jié)果如表1所示。

表1　電石渣的基本物化性能試驗

2.2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

查閱國內(nèi)外眾多文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，影響電石渣穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素為電石渣劑量和齡期。因此，參照石灰穩(wěn)定土中石灰劑量的范圍［7］，選擇電石渣劑量為4%、6%、8%、10%、12%、14%進(jìn)行試驗研究；為了研究相同電石渣劑量的穩(wěn)定土強(qiáng)度與齡期相關(guān)關(guān)系，選定齡期為7 d、28 d、60 d、90 d、180 d。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如表2所示，由表可知：

（1）電石渣劑量相同，電石渣穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增加而增加。其中，齡期0～28 d、90～180 d的電石渣穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)度增幅較大，齡期28～90 d的增幅較小；

（2）相同齡期下，電石渣穩(wěn)定土強(qiáng)度隨電石渣劑量的增加無明顯規(guī)律，但均有一峰值。0 d、28 d、60 d的峰值出現(xiàn)在電石渣劑量較低時（8%），90 d、180 d的峰值出現(xiàn)在電石渣劑量較高時（10%、12%）。這就說明，電石渣劑量4%、6%、8%的穩(wěn)定土早期強(qiáng)度較高，但是其后期強(qiáng)度沒有電石渣劑量10%、12%、14%的強(qiáng)度高。當(dāng)電石渣劑量超過8%以后，穩(wěn)定土的早期強(qiáng)度不但不會提高，反而略有降低。

表2　無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果 MPa

2.3CBR試驗

該項試驗較復(fù)雜，投入人工較多，實際施工中多采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評判指標(biāo)。因此，選擇電石渣劑量0%、4%、6%、8%、10%、12%、14%驗證配比設(shè)計，其結(jié)果如表3所示。由此可見，對于該種土質(zhì)，摻加電石渣穩(wěn)定的效果非常顯著，且CBR值隨著電石渣劑量的增加而增加。

表3　室內(nèi)CBR試驗結(jié)果

2.4拌土試驗

在土質(zhì)路基填料中摻入石灰除能提高強(qiáng)度外，還能快速地降低土基含水率。電石渣作為石灰的替代品，摻入土質(zhì)路基填料中是否具有同樣的效果，需通過一系列試驗來驗證。調(diào)研大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)石灰穩(wěn)定土含水率降低量與石灰劑量、初始含水率、悶料時間和養(yǎng)生條件有關(guān)。因此，參照石灰穩(wěn)定土含水率降低量影響因素，選擇電石渣劑量6%、8%、10%、12%、14%，初始含水率38.3%、28.1%、16.5%，悶料時間1 d、2 d、3 d，養(yǎng)生條件室內(nèi)暴露、室內(nèi)密閉進(jìn)行試驗。含水率初始值不同，摻入電石渣后其數(shù)值沒有可比性。因此，以穩(wěn)定土含水率的變化量（Δω）為評價指標(biāo)，其中“-”表示含水率減少，“+”表示含水率增加。

電石渣穩(wěn)定土拌土試驗結(jié)果如表4、表5所示，從表中可以看出：

（1）在初始含水率、電石渣劑量、養(yǎng)生條件相同的情況下，Δω隨悶料時間的增加而增加，僅在密閉條件下，初始含水率28.1%和16.5%的穩(wěn)定土悶料3 d后，Δω出現(xiàn)了“+”值。這就說明，在其它條件相同的情況下，通過增加悶料時間可以達(dá)到降低穩(wěn)定土含水率的目的。

（2）在初始含水率、悶料時間、養(yǎng)生條件相同的情況下，Δω隨電石渣劑量的增加無明顯變化規(guī)律，即在其它條件相同的情況下，僅通過增加電石渣劑量，無法達(dá)到降低穩(wěn)定土含水率的目的。

表4　Δω計算（密閉條件）

表5　Δω計算（暴露條件）

（3）在初始含水率、悶料時間、電石渣劑量相同的情況下，暴露養(yǎng)生的含水率降幅遠(yuǎn)大于密閉養(yǎng)生條件下的數(shù)值。這就說明，暴露養(yǎng)生有利于穩(wěn)定土含水率的降低。

2.5電石渣劑量合理范圍及驗證

2.5.1 電石渣劑量合理范圍

通過配比和拌土試驗，參照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》［7］的規(guī)定，可得到以下結(jié)論：

（1）在初始含水率、悶料時間、養(yǎng)生條件相同的情況下，僅通過增加電石渣劑量，無法達(dá)到降低穩(wěn)定土含水率的目的。因此，從降低素土含水率的角度來說，不存在電石渣劑量合理范圍；

（2）電石渣劑量4%、6%、8%的穩(wěn)定土早期強(qiáng)度較高，但是其后期強(qiáng)度沒有電石渣劑量10%、12%、14%的強(qiáng)度高；電石渣劑量大于等于4%的穩(wěn)定土，其室內(nèi)CBR值達(dá)到規(guī)范要求。因此，在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，兼顧經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保等方面要求，一級公路電石渣穩(wěn)定土的電石渣合理劑量分別為路床6%，路堤4%。

2.5.2 凍融試驗驗證

參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》的規(guī)定，設(shè)計適合電石渣穩(wěn)定土材料的凍融試驗方法，即采用直徑×高度為50 mm×50 mm的試模；7 d的養(yǎng)生時間；凍融試件在-18 ℃的低溫箱里凍結(jié)18 h后，放入20 ℃的水槽中融化8 h。對電石渣劑量4%、6%的穩(wěn)定土進(jìn)行凍融試驗驗證。試驗結(jié)果如表6所示，可得到以下結(jié)論：（1）試件外觀未發(fā)生較大的破損和剝落；（2）試件質(zhì)量變化率小于5%；（3）強(qiáng)度損失極小。

表6　凍融試驗結(jié)果

《公路路面設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了多年凍土地區(qū)路基的施工工藝，但未要求進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，也未限定抗凍性指標(biāo)值。通過調(diào)研，南京地區(qū)不屬于多年凍土地區(qū)，其56年極端最低氣溫的平均值為-8.6 ℃［8］，高于本次試驗的-18 ℃。因此，可判斷電石渣劑量4%、6%的穩(wěn)定土抗凍性符合南京地區(qū)的要求。

3　試驗路鋪筑

246省道溧水縣城至蘇皖省界段公路建設(shè)工程起于溧水S340省道，止于定埠西北的井頭村S239上。本項目路線全長45.2 km，全線按一級公路雙向4車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。試驗段K51+080～K51+160、K51+160～K51+240從-20 cm到路基頂分別采用摻量6%的電石渣穩(wěn)定土、摻量6%的石灰穩(wěn)定土填筑，并按照規(guī)范要求及時檢測，結(jié)果如表7所示。

表7　路基質(zhì)量檢驗結(jié)果

檢測結(jié)果顯示，電石渣穩(wěn)定土、石灰穩(wěn)定土路基的灰劑量、壓實度、厚度、彎沉值差別極小，且均滿足規(guī)定要求。由此說明，電石渣劑量6%的電石渣穩(wěn)定土可以用于該試驗段，且質(zhì)量等同于同比例的石灰穩(wěn)定土，室內(nèi)試驗研究結(jié)果在實際工程中是可行的。

4　結(jié)論

（1）電石渣劑量相同，穩(wěn)定土無側(cè)

限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增加而增加；電石渣劑量4%、6%、8%的穩(wěn)定土早期強(qiáng)度較高，但是其后期強(qiáng)度沒有電石渣劑量10%、12%、14%的強(qiáng)度高。

（2） CBR值隨著電石渣劑量的增加而增加。

（3）在其它條件相同的情況下，通過增加悶料時間可以達(dá)到降低穩(wěn)定土含水率的目的；通過增加電石渣劑量，無法達(dá)到降低穩(wěn)定土含水率的目的；暴露養(yǎng)生更有利于穩(wěn)定土含水率的降低。

（4）一級公路電石渣穩(wěn)定土的電石渣合理劑量分別為路床6%、路堤4%，滿足南京地區(qū)抗凍要求。

（5）經(jīng)驗證，6%的電石渣穩(wěn)定土在實際工程中應(yīng)用技術(shù)上完全可行，可結(jié)合建設(shè)期間石灰和電石渣的材料價格差異進(jìn)行合理選擇。

［1］余建芳.開發(fā)和綜合剝用電石渣有效途徑拓寬的研討［J］.中國氯堿，2000（10）：31-32.

［2］王欣榮.淺談電石渣的綜合利用［J］.中國氯堿，2003（8）：36-39.

［3］董永剛，曹建新，劉飛，張煜.電石渣理化性質(zhì)的分析與表征［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008（9）：95-98.

［4］JTJ 034—2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］鄧永忠.石灰土有效鈣鎂含量與強(qiáng)度關(guān)系的試驗研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2007.

［6］JTG E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程［S］.

［7］JTG D50—2006公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范［S］.

［8］繆啟龍，許遐禎，潘文卓.南京56年來冬季氣溫變化特征［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報，2008，19（5）：620-626.

Experimental Research on Carbide Slag Stabilized Soil Subgrade

Ge Ming
（Nanjing Highway Administration Bureau， Nanjing 210014， china）

Through a great deal of information research， this paper summarized the intensity of the reaction mechanism of carbide slag stabilized soil. Through unconfined compressive strength test and CBR test， it got the correlation between the unconfined compressive strength with age and the dose of carbide slag， as well as correlation between CBR value and carbide slag dose. By mixing soil test， correlation between the variation of moisture content and carbide slag dosage，curing time and condition was obtained. On this basis， it summarized the reasonable range of carbide slag dosage， and carried out freeze-thaw test and paved test road.

carbide slag stabilized soil； subgrade； mixture ratio； freeze-thaw

U416.1

A

1672-9889（2015）06-0008-03

戈銘（1978-），男，江蘇泰州人，高級工程師，主要從事公路橋梁質(zhì)量檢測及建設(shè)管理工作。

（2015-03-23）