冉武平，李世彤， 陳遠國

(1.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830017;2.新疆土木工程技術研究中心,新疆 烏魯木齊 830047；3.新疆錦恒利廢礦物油處置有限公司,新疆 烏魯木齊 830091)

0 引言

據(jù)2015年第二次全國土壤普查資料顯示，新疆地區(qū)鹽漬土面積約占我國鹽漬土面積的45.7%，鹽漬土嚴重制約著新疆公路基礎建設的步伐，鹽漬土的處治嚴重影響路基質量[1]，也是公路施工質量保障的一個重要環(huán)節(jié)[2]。要想加速公路在此地區(qū)的發(fā)展，首先要解決的就是鹽漬土路基所帶來的一系列問題，目前新疆地區(qū)改良鹽漬土常用的換填等方式存在運距遠、造價高且易造成次生鹽漬化[3]等工程實際問題，將熱解后的油污泥熱解殘渣用于配制路基材料，不僅能夠提高鹽漬土的強度[4-5]，而且能夠彌補換填用量大成本高的缺陷，亦能達到廢物利用的目的，同時還可為油污泥熱解殘渣的資源化利用提供一種有效方法。因此本文通過回彈模量試驗，研究不同油污泥熱解殘渣摻配比對不同類型鹽漬土的影響，并提出較優(yōu)摻配比，以期在推動油污泥熱解殘渣資源化利用發(fā)展進程的同時，為其應用于公路路基材料領域提供參考經(jīng)驗。

1 試驗

由于新疆地區(qū)平原盆地面積占新疆總面積的51.8%[6]，而平原盆地邊緣是以巨粒土和粗粒土為主的戈壁天然砂礫[7]，因此本文為更加貼近公路建設實際，決定選用自配粗粒礫類鹽漬土展開后續(xù)研究，土樣基本性質指標與級配見表1。鹽漬土作為工程中的一種特殊類型土，在《新疆鹽漬土地區(qū)公路路基路面設計與施工規(guī)范》等規(guī)范[8]與參考文獻[9]中都有定義，鹽漬土指易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的巖土。以新疆某地區(qū)為例，年均降水量為40～82 mL，年均蒸發(fā)量為1 800～2 560 mL[10]，由此發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)降雨量少且蒸發(fā)量大的特殊氣候特征，會使得地層土體存在大量隨水鹽遷移與強蒸發(fā)作用滯留在土體中的易溶鹽含量大于0.3%的鹽顆粒，所以本試驗選取規(guī)范[11]中弱、中、強鹽漬土開展試驗工作，鹽以質量百分比的方式添加。鹽選用天津永晟精細化工有限公司生產，氯鹽與硫酸鹽的pH(50 g/L，25 ℃)為5～8，主要技術指標見表2。

表1 自配土基本性質指標及級配Table 1 Basic property index and gradation of self-distributed soil

表2 鹽主要技術指標Table 2 Main technical indexes of salt %

截至到2015年新疆各油田累計產生油污泥已經(jīng)達到1.66×105m3，且仍在逐年增加[12]。油污泥熱解殘渣是由油污泥通過熱解法處理后殘余的主要產物，針對油污泥熱解殘渣的資源化利用,現(xiàn)有研究主要集中在吸附劑、催化劑、絮凝劑和制取富氫燃氣等方面[13]。然而這些資源化利用方式并不能高效利用油污泥熱解殘渣，導致大量的油污泥熱解殘渣被任意堆放，繼而對周邊環(huán)境造成污染，將油污泥熱解殘渣用于制備路基材料是較好的變廢為寶的技術措施。試驗所用油污泥熱解殘渣取自新疆錦恒利廢礦物油處置有限公司，為灰棕色固體，如圖1所示，其主要化學成分與粉煤灰類似[5]，具體如下：Al2O3為14.5%，F(xiàn)e2O3為5.03%，CaO為5.26%，SiO2為54.2%，BaO為2.7%，Na2O為1.5%，SO3為3.52%，Loss為12.95%。無害化處理樣品檢測結果如下：六價鉻<2 mg/kg，銅43.2 mg/kg，鋅114 mg/kg，鎳44.5 mg/kg，鉛15.3 mg/kg，鎘2.48 mg/kg，砷4.04 mg/kg，苯并笓<0.66 mg/kg，含油率0.816%，該樣品檢測結果符合DB 65/T 3998-2017《油氣田含油污泥綜合利用污染控制要求》中污染物限值要求，是一種可直接利用且對周邊環(huán)境無不良影響的改良材料。

圖1 油污泥熱解殘渣Figure 1 Pyrolysis residue of oily sludge

路基回彈模量試驗是我國路面設計重要力學參數(shù)，路基回彈模量對路面結構強度、剛度、穩(wěn)定性、使用性能和使用壽命起著十分重要的作用[15]，因此選取土的回彈模量試驗對改良鹽漬土進行評價與分析。試驗方案見表3，為適用不同地區(qū)鹽漬土鹽漬化程度的差異，方案中含鹽量選取JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》[11]中對鹽漬土按鹽漬化程度進行分類后不同鹽類型粗粒土的弱鹽漬土、中鹽漬土和強鹽漬土含鹽量作為試驗摻量；方案中油污泥熱解殘渣摻量從0%開始，以5%遞增。

表3 試驗方案Table 3 Test plan

1.1 擊實試驗

根據(jù)JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》[11]，壓實度94%能夠滿足三、四級公路路床和高速公路、一級公路與二級公路路堤壓實度需求，因此本文控制壓實度為94%。高志偉[16]等分別選取新疆地區(qū)東疆、北疆、南疆各典型路段埋設濕度傳感器對公路路基含水量年變化規(guī)律進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)3個區(qū)域中在新疆喀什地區(qū)存在含水量最大值8.2%，因此本文選定最不利含水率8%作為室內試驗自配土最大含水率開展擊實試驗。根據(jù)JTG E40-2007《土工試驗規(guī)程》[17]確定采用重型擊實法，分3層擊實，擊實結果見圖2。由圖2可看出自配土的最佳含水率為6%，最大干密度為2.36 g/cm3。

圖2 擊實試驗結果Figure 2 Compaction test results

1.2 土的回彈模量試驗

試驗采用JTG E40-2007《土工試驗規(guī)程》[17]中的強度儀法對改良鹽漬土開展研究，許文輝[18]等專門針對新疆礫類土進行回彈模量研究，發(fā)現(xiàn)礫類土回彈模量范圍在84～125 MPa之間，且在最佳含水率下進行擊實，能夠使得強度更為穩(wěn)定。因此本試驗用最佳含水率下?lián)魧嵑蟮脑嚰_展回彈模量試驗，將擊實后的試件和試筒放在強度儀的升降臺上，將強度儀的貫入桿對正，首先進行預壓，這一步驟主要目的是模擬施工期間路用材料所承受的應力，以消除壓實和反復加卸載等差異因素的影響，從而降低回彈模量的變異性[19]。預壓過后將預定的最大壓力分為4～6份進行逐級加載、卸載過程并記錄數(shù)據(jù)?；貜椖Ａ堪词?1)進行計算，最終回彈模量為3組平行試驗的平均值。

(1)

2 試驗結果與分析

2.1 油污泥熱解殘渣摻量對改良鹽漬土影響結果與分析

油污泥熱解殘渣摻量與改良氯鹽漬土和硫酸鹽漬土回彈模量關系結果見圖3和圖4。

圖3 殘渣摻量與氯鹽漬土回彈模量關系Figure 3 The relationship between residual content and resilience modulus of chlorine saline soil

由圖3可看出：所有氯鹽漬土試件回彈模量均大于84 MPa，與許文輝[18]等研究規(guī)律類似，回彈模量滿足規(guī)范要求。從柱狀圖可看出摻加油污泥熱解殘渣可顯著提高氯鹽漬土回彈模量，回彈模量隨油污泥熱解殘渣摻量地增加呈現(xiàn)先增長后降低的變化趨勢，殘渣摻量在0%～5%階段對回彈模量提升較為顯著，而在5%～10%階段提升作用減緩，在10%～15%階段出現(xiàn)下降趨勢。SAYED[20]等研究了原油對于不同類型巖土的力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)會由于油等烴類流體的低介電常數(shù)導致土樣的黏聚力增加。因此認為當殘渣摻量由0%不斷增長到10%的過程中，由于含油量的增加使得粗粒土黏聚力得到大幅改善，并且油污泥熱解殘渣成分與粉煤灰類似，改良中存在一些相似的物理化學作用[21-22]從而使回彈模量有較大提升。分析試驗數(shù)據(jù)可知，當氯鹽含量為2%時，不同殘渣摻量的改良土回彈模量較自配土分別增加了12.6%、34%、23.2%；當氯鹽含量為5%時，不同殘渣摻量的改良土回彈模量較自配土分別增加了10.3%、14.8%、12.5%；當氯鹽含量為8%時，不同殘渣摻量的改良土回彈模量較自配土分別增加了51.3%、57.2%、51.2%。其中油污泥熱解殘渣摻量對氯鹽漬土的提升存在一個峰值，由本試驗確定該值存在于10%處。

圖4 殘渣摻量與硫酸鹽漬土回彈模量關系Figure 4 The relationship between the amount of residue and the resilience modulus of sulfuric acid saline soil

由圖4可看出：所有硫酸鹽漬土試件回彈模量均大于84 MPa，回彈模量滿足規(guī)范要求，油污泥熱解殘渣的摻加顯著提高了硫酸鹽漬土回彈模量，其回彈模量隨油污泥熱解殘渣摻量的增加，而呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，且規(guī)律與氯鹽較為一致，均在殘渣摻量為0%～5%階段回彈模量提升較為顯著，而在5%～10%階段提升作用減緩，在10%～15%階段出現(xiàn)下降趨勢。分析試驗數(shù)據(jù)可知，當硫酸鹽含量為1.5%時，不同殘渣摻量的改良土回彈模量較自配土分別增加了54.8%、60.6%、54.1%；當硫酸鹽含量為3%時，不同殘渣摻量的改良土回彈模量較自配土分別增加了51.5%、73.6%、71.5%；當硫酸鹽含量為6%時，不同殘渣摻量的改良土回彈模量較自配土分別增加了88.9%、92%、67.3%。其中油污泥熱解殘渣摻量對硫酸鹽漬土的提升存在一個峰值，由本試驗確定該值存在于10%處。

2.2 鹽含量對改良鹽漬土影響結果與分析

鹽含量與改良氯鹽漬土、硫酸鹽漬土回彈模量關系結果見圖5和圖6。

圖5 鹽含量與氯鹽漬土回彈模量關系Figure 5 Relationship between salinity and resilience modulus of chlorine saline soil

由圖5可看出：摻加油污泥熱解殘渣后的氯鹽漬土回彈模量均大于自配土，說明摻加油污泥熱解殘渣能夠有效提升粗粒土的回彈模量；結合圖3不難發(fā)現(xiàn),中氯和強氯鹽漬土的回彈模量本就大于弱氯鹽漬土，說明氯鹽漬土的回彈模量本身就會隨著鹽含量的增加而提升；當氯鹽含量小于2%時，油污泥熱解殘渣改良鹽漬土的改良效果不明顯，使得這一階段回彈模量與鹽含量負相關，當氯鹽含量大于2%時，油污泥熱解殘渣改良鹽漬土的改良效果，隨著含油量和物理化學作用的提升，使得這一階段回彈模量與鹽含量呈現(xiàn)正相關?；貜椖Ａ侩S鹽含量的增加而逐漸增強這一規(guī)律與MIURA[23]、ONITSUKA[24]和MOHD YUNUS[25]等采用水泥或石灰對鹽漬土進行改良試驗發(fā)現(xiàn)的規(guī)律基本一致，與徐安花[26]等對青海地區(qū)鹽漬土回彈模量研究得出的回彈模量隨鹽含量的增長逐漸上升的規(guī)律一致。

由圖6可看出：摻加油污泥熱解殘渣后的硫酸鹽漬土回彈模量均大于自配土，說明摻加油污泥熱解殘渣能夠有效提升粗粒土的回彈模量，由圖可以發(fā)現(xiàn)不同油污泥熱解殘渣摻量的改良土，其回彈模量均隨含鹽量的增加呈現(xiàn)先增大后減小,最終趨于平緩的趨勢，由本試驗發(fā)現(xiàn)回彈模量與鹽含量的關系存在一個臨界值，本文確定該值存在于1.5%含量處，LV[27]等研究含鹽量對經(jīng)過不同固化劑固化后的硫酸鹽漬土無側限抗壓強度的影響時，發(fā)現(xiàn)固化土的無側限抗壓強度峰值出現(xiàn)在1.8%含鹽量處，這一結論與本試驗規(guī)律較為相似。

圖6 鹽含量與硫酸鹽漬土回彈模量關系Figure 6 Relationship between salt content and the resilience modulus of sulfuric acid saline soil

3 結論

本文為了研究油污泥熱解殘渣改良新疆地區(qū)鹽漬土的回彈模量，使其能夠更有效地應用于工程實例，分別選取不同含鹽量和油污泥熱解殘渣摻量的改良土試樣進行了回彈模量試驗。經(jīng)過試驗分析得到以下結論：

a.不同油污泥熱解殘渣摻量的改良氯鹽漬土和硫酸鹽漬土，回彈模量均滿足規(guī)范標準要求且有較大提升，說明油污泥熱解殘渣可以用于制路基材料的同時，還能提升土體強度。

b.對于氯鹽漬土，其回彈模量隨鹽含量的增加呈現(xiàn)增長趨勢，對于弱鹽漬土(鹽含量為2%)、中氯鹽漬土(鹽含量為5%)和強氯鹽漬土(鹽含量為8%)，油污泥熱解殘渣摻量宜選擇改良土回彈模量提升峰值時的10%作為較優(yōu)摻配比。

c.對于硫酸鹽漬土，其回彈模量隨鹽含量的增加呈現(xiàn)先增大后降低再至平緩的趨勢，鹽含量峰值為1.5%，對于弱鹽漬土(鹽含量為1.5%)、中鹽漬土(鹽含量為3%)和強鹽漬土(鹽含量為6%)，油污泥熱解殘渣摻量宜選擇改良土回彈模量提升峰值時的10%作為較優(yōu)摻配比。

d.將油污泥熱解殘渣用于改良新疆地區(qū)鹽漬土路基，不僅能為油污泥熱解殘渣找到一種高效的資源化利用方式，而且還能為改良鹽漬土路基提供一種新方法。