林 旭，楊步仁，朱進(jìn)軍

（連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇連云港222006）

純堿作為一種非常重要的工業(yè)原料，在我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程中發(fā)揮了不可或缺的作用。目前氨堿法制堿工藝較為成熟，應(yīng)用廣泛，每生產(chǎn)1噸純堿，其中含廢渣約300～600kg[1]。連云港地處東部沿海地區(qū)，具有豐富的海洋資源，連云港堿廠作為20世紀(jì)80年代中國(guó)三大堿廠之一，為國(guó)家工業(yè)化生產(chǎn)提供了大量原材料，工業(yè)堿渣作為制堿過(guò)程中排放的廢棄物，無(wú)論堆放或者排入海洋都會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大的污染，嚴(yán)重制約了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，造成企業(yè)生產(chǎn)負(fù)擔(dān)[2]。因此，筆者從堿渣的資源化利用角度進(jìn)行研究，以期為其資源化利用的可行性提供依據(jù)。

張鵬等通過(guò)對(duì)濱海軟土摻入堿渣的混合試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)，認(rèn)為堿渣摻量對(duì)混合土強(qiáng)度有一定程度提高作用[3]。馬純杰等認(rèn)為堿渣具有良好的級(jí)配特性，與其他工程土能夠較好地混合形成穩(wěn)定密實(shí)結(jié)構(gòu)[4]。邵勇等通過(guò)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析了堿渣淤泥制磚法的可行性，為堿渣資源化利用提供了較好的工程依據(jù)[5]。于水軍等通過(guò)堿渣與粉煤灰混合物的擊實(shí)試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)，相關(guān)各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，表明堿渣是一種良好的路基填筑材料[2]。鄭敬云等通過(guò)在淤泥中加入堿渣等固化劑，對(duì)混合土進(jìn)行了直剪試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)，通過(guò)堿渣摻入量研究固化材料的經(jīng)濟(jì)性和適用性[6]。楊久俊等通過(guò)試驗(yàn)得出，堿渣與粉煤灰和水泥的混合能夠產(chǎn)生絡(luò)合物，具備了制作砂漿混合料的條件[7]。徐林榮等研究了豎向荷載、土工格柵及剪切速率對(duì)膨脹土與格柵的界面作用特性[8]。Chia-Nan Liu等人研究了砂土與土工格柵的界面特性，揭示了界面摩擦特性的規(guī)律[9]。徐超等控制豎向循環(huán)荷載的施加，通過(guò)動(dòng)力試驗(yàn)手段來(lái)研究筋土界面強(qiáng)度特性[10]。由于堿渣自身的力學(xué)性能較差，需要配以一定量的固化劑來(lái)提高其強(qiáng)度，導(dǎo)致堿渣工程應(yīng)用的效果不是很理想。同時(shí)，關(guān)于堿渣砂土混合土的土工合成材料加筋性能方面的試驗(yàn)研究少有報(bào)道。所以，筆者旨在通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)來(lái)研究土工格柵加筋下的堿渣砂土的加筋土界面性能，分析混合堿渣摻入量及砂土的顆粒級(jí)配對(duì)于堿渣混合土抗剪強(qiáng)度以及變形特性的影響，以期為工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料選取

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用Geocomp公司生產(chǎn)的室內(nèi)直剪儀，如圖1所示。該儀器由自動(dòng)化設(shè)備構(gòu)成，豎向反力框架用來(lái)施加豎向荷載，儀器左側(cè)配置操作控制面板，能夠?qū)崿F(xiàn)豎向加載、水平剪切以及采集數(shù)據(jù)和處理結(jié)果等功能，并且可通過(guò)控制剪切速率和剪切應(yīng)力模擬實(shí)際工況。

圖1 室內(nèi)直剪儀

直剪儀剪切盒的有效尺寸為305mm×305mm×100mm，下剪切盒較上剪切盒略長(zhǎng)，可以有效降低由于剪切面積減小造成的截面應(yīng)力分布不均勻的問(wèn)題。水平及豎向應(yīng)力通過(guò)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)加載，水平及豎向剪切位移由高精度傳感器采集，由自帶軟件對(duì)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 砂樣

土樣采用福建ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，通過(guò)0.4mm篩孔直徑將其篩分成細(xì)顆粒砂、粗顆粒砂和原狀標(biāo)準(zhǔn)砂三種，來(lái)研究摻入堿渣的不同顆粒級(jí)配混合砂土的界面特性。三種砂的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，顆粒級(jí)配曲線如圖2所示，具體土樣如圖3所示。

表1 砂土的物理性質(zhì)指標(biāo)

圖2 砂土級(jí)配曲線

圖3 試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂

1.2.2 堿渣

堿渣來(lái)自連云港堿廠廢棄的堿渣堆放池，呈現(xiàn)流塑狀態(tài)，需要進(jìn)行晾曬粉碎后方可使用。其化學(xué)成分主要包含CaO、CaCl2、SiO2、MgO等，堿性成分較高，活性好，經(jīng)測(cè)定含水量約85%，液限為68.9%，塑限為41%。堿渣試樣如圖4所示。

圖4 堿渣

1.2.3 土工合成材料

本試驗(yàn)所用的土工合成材料為聚丙烯雙向拉伸土工格柵，其在道路邊坡工程中具有廣泛的應(yīng)用。在車輛荷載作用下，土工格柵和土體之間的摩阻力對(duì)土體側(cè)向變形起到了制約作用，對(duì)路堤斷面以及舊路改造的沉降情況進(jìn)行有效的改善。土工格柵試樣如圖5所示，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表2。

圖5 土工格柵

表2 土工合成材料技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

為系統(tǒng)研究堿渣混合砂土試樣的筋土界面剪切特性的影響因素，筆者和課題組成員認(rèn)真研究，制定了以下的試驗(yàn)方案：（1）堿渣擬按照8%、15%、30%的比例與標(biāo)準(zhǔn)砂土攪拌混合，施加豎向荷載100kPa；（2）采用15%的堿渣摻入量混合細(xì)顆粒砂土和粗顆粒砂土以及標(biāo)準(zhǔn)砂，密實(shí)狀態(tài)下施加豎向荷載50kPa、100kPa、150kPa；（3）通過(guò)擊實(shí)手段控制堿渣摻入量為15%的標(biāo)準(zhǔn)砂形成密實(shí)與松散兩種狀態(tài)，施加豎向荷載50kPa、100kPa、150kPa；根據(jù)《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》考慮土工格柵開(kāi)口較大，剪切速率定為1.3mm/min以保證試驗(yàn)過(guò)程中土工格柵能夠較快發(fā)揮摩阻力。由于儀器豎向加載架的限制，可通過(guò)專用重錘擊實(shí)次數(shù)和裝填質(zhì)量來(lái)控制：將試樣分5層，每層2cm裝填砂土，并用擊錘擊實(shí)至標(biāo)定高度，以盡可能確保密實(shí)度相近。試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案匯總

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

堿渣作為一種工業(yè)廢料，對(duì)環(huán)境和場(chǎng)地都會(huì)產(chǎn)生不良影響，如果進(jìn)行合理的資源化利用，則具有重要的工程意義。為了更好地論證堿渣作為路基填料的可行性，以堿渣摻量、混合土樣的顆粒級(jí)配、密實(shí)度等作為控制變量，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)對(duì)堿渣混合砂加筋土的界面特性進(jìn)行深入分析。

3.1 堿渣摻入量的影響

不同堿渣摻入量下混合土樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，隨著堿渣摻入量從0%～30%逐漸增加，筋土界面強(qiáng)度呈有規(guī)律的降低。當(dāng)堿渣摻量為0%時(shí)，界面剪切強(qiáng)度最大為40.62kPa，呈現(xiàn)出較明顯的剪切軟化特征；摻量為30%時(shí)，堿渣砂土界面強(qiáng)度最小為27.12kPa，強(qiáng)度減少近33.2%，剪切強(qiáng)度軟化程度較低。這是因?yàn)椋缓袎A渣的原狀標(biāo)準(zhǔn)砂土顆粒級(jí)配良好，筋土界面最初呈現(xiàn)剪縮密實(shí)狀態(tài)，故前期剪切強(qiáng)度較高；當(dāng)砂土達(dá)到最大密實(shí)度后發(fā)生剪切膨脹，界面強(qiáng)度出現(xiàn)明顯軟化。

圖6 堿渣摻入量對(duì)堿渣砂土界面強(qiáng)度的影響

堿渣摻入量對(duì)堿渣砂土的筋土界面剪切強(qiáng)度起到相反作用。堿渣摻入量對(duì)界面峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度的影響如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。當(dāng)堿渣摻入量由8%增加至15%時(shí)，界面剪切強(qiáng)度同樣是降低，但是相較0%～8%摻入量峰值剪切強(qiáng)度出現(xiàn)了強(qiáng)度下降放緩的趨勢(shì)，而0%～8%和15%～30%強(qiáng)度變化基本一致。這說(shuō)明，當(dāng)堿渣摻量為15%時(shí)，既能有效利用堿渣作為標(biāo)準(zhǔn)砂的混合料進(jìn)行路基填筑，同時(shí)對(duì)剪切強(qiáng)度的不利影響較小。

圖7 堿渣摻入量對(duì)界面峰值及殘余強(qiáng)度的影響

3.2 顆粒級(jí)配的影響

通過(guò)施加荷載50kPa、100kPa、150kPa豎向應(yīng)力水平下不同顆粒級(jí)配的堿渣混合砂土界面直剪試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，摻入15%堿渣的標(biāo)準(zhǔn)砂混合土樣的界面剪切強(qiáng)度明顯低于細(xì)顆粒堿渣砂土和粗顆粒堿渣砂土，分別低了48%、30.1%和45%，這與日本山口大學(xué)相關(guān)學(xué)者利用離散元來(lái)研究顆粒級(jí)配對(duì)于筋土界面強(qiáng)度影響的研究結(jié)論類似。劉瑜等學(xué)者通過(guò)電鏡掃描研究福建標(biāo)準(zhǔn)砂的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)砂呈現(xiàn)無(wú)尖銳外觀的不規(guī)則塊體結(jié)構(gòu)，并且顆粒粗糙程度與顆粒幾何大小沒(méi)有明顯關(guān)聯(lián)[11]。這是因?yàn)閴A渣細(xì)顆粒砂土和粗顆粒砂土具有較為接近的表面粗糙度，筋土界面剪切強(qiáng)度來(lái)源于筋材土體的摩阻力和土顆粒內(nèi)部的機(jī)械咬合力，故兩者的界面剪切強(qiáng)度值相近。試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 50kPa下顆粒級(jí)配與堿渣砂土界面強(qiáng)度關(guān)系圖

圖9 100kPa下顆粒級(jí)配與堿渣砂土界面強(qiáng)度關(guān)系圖

圖10 150kPa下顆粒級(jí)配與堿渣砂土界面強(qiáng)度關(guān)系圖

3.3 密實(shí)度對(duì)界面特性的影響

在50kPa、100kPa和150kPa豎向應(yīng)力作用下，松散與密實(shí)堿渣標(biāo)準(zhǔn)砂土筋土界面強(qiáng)度關(guān)系曲線圖分別如圖11、圖12和圖13所示。不難看出，密實(shí)堿渣混合砂土的筋土界面強(qiáng)度明顯高于松散狀態(tài)，分別高出42%、18%和10%。同時(shí)，剪切位移為10mm～15mm時(shí)，密實(shí)砂土達(dá)到峰值剪切強(qiáng)度以后便出現(xiàn)強(qiáng)度軟化，這與松散砂土剪切強(qiáng)度硬化特征有明顯區(qū)別。

圖11 50kPa下密實(shí)度與堿渣砂土界面強(qiáng)度關(guān)系圖

圖12 100kPa下密實(shí)度與堿渣砂土界面強(qiáng)度關(guān)系圖

圖13 150kPa下密實(shí)度與堿渣砂土界面抗剪關(guān)系圖

3.4 堿渣混合砂土界面強(qiáng)度擬合

根據(jù)3種不同級(jí)配堿渣混合砂土樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果，分別繪制出筋土界面峰值剪切強(qiáng)度與殘余剪切強(qiáng)度的庫(kù)倫強(qiáng)度曲線圖，如圖14、圖15所示。堿渣標(biāo)準(zhǔn)砂土的界面內(nèi)摩擦角正切值明顯低于細(xì)顆粒堿渣砂土和粗顆粒堿渣砂土，而似粘聚力較高。當(dāng)豎向應(yīng)力小于75kPa時(shí)，堿渣細(xì)顆粒土的界面剪切強(qiáng)度低于粗顆粒土，而后強(qiáng)度高于后者，即細(xì)顆粒堿渣混合土樣的擬合曲線斜率較大，強(qiáng)度形成過(guò)程較快。殘余強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律與混合土樣一致。

圖14 堿渣砂土界面峰值強(qiáng)度曲線擬合

圖15 堿渣砂土界面殘余強(qiáng)度曲線擬合

4 結(jié)論

本研究基于堿渣加筋砂土的直剪試驗(yàn)結(jié)果，論證了堿渣資源化利用的可行性，為堿渣作為配料的路基施工提供技術(shù)參考，并得到以下結(jié)論。

（1）堿渣摻入量與堿渣砂土筋土界面剪切強(qiáng)度呈反比關(guān)系，當(dāng)堿渣含量為8%～15%時(shí)，可以對(duì)堿渣進(jìn)行有效利用，同時(shí)界面剪切強(qiáng)度削弱較為緩慢。

（2）堿渣標(biāo)準(zhǔn)砂土樣界面剪切強(qiáng)度明顯低于另外兩種混合砂樣約30%～48%，堿渣粗顆粒砂樣與細(xì)顆粒砂樣微觀結(jié)構(gòu)粗糙度相近，故呈現(xiàn)數(shù)值近似的界面強(qiáng)度。

（3）密實(shí)狀態(tài)堿渣混合砂土界面強(qiáng)度較松散狀態(tài)表現(xiàn)出平均高約20%的界面剪切強(qiáng)度，在路基填料施工過(guò)程中必須達(dá)到規(guī)范要求的密實(shí)度，以保證強(qiáng)度的發(fā)揮。

（4）通過(guò)對(duì)3種堿渣混合砂樣進(jìn)行庫(kù)倫強(qiáng)度曲線的擬合，發(fā)現(xiàn)堿渣細(xì)顆粒砂的界面剪切峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度值前期較低，在達(dá)到15mm剪切位移以后則略高于粗顆粒砂樣。