电石渣固化软土的强度特性研究

韩巍 王彦波，3 程寅* 樊庆霈 李景豪 刘涛 郝永明 于浩

（1新疆中泰创安环境科技股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026；2交通运输部科学研究院，北京1000292；3阿拉尔市富丽达纤维有限公司，新疆 阿拉尔 843300；4中泰大学，新疆 乌鲁木齐 830026）

0 引言

电石渣又称电石灰，是工业生产聚氯乙烯、乙炔气等产品过程中产生的废渣。其主要成分是Ca（OH）2，为高碱性物质。排放及存储电石渣需占用大量耕地，长期存放的土地会严重钙化，复耕非常困难；同时电石渣的长期堆存也存在严重的环境问题，因此对电石渣资源化利用研究十分必要。电石渣具备离子交换、火山灰反应、碳酸化反应和结晶反应所需的Ca2+，并且能提供碱性激发环境以促进火山灰反应的进行，同时电石渣比表面积较大，利于促进上述物理化学反应的充分进行。因此，将电石渣用作道路路基地基材料加以使用成为其高效资源化利用的有效途径。

目前已有岩土工作者开展了部分电石渣用于道路基层材料的相关研究[1-3]。药秀明等[4]利用电石渣、粉煤灰作为路基填料使用于厂区道路工程中，铺筑效果良好并提出了相应的混合料施工工艺及压实质量检测方法。庞巍等[5]分析了电石渣改良盐渍土路基填料的效果，结果表明电石灰固化改良后，盐渍土塑性指数缓慢降低； 随着掺入量的增加，其最优含水率和CBR值都相应的增大。杜延军、刘松玉等[3，6]开展了电石渣改良过湿土路基的现场试验和室内试验的系列研究，结果表明电石渣可有效提高过湿土无侧限抗压强度、CBR、回弹模量、土体贯入阻力和干湿循环耐久性等力学特性，且其改良效果显著优于传统生石灰改良土。

但目前对于电石渣应用于道路路基的研究多限于过湿路基土，未见有对于在普通软土路基的使用及作为路基填料直接使用的系统研究。因此，为满足电石渣应用于更广范围的软基处理及路基填筑，对其深入研究具有必要性。

1 试验材料和试验方案

1.1 试验材料

1）土样（DT）：本研究所用土样为取自北京某地的天然粘性土样。土样的物理力学性质见表1所示，化学组成见表2所示。

2）固化剂：① 电石渣（C）：取自新疆，磨细至比表面积400 m2/kg；

② 矿渣（K）：山东莱钢集团生产的磨细高炉矿渣，比表面积400 m2/kg；

③ 粉煤灰（F）：取自徐州，比表面积350 m2/kg。

固化剂的化学组成见表3所示。

表1 土样的物理性质指标

表2 土样的化学组成

表3 固化剂的化学组成 （%）

1.2 试验方案

1）采用电石渣单独固化土，电石渣掺量(电石渣与湿土的质量比，水灰比=0.5)由5%逐渐增长到70%，测试固化土的7d强度和28d强度随电石渣掺量的变化规律。

2）固定电石渣掺量为15%、20%、25%，向土样中增加掺入一定量的水，使土样的含水率分别增加3%、5%、10%、15%，测试固化土7d和28d强度，测试不同电石渣掺量下，固化土强度随土样含水率增量的变化规律。

3）固定固化剂总掺量10%，采用电石渣与矿渣和粉煤灰以不同比例混合，测试固化土的28d强度，测试电石渣与矿渣和粉煤灰之间的最佳配合比。

2 试验结果和分析

2.1 电石渣单独稳定土的强度特性

2.1.1 固化土强度随电石渣掺量的变化规律

采用电石渣单独固化土，固化土的7d强度和28d强度随电石渣掺量的变化曲线如图1（a）和图1（b）所示。

（a）7d强度

（b）28d强度

图1 电石渣单独固化土强度

图1（a）和（b）的试验结果显示：固化土的7d和28d强度均随着电石渣掺量呈现出先增长后下降的变化趋势。固化土的7d强度在电石渣掺量为20%时达到最大，为138kPa；固化土的28d强度在电石渣掺量为15%时达到最大，为267kPa，但在电石渣掺量为20%时，固化土的28d强度也达到257kPa，与电石渣掺量15%时的强度相近。

综合上述试验结果可以得出：电石渣掺量为20%时，固化土强度最佳，即电石渣的最佳掺量为20%。

2.1.2 土样含水率对电石渣稳定土强度的影响规律

在电石渣掺量分别为15%、20%、25%的基础上，向土样中增加掺入一定量的水，使得土样的含水率分别增加3%、5%、10%、15%，测试固化土的7d和28d强度，得到不同电石渣掺量下，固化土强度随土样含水率增量的变化曲线，如图2～图4所示。

图2 电石渣固化土强度随含水率增量的变化曲线（电石渣掺量15%）

图3 电石渣固化土强度随含水率增量的变化曲线（电石渣掺量20%）

由图2的试验结果可以看出：当电石渣掺量为15%时，固化土强度随土样含水率增量的增加呈现出先增加后减小的趋势。当土样含水率增加5%时，固化土28d强度达到300kPa，比原土样在等量的电石渣掺量下的固化土强度增长了近20%。

图3和图4的试验结果显示：当电石渣掺量为20%和25%时，固化土强度随土样含水率增量的增加呈现出逐渐减小，这与电石渣掺量为15%时固化土强度随土样含水率变化的规律不同。但是，对比含水率增量为3%时的固化土强度与原土样在等量的电石渣掺量下的固化土强度可以看出：当电石渣掺量为20%时，含水率增加3%时的固化土强度比原土样固化土强度增长了75%以上；当电石渣掺量为25%时，含水率增加3%时的固化土强度也比原土样固化土强度有所增长。

图4 电石渣固化土强度随含水率增量的变化曲线（电石渣掺量25%）

上述试验结果表明：适量增加土样的含水率有利于增加电石渣固化土的强度。当电石渣掺量为15%时，土样含水率增加5%，固化土强度最佳；当电石渣掺量为20%和25%时，土样含水率增加3%，固化土强度最佳。

2.2 电石渣激发矿渣、粉煤灰共同稳定土的强度特性

电石渣具备离子交换、火山灰反应、碳酸化反应和结晶反应所需的Ca2+，并且能提供碱性激发环境以促进火山灰反应的进行，同时电石渣比表面积较大，利于促进上述物理化学反应的充分进行。同时，矿渣和粉煤灰也属于工业废渣，它们的有效利用也会产生很好的经济效益和环境效益。

本节采用电石渣与矿渣和粉煤灰以不同比例混合（总掺量10%），测试固化土的28d强度，以寻求电石渣与矿渣和粉煤灰之间的最佳配合比。

2.2.1 电石渣激发矿渣稳定土的强度

表4的试验结果显示：矿渣与电石渣共同固化土的28d强度显著高于电石渣单独固化土的强度。固化土28d强度随着固化剂中电石渣掺量的增加而逐渐降低，矿渣：电石渣=9：1时，固化土强度最高，是矿渣与电石渣的最佳配比。

表4 不同配比的电石渣和矿渣共同固化土强度（MPa）

2.2.2 电石渣激发粉煤灰稳定土的强度

表5的试验结果显示：粉煤灰与电石渣共同固化土的28d强度也显著高于电石渣单独固化土的强度。与上述的矿渣和电石渣共同固化土不同的是，粉煤灰+电石渣共同固化土强度随着固化剂组分中电石渣掺量的提高呈现出先增大后减小的趋势，当粉煤灰：电石渣=8：2时，固化土强度最高。

表5 不同配比的电石渣和矿渣共同固化土强度（MPa）

综合上述电石渣与矿渣、粉煤灰共同固化土的试验结果可以看出：电石渣激发矿渣和粉煤灰共同固化土效果显著，电石渣与矿渣、粉煤灰之间都存在一个最佳配合比，矿渣：电石渣=9：1，粉煤灰：电石渣=8：2是最佳配合比。

3 结语

1）采用电石渣单独固化土，固化土强度随电石渣掺量增加呈现先增大后减小的趋势，电石渣掺量为20%时，固化土强度最高。

2）适量增加土样的含水率有利于增加电石渣固化土的强度。当电石渣掺量为15%时，土样含水率增加5%，固化土强度最佳；当电石渣掺量为20%和25%时，土样含水率增加3%，固化土强度最佳。

3）电石渣激发矿渣和粉煤灰共同固化土效果显著，电石渣与矿渣、粉煤灰之间都存在一个最佳配合比，矿渣：电石渣=9：1，粉煤灰：电石渣=8：2是最佳配合比。