石灰水泥改性垃圾土强度的试验研究

王利平,王利夫,李虹辰,张爱军,陈俊英

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100;2.保定市水利水电勘测设计院,河北保定071000;3.石门水库管理局,陕西汉中723003)

随着经济增长和城市化速度加快,城市固体垃圾的产量正在急剧增加,近来随着城市的不断扩大,城市不断向郊区扩展,在扩建过程中必然会遇到处理垃圾土地基的问题,进行垃圾地基加固改性处理是工程建设中迫切要求解决的问题。目前工程建设中遇到浅层垃圾地基主要通过换填和挖除解决,深层垃圾地基主要通过桩基解决,建设成本高,且其长期沉降变形问题尚未得到很好解决。从张天红[1]、李文斌[2]、李永华[3]等对水泥改性垃圾土做的研究可知,改性剂可提高水泥垃圾土的早期强度,土颗粒对各种离子的吸收可降低水泥加固土的强度。由于垃圾填埋场环境比较复杂,对于加固材料的长期稳定性的研究是必须的,场地土对建筑物地基具有不同程度的腐蚀性破坏[4]。因此,垃圾填埋场不能直接作为建筑物的地基,需要进行地基处理。施建勇,冒俊[5]等分别进行了人工配置垃圾土未降解、降解旺盛期、降解稳定期在水泥掺入量为25%、35%、45%三种条件下不同养护龄期水泥垃圾土的无侧限抗压试验。程祖锋,牛中元,杨大顺[6]等对人工垃圾土掺入不同质量比的粉煤灰水泥,在8个不同养护龄期对样品进行无侧限抗压试验,研究了其随着龄期增长的各种情况下的强度特征。本试验在前人研究的基础上进行了进一步的研究探索。

1 对杨凌垃圾土的调查分析

1.1 调查地点及调查方案

1.1.1 调查地点介绍

本次试验调查的试验场地选在杨凌示范区李村垃圾填埋场。杨凌农业高新技术产业示范区全区面积94 km2,总人口14.6×104人,新建区规划面积22.12 km2。李村垃圾填埋场在杨凌市区西北6 km处,是杨凌市区最大的垃圾填埋场。由于杨凌区有两所高校,工矿企业少,高校人口占市内人口比重较大,所以垃圾大多为日常生活垃圾。

1.1.2 调查方案

垃圾土成分复杂多变且受多种因素影响,但根据国内外相关资料及相关人员的大量分析研究,其成分大致可分为塑料、橡胶、纺纤、纸张、厨余、毛骨、木条、灰渣、玻璃、金属、其他有机物等。本次试验在杨凌李村垃圾填埋场内随机取6个垃圾土试样,通过垃圾分拣来确定各成分所占百分比。

垃圾土中的各成分按形状和大小的不同可分为一维的木条、金属条等,二维的塑料膜、玻璃片等,三维的玻璃瓶等。对于一维的成分含量用其长度与样本体积比值进行衡量,对于二维成分含量用其总面积与样本体积比值进行衡量,对于三维成分含量用其体积百分数进行衡量。进而得出垃圾土的相关级配情况。

此外通过取样用烘干法测其含水率,并采用灌水法测体积并称重,进而求出其干密度。得出垃圾土中各成分含量及其级配情况,为室内人工配置垃圾土提供基础资料,研究垃圾土中纤维成分的加筋作用。具体过程有取样、用灌水法测体积、测定含水率、测样本质量、分拣。

1.2 调查试验结果及成果分析

1.2.1 垃圾土含水率及密度

经过取样测得垃圾土含水率及密度见表1。由表1可知杨凌李村垃圾填埋场垃圾土含水率在26.72%～57.34%之间,平均值42.08%,变化范围比较大;干密度在0.743 g/cm3～1.1 g/cm3之间,平均值0.939 g/cm3。

表1 杨凌李村垃圾填埋场垃圾土含水率及密度

1.2.2 垃圾土组成成分分析

通过对垃圾土样本的分拣,并用电子称测得杨凌李村垃圾填埋场垃圾土各成分在面干状态下的各组成成分百分比见表2。

表2 杨凌李村垃圾填埋场垃圾土各组成成分质量百分比 单位:%

1.2.3 垃圾土级配

按前面所述试验方法测得杨凌李村垃圾填埋场垃圾土的级配情况见表3。

表3 杨凌李村垃圾填埋场垃圾土各成分与样本质量的比值

以上为本次试验所测得的杨凌李村垃圾填埋场垃圾土的级配情况,其将为后面室内配置垃圾土并研究垃圾土中的加筋现象提供一定的参考。

2 石灰水泥混合料改性垃圾土强度的试验研究

2.1 试验条件

2.1.1 实验材料

综合考虑杨凌李村垃圾填埋场垃圾土各组成成分百分比和大量对试样制备方法的探索,参考河海大学的彭功勋[7]、冒俊[8]等分析的国内外典型垃圾组成,确定本次试验的垃圾土配比见表4。

表4 室内配置垃圾土各组成成分百分比 单位:%

通过前期的探索试验及查阅大量相关资料,本试验有三个实验组:第Ⅰ组水泥石灰比为29∶6,第Ⅱ组水泥石灰比为25∶10,第Ⅲ组水泥石灰比为33∶2。对各试验组参考《水工混凝土试验规范》做7 d、14 d、28 d、90 d、150 d龄期的抗压强度试验,并采用电阻应变片法做28 d龄期的单轴压缩变形实验,具体实验操作按《水利水电工程岩石试验规程》执行。

2.1.2 试样的制备方法

本试验参考《土工试验规程》按如下方法进行具体操作。本次试验有三个试验组,每次平行试验需3个试件,总共有5个龄期,每个实验组需制作15个试件,总共需制作45个试件。按上述试验材料配比,通过计算把一个实验组15个试件的材料都准备好,一次性搅拌均匀,然后再加入水泥和石灰质量和的19%的水后搅拌均匀,用内径150 mm,高150 mm的钢模在压力机上挤压成型,将其湿密度控制在2.0 g/cm3。

将试样用千斤顶从钢模中取出后立即用塑料袋包起来做到密封,防止水分散失并贴上标签,称重检验是否符合湿密度2.0 g/cm3的要求,若符合要求在地下养护室进行养护,地下养护室温度为25℃,湿度为95%,到相应的龄期后进行试验 。

2.2 试验结果及初步分析

2.2.1 不同水泥石灰配比改性后垃圾土的应力应变关系

参考《水利水电工程岩石试验规程》采用电阻应变片法做28 d龄期的水泥石灰比分别为29∶6、25∶10、33∶2垃圾土试件单轴压缩变形实验得相应的应力应变关系曲线见图1。

图1 水泥石灰垃圾土试件28 d龄期应力应变曲线的比较

根据图1可得:

(1)28 d龄期三种水泥石灰比的垃圾土试件应力应变关系曲线都属于硬化型曲线。

(2)三种水泥石灰比的垃圾土试件28 d龄期应力应变关系曲线都有一个转折点,转折点大约在最大应力的50%～60%处。通过对破坏后试件破坏面的观察,在试件内部形成了很多结核,结核内部为垃圾和土的混合物,强度比较低;结核外部为坚硬的外壳,主要为水泥水化和石灰硬化所形成。因此在转折点之前主要由结核外壳受力,故弹性模量较高,在转折点之后结核外壳被破坏,主要由结核内部垃圾和土受力,故弹性模量较低。

(3)通过对不同水泥石灰配比垃圾土试件应力应变关系曲线的比较,可知水泥石灰比为29∶6的垃圾土弹性模量最大,为水泥石灰比为33∶2和25∶10的垃圾土的5倍,因此水泥石灰比对垃圾土的弹性模量有较大的影响,而且最佳比例为29∶6。

2.2.2 不同水泥石灰配比改性后垃圾土的强度随龄期的变化规律

参考《水工混凝土试验规范》做7 d、14 d、28 d、90 d、150 d龄期的水泥石灰比分别为29∶6、25∶10、33∶2垃圾土试件抗压强度试验可得垃圾土强度随龄期的变化规律见图2。

图2 水泥石灰垃圾土强度随龄期的变化曲线

从图2中可知

(1)不同水泥石灰配比改性后垃圾土的强度随龄期的变化经过3个阶段,第一阶段0～14 d垃圾土降解速度小于水泥和石灰的凝结硬化速度,垃圾土强度迅速增加,增幅很大;第二阶段14 d～90 d垃圾土降解速度基本等于水泥和石灰的凝结硬化速度,垃圾土强度基本不变;第三阶段90 d以后垃圾土降解速度小于水泥和石灰的凝结硬化速度,垃圾土强度迅速增加,增幅较大。

(2)通过对各阶段强度的对比可知,水泥石灰比29∶6和25∶10的垃圾土试件其150 d的强度明显大于水泥石灰比33∶2的试件,其中水泥石灰比29∶6的试件强度最高,其值为水泥石灰比33∶2的试件的1.46倍,故最佳配比为29∶6。

(3)试件内部形成了很多结核,结核内部为垃圾和土的混合物,结核外部为坚硬的外壳,主要为水泥水化和石灰硬化所形成。有机质降解使结核内部局部体积减小并对骨架有软化作用,而石灰硬化时的收缩也能在一定程度上减小结核内部的空隙。此外加入石灰后垃圾土呈碱性对垃圾土的降解也有一定的减缓作用。

3 结 论

(1)通过对杨凌垃圾土的调查分析,得出杨凌李村垃圾填埋场垃圾土的相关性质并得出了垃圾土的相关级配参数,为室内人工配置垃圾土和研究垃圾土中纤维成分的加筋作用提供基础资料。

(2)研究了不同水泥石灰配比改性后,垃圾土28 d龄期的应力应变关系和垃圾土的强度随龄期的变化规律。研究表明:改性后垃圾土应力应变关系曲线都属于硬化型曲线;在最大应力的50%～60%处曲线都有一个转折点,在转折点前后垃圾土弹性模量发生明显的变化;改性后垃圾土的强度随龄期的变化经过3个明显的阶段;得到最佳的水泥石灰比为29∶6,改性后垃圾土的强度和弹性模量获得较大的提高,150 d的强度可达到1.52 MPa,28 d的弹性模量可达到1.01 GPa。

[1]张天红,周易平,叶阳升,等.水泥土的强度及影响因素初探[J].中国铁道科学,2003,24(6):53-55.

[2]李文斌.从水泥土强度增长机理分析看增强措施[J].甘肃水利水电技术,1994,(2):63-68.

[3]李永华.浅析水泥加固土的硬化机理[J].四川建筑科学研究,2000,26(3):58-60.

[4]程祖锋,张永永,王合玲.邯郸市区场地土的腐蚀性评价研究[J].河北工程大学学报(自然科学版),2008,25(3):12-14.

[5]施建勇,冒 俊,水泥垃圾土强度特性试验研究[J].岩土力学,2009,(7):1951-1954,1966.

[6]程祖锋,牛中元,杨大顺.粉煤灰水泥改性垃圾土的强度试验研究[J].河北工程大学学报.2009,26(2):13-15.

[7]彭功勋.城市生活固体废弃物(MSW)的沉降变形研究[D].南京:河海大学,2004.

[8]冒 俊.人工改良垃圾土强度特性研究[D].南京:河海大学,2007.