固废基固化材料稳定低液限黏土试验研究.pdf

引言公路建设中要求路基具有足够的强度和稳定性，路基质量较差是造成公路早期损坏的重要原因之一，易引发不均匀沉降、翻浆、开裂等危害1。但公路建设往往线路较长、沿线路段地质情况复杂，遇到土质较差地区，全段换填成本巨大，因此一般对不良土质进行固化改性，使其满足路基填筑工程要求。传统路网建设工程采用水泥、石灰等作为土壤固化剂，但存在收缩大、水稳定性差等各种问题2-5，另一方面，随着近年来国家对生态环保、资源浪费等问题愈加重视，亟需寻找绿色建材资源。基于此，利用工业固废作为新型土壤固化剂的研究逐渐兴起。孟建伟6将水泥与工业废渣复掺制备土壤固化剂，同时评价了其对砂质土、粉质土等固化强度和水稳性能等的影响。固废基固化材料稳定低液限黏土试验研究李玉耀1，马春锋2，赵亚婷3，4，褚付克3，4（1.河南安罗高速公路有限公司，河南 郑州450000；2.河南省濮卫高速公路有限公司，河南 郑州450000；3.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州450000；4.交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心，河南 郑州450000）摘要：通过室内试验，对比分析了工业固废基固化材料和粉煤灰硅酸盐水泥稳定低液限黏土的无侧限抗压强度、CBR 值、水稳定性以及抗干湿循环等性能。结果表明：随着固化材料掺量的增加，工业固废基固化材料稳定土的最佳含水率增大、最大干密度减小。与粉煤灰硅酸盐水泥相比，低掺量（3%）下，工业固废基固化材料稳定土的物理力学性能与之相当；但较高掺量（4%6%）下工业固废基固化材料稳定土可获得更高的 CBR 值和无侧限抗压强度。且相同掺量和龄期下，工业固废基固化材料稳定低液限黏土的水稳定性和抗干湿循环性能更优。关键词：工业固废；稳定土；物理力学性能；耐久性中图分类号：TU528.044文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）08-0089-05Experimental study on stabilizing low-liquid-limit clay with solid waste based soil stabilizerLI Yuyao1，MA Chunfeng2，ZHAO Yating3，4，CHU Fuke3，4（1.Henan Anluo Expressway Co.Ltd.，Zhengzhou 450000，China；2.Henan Puwei Expressway Co.Ltd.，Zhengzhou 450000，China；3.Henan Provincial Communications Planning&Design Institute Co.Ltd.，Zhengzhou 450000，China；4.Research and Development Center of Transport Industry of Technologies，Materials and Equipments ofHighway Construction and Maintenance，Zhengzhou 450000，China）Abstract：Through laboratory tests，the unconfined compressive strength，CBR，water stability and resistance to dry-wet cyclesof industrial solid waste based soil stabilizer and Portland cement stabilized low-liquid-limit clay were compared and analyzed.Theresults show that the optimum moisture content of the soil stabilized by industrial solid waste based soil stabilizer increases andthe maximum dry density decreases with the increase of soil stabilizer content.Compared with Portland cement of fly ash，thephysical and mechanical properties of stabilized soil with low content（3%）of industrial solid waste based soil stabilizer areequivalent with cement stabilized soil，but the stabilized soil with higher content（4%6%）of industrial solid waste based soilstabilizer can obtain higher CBR values and unconfined compressive strengths.Under the condition of the same dosage and age，the water stability and resistance to dry-wet cycles of low-liquid-limit clay stabilized by industrial solid waste based soil stabilizerare better than that of cement stabilized soil.Key words：industrial solid waste，solidified soil，physical and mechanical properties，durability中国科技核心期刊89新型建筑材料圆园23援08Yu 等7研究发现，将煅烧煤矸石、钢渣等冶金废渣与硅酸盐水泥复配，在废渣掺量高于 80%时，固化土样的无侧限抗压强度（UCS）比单独使用水泥固化土的 UCS 值增大 45 倍。乔子秦8通过研究得出粉煤灰-脱硫石膏-水泥三元凝胶体系加固黄土的最佳配比，并对固化土体系的强度产生机理进行了深入探究。Salimi 和 Ghorbani9则以高炉矿渣复掺CaO 等活化剂或 NaOH 等碱激发剂固化软土，从而提升加固土体的强度和刚度，避免沉降问题。Sharma 和 Kumar10综述了工业废渣地聚物替代水泥、石灰用于土壤固化的混合料配比、激发剂摩尔浓度及掺量、温度和龄期等参数变化对固化性能的影响规律，指出工业废渣地聚物的最佳参数范围为激发剂掺量 5%20%、摩尔浓度 812 mol/L、温度 2545 益、水胶比 0.350.85 等。工业废渣中硅、铝矿物组分在碱性环境中与水和土壤颗粒中的活性组分反应，生成絮状 C-S-H 凝胶、针棒状钙矾石、微晶态或非晶态的硅铝酸盐网络聚合体等水化产物，从而将土壤颗粒紧密胶结在一起，提高加固土体的整体强度和刚度，同时增强固化土体系对重金属和碱性离子的固化能力11-13。本文利用矿渣、赤泥、电石渣、尾矿等工业废渣和其他添加剂复配了一种固废基固化材料，通过室内试验对比分析其与水泥稳定低液限黏土的物理、力学性能和耐久性，并研究了固化材料掺量及养护龄期对固化土路用性能的影响规律，从而为工业固废复合材料处治黏性路基土在实际工程中的应用提供科学合理的技术依据。1试验1.1原材料（1）土料：河南境内某高速公路沿线路基填筑土，检测得知该土为低液限黏土，其基本物理性能如表 1 所示。表 1试验土样的基本物理性能（2）固化材料：将工业废渣按 m（矿渣）颐m（赤泥）颐m（电石渣）颐m（尾矿）=20颐10颐55颐15 的比例复配成的工业固废复合材料（ISW）作为固化材料改良土样，其中矿渣来源于舞钢钢铁厂，赤泥和尾矿取自新乡中州铝业股份有限公司，电石渣取自平顶山中悦环保股份有限公司。选用 P F32.5 级粉煤灰硅酸盐水泥固化土样为参照组。通过 X 射线荧光光谱分析（XRF）测试工业固废复合材料和水泥的化学成分，结果见表 2。表 2固化材料的化学组成%1.2试验方法试验选择 0、3豫、4豫、5豫和 6豫共 5 个固化材料掺量，按照相关试验规程中给定的操作步骤进行性能测试。1.2.1物理力学性能测试击实试验：采用沧州虹磊公路仪器有限公司生产的CSK-VI 型多功能电动击实仪对固化土样进行击实试验，操作步骤参照 JTG 34302020 公路土工试验规程，得到固化土样的最佳含水率和最大干密度。承载比（CBR）试验：根据 JTG 34302020 中规定的步骤，采用多功能路面材料强度试验机进行 CBR 测试。分别测试不同压实度下（K=93%、94%、96%）固化土样的CBR 值。按照击实试验确定的最佳含水率和最大干密度，每组制备 3 个试件。将击实试验完成后的试件浸于水中 4 个昼夜，浸水龄期结束后计算膨胀量并测试 CBR 值。无侧限抗压强度试验：测试步骤参照 JTG E512009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 进行。根据击实试验所得土的最佳含水率和最大干密度，按 98豫的压实度采用静力压实法制备直径 50 mm、高 50 mm 的试件。试件成型后，在温度为（20依2）益、相对湿度为 95%的条件下养护 6 d，再放入清水中浸泡 24 h，然后用压力机测试其 7 d 无侧限抗压强度（UCS）值。由于标准中没有 28 d 无侧限抗压强度的要求，本试验按照以下方式进行：固化土试件成型后，在温度为（20依2）益、相对湿度为 95%的条件下养护 6 d，在清水中浸泡 22 d后，测试其 28 dUCS 值。1.2.2耐久性试验水稳定性试验：按照 CJT 4862015 土壤固化外加剂中试验方法测试固化土样的水稳系数，标准养护 7 d 后浸水 1d 的稳定土试件 UCS 值与不经过浸泡的同龄期试件的UCS 值之比。干湿循环试验：研究固化材料掺量变化对固化土试件养护 28、90 d 时抗干湿循环能力的影响。每组 6 个试件（50 mm伊50 mm 圆柱体），最终结果取平均值。试验过程为：将试件在恒温恒湿标准养护条件下养护至规定龄期，养护期最后1 d 将试件置于（20依2）益的水中浸泡 24 h，而后放入（50依2）益恒温干燥箱中烘干 24 h，以此为 1 次干湿循环，5 次干湿循环后测试试件的 UCS 值。干湿循环系数按式（1）计算：干湿循环系数=干湿循环试件 UCS 值标养试件 UCS 值（1）最大干密度/（g/cm3）最佳含水率/%液限/%塑限/%塑性指数承载比/%K=93%K=94%K=96%1.9213.33218147.48.69.6项目CaOAl2O3MgOSiO2Fe2O3Na2OK2OISW40.7318.165.0623.226.081.040.76P F32.552.847.482.3726.465.710.700.77李玉耀，等：固废基固化材料稳定低液限黏土试验研究90晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂2结果与讨论2.1最大干密度与最佳含水率水泥和工业固废复合材料固化土样的击实试验结果如表3 所示。表 3固化土样的最佳含水率和最大干密度由表 3 可以看出，当固化材料的掺量为 3%时，ISW 和 P F32.5 水泥固化土样的最佳含水率较素土均有所增大，且 ISW固化土样的最佳含水率更大，为 13.5%；而 2 种固化土样的最大干密度较素土相比则有所减小，且 ISW 固化土样的最大干密度更小。随着 2 种固化材料掺量的增加，固化土样的最佳含水率基本均呈线性增大；相应地，最大干密度则逐渐减小。且与 P F32.5 水泥固化土样相比，ISW 固化土样的最佳含水率和最大干密度随 ISW 掺量增加的变化幅度更大。当固化材料掺量为 6%时，P F32.5 水泥固化土样的最佳含水率为 13.6%，相比素土增大了 2.3%左右；而 ISW 固化土样的最佳含水率为 14.0%，相比素土增大了约 5.3%。该掺量下，PF32.5 水泥和 ISW 固化土样的最大干密度相比素土分别降低了约 2.1%和 3.1%。这主要是因为利用工业固废制备得到的固化材料为多孔材料，比表面积较大，能吸附更多的自由水，且超早期水化反应较为迅速，从而易于快速和土壤颗粒黏结成块，一方面影响压实效果，使得最大干密度减小，另一方面阻碍自由水在拌和土样孔隙中的流通，导致最佳含水率增大14。2.2承载比不同固化材料固化土样的 CBR 值如图 1 所示。图 1不同固化材料固化土样的 CBR 值由图 1 可以看出，ISW 和 P F32.5 水泥 2 种固化材料的掺入，均使得素土的 CBR 值迅速增大。所有固化土样在不同压实度下的 CBR 值均在 30%以上，远远超过 JTG D302015公路路基设计规范 中规定的上路床 CBR 值大于 8%的要求。且 ISW 和 P F32.5 水泥固化土样的 CBR 值均随着固化材料掺量的增加而不断增大，相比之下，ISW 固化土样的 CBR值增幅更大。进一步对比 ISW 和 P F32.5 水泥固化土样的 CBR 值可知，当 ISW 掺量为 3%时，其固化土样在 93%、94%、96%压实度下的 CBR 值均略低于水泥稳定土，但随着 ISW 掺量的增加，其固化土样在不同压实度下的 CBR 值均逐渐增大，且在4%掺量时超过水泥固化土样同压实度下的 CBR 值。当 ISW掺量继续增加至 6%时，其固化土样在 93%、94%、96%压实度下的 CBR 值分别为 49.6%、50.5%、52.3%，比水泥固化土同压实度下的 CBR 值高 20%左右。整体来看，低掺量 ISW 固化土的 CBR 值已经满足高速公路路基施工技术要求，且 ISW 相比水泥更具价格优势，有利于在实际工程中推广使用。2.3无侧限抗压强度不同固化材料固化土样的无侧限抗压强度如图 2 所示。图 2不同固化材料固化土样的无侧限抗压强度由图 2 可以看出，素土几乎无强度，7 d 和 28 d 龄期的UCS 值均低于 0.2 MPa。而相同龄期下，所有固化土样的 UCS固化材料掺量/%最佳含水率/%最大干密度/（g/cm3）ISWISWP F32.5313.513.31.911.92413.713.41.891.91513.813.51.871.90614.013.61.861.88P F32.5李玉耀，等：固废基固化材料稳定低液限黏土试验研究91新型建筑材料圆园23援08值均随着 ISW 或水泥掺量的增加而增大；相同固化材料掺量下所有试样的 UCS 值均随龄期延长逐渐增大。当固化材料掺量为3%时，ISW 固化土样的各龄期强度均略低于水泥固化土。这是因为掺量较低时 ISW 颗粒在固化土体系中较为分散，又因为 ISW 比表面积大，反应活性较高，其水化生成的C-S-H 凝胶、钙矾石等产物在迅速胶结周围土壤颗粒的同时，也容易将未水化的颗粒或未反应完全的水分包覆起来，从而在一定程度上阻碍了反应产物空间网状结构的延伸，使得宏观强度略有降低。但掺加 3%ISW 固化土样的 7 dUCS 值已达到 1.0 MPa 以上，结合 CBR 测试结果（见图 1）可知，3%掺量的 ISW 用于处治路基土效果良好。4%6%掺量的ISW 固化土样的各龄期 UCS 值均高于水泥固化土，且同一掺量下 ISW固化土样的无侧限强度随龄期延长的增长幅度同样大于水泥固化土；整体来看，ISW 固化土样的 7 d 强度比水泥固化土高0.51.0 MPa，28 d 无侧限强度相比水泥固化土样增加了 30%40%。UCS 测试结果表明，固废基固化材料较水泥更适宜用于低液限黏土的稳定处治。这是由于 ISW 是根据待处治土的理化性质进行针对性配方设计，通过工业废渣之间的协同水化或与土壤中活性组分反应形成结构骨架、生成胶凝性产物填充结构孔隙，进而提高固化土的宏观力学性能。2.4水稳定性不同固化材料固化土样的水稳系数如表 4 所示。表 4不同固化材料固化土样的水稳系数素土试件在泡水后 24 h 内即溃散，水稳定性极差。由表 4可知，所有固化土试件的水稳系数均小于 100%，介于 85%98%，说明饱水固化土试件的 UCS 值较标准养护试件均有所减小。这是因为浸水使得固化体系颗粒之间的粘聚力及内摩擦力减弱，从而导致结构整体强度降低。随着固化材料掺量的增加，所有固化土样的水稳系数逐渐增大，说明固化材料掺量增加使得固化土体系的孔隙结构更为致密，水稳定性增强，这主要得益于固化材料反应形成的胶凝性产物及空间网状结构。对比来看，相同固化材料掺量下，ISW 固化土样的水稳系数均高于水泥固化土。当固化材料掺量为 3%时，ISW 和水泥固化土样的水稳系数差别很小。这是由于低掺量下固化材料作用程度较小，固化土样强度在较大程度上仍依靠颗粒之间的粘聚力和内摩擦力，故不同固化材料固化土的水稳系数差别不大。当固化材料掺量增加至 4%时，2 种固化材料固化土样的水稳系数差别最大，此时 ISW 固化土样的水稳系数达到89.4%，而水泥固化土样的水稳系数为 87.2%。随着固化材料掺量的进一步增加，ISW 和水泥固化土样的水稳系数均稳步提升，但整体来看，ISW 对低液限黏土的水稳性能提升作用优于水泥。2.5抗干湿循环性能不同固化材料固化土样的干湿循环系数如表 5 所示。表 5不同固化材料固化土样的干湿循环系数由表 5 可知，相同龄期下，固化土样的干湿循环系数随固化材料掺量增加而增大，说明固化材料掺量增加有利于提高固化土样经干湿循环后的 UCS 值，这与固化土样的无侧限抗压强度（见图 2）及水稳定性（见表 4）的变化规律相符。28 d 龄期时，当固化材料掺量从 3%增加至 6%，ISW 固化土样和水泥固化土样的干湿循环系数分别增大了 24%和 13%。相同固化材料掺量下，固化土样的干湿循环系数随龄期延长而增大，这表明固化土样经干湿循环后，无侧限抗压强度随龄期延长依然持续提高，没有出现强度倒缩现象。这是因为随着养护龄期的延长，固化土样内部的空间网状结构逐渐扩展、颗粒之间粘聚力增大、整体结构更加致密，因此强度和耐久性提高。对比来看，较低掺量（3%耀4%）下，ISW 固化土样的干湿循环系数随龄期延长增幅更大；而较高掺量（5%耀6%）下，水泥固化土样的干湿循环系数随龄期延长增幅更大。这可能是由于水化后期水泥中活性混合材的火山灰反应得以激发15，从而使得固化土样的结构进一步致密化。总体来看，相同固化材料掺量下，ISW 固化土样的 28 d和90 d 干湿循环系数基本均大于水泥固化土，说明 ISW 对低液限黏土的抗干湿循环性能改善效果更佳。3结论（1）固化材料掺量增加使得固化土的最佳含水率增大、最大干密度减小。ISW 固化低液限黏土的最佳含水率高于水泥稳定土，最大干密度低于水泥稳定土。（2）ISW 固化低液限黏土的 CBR 值和无侧限抗压强度均固化材料掺量/%水稳系数/%ISWP F32.5385.384.6489.487.2592.591.5697.696.1固化材料掺量/%ISW 固化土样的干湿循环系数P F32.5 水泥固化土样的干湿循环系数28 d28 d90 d30.710.790.720.7340.750.810.740.7750.800.830.760.8160.880.910.810.8890 d李玉耀，等：固废基固化材料稳定低液限黏土试验研究92晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂（上接第 73 页）3结论（1）随着龄期的延长，稳定土的各项力学性能逐渐提高，7 d 无侧限抗压强度 6.9 MPa，60 d 抗压回弹模量逸1608.4MPa，减缩增强材料稳定土的各项力学性能均优于相同稳定材料掺量的水泥稳定土。（2）稳定土浸泡 28 d 的水稳系数为 90.1%，稳定土经受5 次干湿循环后，水稳系数达到了106.5%，强度没有出现损失情况，而相反，水泥稳定土的水稳系数减小。（3）减缩增强材料稳定土的干缩应变随着时间的延长先增大后减小，稳定土的干缩量早期增长幅度较大，后期增长幅度较小，60d 干缩系数为 60.4伊10-6。水泥稳定土的干缩应变随时间的延长而增大，60 d 干缩系数为 358.3伊10-6。稳定土的温缩应变随着温度的降低呈增大的趋势，与水泥稳定土相比，减缩增强材料稳定土收缩量更小，抗收缩性能更好。参考文献：1樊恒辉，高建恩，吴普特.土壤固化剂研究现状与展望J.西北农林科技大学学报（自然科学版），2006（2）：141-146，152.2杨林，刘雨彤，宋玉鑫援外加剂改性水泥石灰土力学及收缩特性试验研究J援中外公路，2018，38（1）：288-293.3夏永杰，王丽艳，刘瀚森援掺废弃钢渣的水泥土强度特性试验研究J援中外公路，2016，36（5）：243-246.4杨红辉.掺膨胀剂及纤维水泥稳定碎石抗裂性能研究D.西安：长安大学，2003.5史保华，宁文溥，许巍，等.抗耐土壤稳定剂在简易机场道面中的应用J.交通运输工程学报，2013，13（2）：25-33.6庞辅乾.浅谈水泥稳定土基层早期裂缝的改善措施J.市政技术，2004（4）：253-254.7陈冬燕.半刚性基层材料抗裂性能研究D.西安：长安大学，2005.蒉随固化材料掺量增加而增大，且不同固化材料掺量的 ISW 固化土样在不同压实度下的 CBR 值均在 30%以上，4%6%掺量下ISW 固化土样不同龄期的 UCS 值均高于水泥稳定土，尤以28 d 强度差别最为显著。（3）ISW 固化低液限黏土的水稳定性和抗干湿循环性能均优于水泥固化土。参考文献：1佘廉，姚志勋，茅荃.公路交通灾害预警管理M.石家庄：河北科学技术出版社，2004：122-127.2王新岐，王晓华，李长升.土壤固化剂在路基处理、道路基层中的应用研究C/中国土木工程学会.第九次全国城市道路与交通工程学术会议论文集.2007：436-444.3黎灿明.石灰稳定土强度影响因素研究及其合理填筑条件探讨D.南京：河海大学，2005.4尤忆，向杰.水泥稳定土强度和微观结构的冻融损伤规律J.硅酸盐通报，2020，39（2）：123-128.5王亮明.公路路面底基层水泥石灰综合稳定土施工技术研究J.中华建设，2020（4）：161-163.6孟建伟.广谱性工业废渣基土壤固化剂的试验研究D.南京：南京工业大学，2016.7Yu H，Huang X，Ning J，et al.Improving performance of soil sta原bilizer by scientific combining of industrial 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