电石渣稳定土路基的试验研究

戈　铭

电石渣稳定土路基的试验研究

戈铭

（江苏省南京市公路管理处，江苏 南京210014）

通过大量资料调研，总结了电石渣稳定土的强度反应机理。通过室内无侧限抗压强度试验，CBR试验，得到无侧限抗压强度分别与龄期、电石渣剂量之间相关关系，CBR值与电石渣剂量之间相关关系；通过拌土试验，得到含水率的变化量分别与电石渣剂量、闷料时间、养生条件之间相关关系。在此基础上，总结电石渣剂量合理范围，并进行冻融试验、试验路铺筑验证。

电石渣稳定土；路基；配比；冻融

电石渣是工业生产聚氯乙烯等产品过程中，电石水解后产生的工业废渣，主要成分为Ca（OH）2［1-2］，因其再利用率不高，我国每年产生的电石渣废料几百万吨，大多采用填埋或堆存的方法处理。电石渣液的PH值常达12以上，若废料处理不当可能导致水源、土地碱性化，造成对周边环境的污染［3］。近年来，稳定土路基施工中最常用的无机结合料——石灰价格飞涨，导致公路工程建设成本大幅增加，与此同时，对自然资源的过度开采，也增加了环境治理费用。

交通部行业标准《公路路面基层施工技术规范》［4］中提出，有效钙含量在20%以上的等外石灰、贝壳石灰、珊瑚石灰、电石渣等，当其混合料的强度通过试验符合标准时，可以应用。因此，根据现行的相关标准、规范，电石渣应用于道路路基在理论上是可行的，且可使其变废为宝作为二次资源，解决由电石渣堆积带来的环境污染问题。本文从强度反应机理、配比设计、试验路铺筑等方面着手，对电石渣稳定土在路基工程中的应用进行研究。

1　电石渣稳定土强度反应机理

国内外众多学者研究表明［5］，电石渣与土均匀拌合后将随着时间的推移发生一系列反应，从而改善天然土的物理性质，其初期表现为土颗粒结团、塑性降低、最佳含水量增加，后期表现为结晶结构形成、土颗粒相互联系、稳定土强度和稳定性提高。这一系列反应主要包括以下4个方面：

1.1离子交换与凝聚作用

电石渣中的CaO在水的作用下分解成Ca2+和（OH）-离子，Ca2+离子可与土中的K+、Na+离子进行交换并吸附在颗粒表面，改变土颗粒的带电状态，使表面弱结合水膜变薄。离子交换的结果使得土颗粒迅速靠拢，小颗粒聚集成大颗粒并相互咬合，组成一个稳定结构，从而提高土体的强度，这就是凝聚作用。

1.2火山灰作用

在水的参与下，土中的活性硅、铝酸盐矿物与电石渣中的Ca（OH）2反应，生成水硬性的水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体，其在土颗粒外围形成保护膜，填充土颗粒的孔隙，显著减小稳定土透水性，提高稳定土强度。

1.3碳酸化反应

电石渣和土拌和后，生成微结晶性的CaCO3，其具有较高的强度和水稳性，可与土颗粒胶结，从而得以加固土体。

1.4 结晶作用

电石渣稳定土中绝大部分的CaCO3自行结晶，生成Ca（OH）2结晶网格，导致土颗粒牢固地粘结在一起，电石渣稳定土的稳定性得到提高。

2　配比试验结果及分析

2.1原材料基本性能

试验所用电石渣来源于南京某环保工程公司，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51）［6］规定的方法进行相关试验，具体结果如表1所示。

表1　电石渣的基本物化性能试验

2.2无侧限抗压强度试验

查阅国内外众多文献发现，影响电石渣稳定土无侧限抗压强度的主要因素为电石渣剂量和龄期。因此，参照石灰稳定土中石灰剂量的范围［7］，选择电石渣剂量为4%、6%、8%、10%、12%、14%进行试验研究；为了研究相同电石渣剂量的稳定土强度与龄期相关关系，选定龄期为7 d、28 d、60 d、90 d、180 d。无侧限抗压强度试验结果如表2所示，由表可知：

（1）电石渣剂量相同，电石渣稳定土无侧限抗压强度随龄期的增加而增加。其中，龄期0～28 d、90～180 d的电石渣稳定土抗压强度增幅较大，龄期28～90 d的增幅较小；

（2）相同龄期下，电石渣稳定土强度随电石渣剂量的增加无明显规律，但均有一峰值。0 d、28 d、60 d的峰值出现在电石渣剂量较低时（8%），90 d、180 d的峰值出现在电石渣剂量较高时（10%、12%）。这就说明，电石渣剂量4%、6%、8%的稳定土早期强度较高，但是其后期强度没有电石渣剂量10%、12%、14%的强度高。当电石渣剂量超过8%以后，稳定土的早期强度不但不会提高，反而略有降低。

表2　无侧限抗压强度试验结果 MPa

2.3CBR试验

该项试验较复杂，投入人工较多，实际施工中多采用无侧限抗压强度作为评判指标。因此，选择电石渣剂量0%、4%、6%、8%、10%、12%、14%验证配比设计，其结果如表3所示。由此可见，对于该种土质，掺加电石渣稳定的效果非常显著，且CBR值随着电石渣剂量的增加而增加。

表3　室内CBR试验结果

2.4拌土试验

在土质路基填料中掺入石灰除能提高强度外，还能快速地降低土基含水率。电石渣作为石灰的替代品，掺入土质路基填料中是否具有同样的效果，需通过一系列试验来验证。调研大量文献，发现石灰稳定土含水率降低量与石灰剂量、初始含水率、闷料时间和养生条件有关。因此，参照石灰稳定土含水率降低量影响因素，选择电石渣剂量6%、8%、10%、12%、14%，初始含水率38.3%、28.1%、16.5%，闷料时间1 d、2 d、3 d，养生条件室内暴露、室内密闭进行试验。含水率初始值不同，掺入电石渣后其数值没有可比性。因此，以稳定土含水率的变化量（Δω）为评价指标，其中“-”表示含水率减少，“+”表示含水率增加。

电石渣稳定土拌土试验结果如表4、表5所示，从表中可以看出：

（1）在初始含水率、电石渣剂量、养生条件相同的情况下，Δω随闷料时间的增加而增加，仅在密闭条件下，初始含水率28.1%和16.5%的稳定土闷料3 d后，Δω出现了“+”值。这就说明，在其它条件相同的情况下，通过增加闷料时间可以达到降低稳定土含水率的目的。

（2）在初始含水率、闷料时间、养生条件相同的情况下，Δω随电石渣剂量的增加无明显变化规律，即在其它条件相同的情况下，仅通过增加电石渣剂量，无法达到降低稳定土含水率的目的。

表4　Δω计算（密闭条件）

表5　Δω计算（暴露条件）

（3）在初始含水率、闷料时间、电石渣剂量相同的情况下，暴露养生的含水率降幅远大于密闭养生条件下的数值。这就说明，暴露养生有利于稳定土含水率的降低。

2.5电石渣剂量合理范围及验证

2.5.1 电石渣剂量合理范围

通过配比和拌土试验，参照《公路沥青路面设计规范》［7］的规定，可得到以下结论：

（1）在初始含水率、闷料时间、养生条件相同的情况下，仅通过增加电石渣剂量，无法达到降低稳定土含水率的目的。因此，从降低素土含水率的角度来说，不存在电石渣剂量合理范围；

（2）电石渣剂量4%、6%、8%的稳定土早期强度较高，但是其后期强度没有电石渣剂量10%、12%、14%的强度高；电石渣剂量大于等于4%的稳定土，其室内CBR值达到规范要求。因此，在满足设计要求的基础上，兼顾经济性和环保等方面要求，一级公路电石渣稳定土的电石渣合理剂量分别为路床6%，路堤4%。

2.5.2 冻融试验验证

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的规定，设计适合电石渣稳定土材料的冻融试验方法，即采用直径×高度为50 mm×50 mm的试模；7 d的养生时间；冻融试件在-18 ℃的低温箱里冻结18 h后，放入20 ℃的水槽中融化8 h。对电石渣剂量4%、6%的稳定土进行冻融试验验证。试验结果如表6所示，可得到以下结论：（1）试件外观未发生较大的破损和剥落；（2）试件质量变化率小于5%；（3）强度损失极小。

表6　冻融试验结果

《公路路面设计规范》规定了多年冻土地区路基的施工工艺，但未要求进行冻融循环试验，也未限定抗冻性指标值。通过调研，南京地区不属于多年冻土地区，其56年极端最低气温的平均值为-8.6 ℃［8］，高于本次试验的-18 ℃。因此，可判断电石渣剂量4%、6%的稳定土抗冻性符合南京地区的要求。

3　试验路铺筑

246省道溧水县城至苏皖省界段公路建设工程起于溧水S340省道，止于定埠西北的井头村S239上。本项目路线全长45.2 km，全线按一级公路双向4车道标准建设。试验段K51+080～K51+160、K51+160～K51+240从-20 cm到路基顶分别采用掺量6%的电石渣稳定土、掺量6%的石灰稳定土填筑，并按照规范要求及时检测，结果如表7所示。

表7　路基质量检验结果

检测结果显示，电石渣稳定土、石灰稳定土路基的灰剂量、压实度、厚度、弯沉值差别极小，且均满足规定要求。由此说明，电石渣剂量6%的电石渣稳定土可以用于该试验段，且质量等同于同比例的石灰稳定土，室内试验研究结果在实际工程中是可行的。

4　结论

（1）电石渣剂量相同，稳定土无侧

限抗压强度随龄期的增加而增加；电石渣剂量4%、6%、8%的稳定土早期强度较高，但是其后期强度没有电石渣剂量10%、12%、14%的强度高。

（2） CBR值随着电石渣剂量的增加而增加。

（3）在其它条件相同的情况下，通过增加闷料时间可以达到降低稳定土含水率的目的；通过增加电石渣剂量，无法达到降低稳定土含水率的目的；暴露养生更有利于稳定土含水率的降低。

（4）一级公路电石渣稳定土的电石渣合理剂量分别为路床6%、路堤4%，满足南京地区抗冻要求。

（5）经验证，6%的电石渣稳定土在实际工程中应用技术上完全可行，可结合建设期间石灰和电石渣的材料价格差异进行合理选择。

［1］余建芳.开发和综合剥用电石渣有效途径拓宽的研讨［J］.中国氯碱，2000（10）：31-32.

［2］王欣荣.浅谈电石渣的综合利用［J］.中国氯碱，2003（8）：36-39.

［3］董永刚，曹建新，刘飞，张煜.电石渣理化性质的分析与表征［J］.环境科学与技术，2008（9）：95-98.

［4］JTJ 034—2000公路路面基层施工技术规范［S］.

［5］邓永忠.石灰土有效钙镁含量与强度关系的试验研究［D］.南京：南京林业大学，2007.

［6］JTG E51—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］.

［7］JTG D50—2006公路沥青路面设计规范［S］.

［8］缪启龙，许遐祯，潘文卓.南京56年来冬季气温变化特征［J］.应用气象学报，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

戈铭（1978-），男，江苏泰州人，高级工程师，主要从事公路桥梁质量检测及建设管理工作。

（2015-03-23）