工业废渣与特殊土配合比对强度的影响

摘要：我国工业废弃物的排放量逐年增加，工业废渣的处理及高附加值资源化利用是目前面临的较大难题。以S21线阿勒泰至乌鲁木齐公路沿线特殊土为背景，对特定配比矿渣、炉渣、电石渣开展室内强度试验，分析了在不同的三渣掺入量下，粉黏土样本的无侧限压缩强度和弯拉强度的变化规律，并对强度曲线进行了拟合。研究结果表明：矿渣、炉渣和电石渣这三种废渣对稳定粉黏土的力学性能有显著提升；添加纤维可以增强三渣稳定粉黏土的力学性质。

关键词：工业废渣；特殊土路基；配合比；弯拉强度试验

0 引言

目前工业废渣的资源化利用率仅限于水泥厂回收烧制水泥，但其能源耗费量极大，烧制水泥品质较低。由于其在水泥领域利用率较低，造成相当大一部分废渣只能堆存或填埋，从而导致环境效益和社会效益较差。工业废渣处治特殊土路基是实现工业废渣的高效绿色环保利用的有效手段。基于此，有必要对工业废渣资源化利用开展进一步研究。

一些学者通过不同手段对此开展了一系列的研究，并取得了丰硕的成果。戈铭[1]基于已有文献及相关调研，分析了电石渣稳定土的强度反应机理，并通过室内试验研究了电石渣剂量等与CBR值、无侧限抗压强度等关系。易耀林等[2]以连云港软土为研究对象，制定碱激发矿粉配合比试验，分析了碱激发矿粉对软土的固化机理。何俊等[3]以水玻璃为激发剂，碱渣和矿渣为固化剂，通过室内试验分析了高含水率淤泥的强度特性。

陶君军[4]通过数值软件和试验结合的方法，研究了工业废渣复合固化剂力学特性，并探讨了其在路基填筑方面的可行性。覃莉[5]将粉煤灰、煤矸石、炉渣和赤泥混合成复合材料，通过试验研究了干湿循环作用下复合材料的力学特性。赵心涛等[6]以膨胀土为研究对象，研究了不同煤渣掺量下膨胀土改良后的力学性能。

本文以S21线阿勒泰至乌鲁木齐公路沿线特殊土为背景，对特定配比矿渣、炉渣、电石渣开展室内强度试验，分析了在不同的三渣掺入量下，粉黏土样本的无侧限压缩强度和弯拉强度的变化规律，并对强度曲线进行了拟合ycMNONtarFlrPwASmawwvJ8WMmnP9Qn0BCuXoIgwPh8=。

1 工程概况

S21线阿勒泰至乌鲁木齐公路建设工程（黄花沟至乌鲁木齐段），项目路线总体走向由北向南，起点（K113+

313.636m）福海县黄花沟向南，沿引额济乌干渠西侧向南前行，跨越吉拉沟西侧开始西拐。在K157+000后进入古尔班通古特沙漠，跨越石西专用公路，之后一直向南穿出沙漠到达终点（K342+600.00m），路线全长229.206km。

2 试验方案

沿线地质状况较复杂，不良地质及特殊土包括风积沙土、盐渍土、湿陷粉土、膨胀泥岩土和软弱黏土等，因此亟需选用经济高效的特殊土路基处治工艺。而炉渣、矿渣、电石渣3类废渣体系可作为良好化学稳定材料应用于特殊土路基处理。基于此，本文对炉渣、矿渣、电石渣3类废渣体系开展试验研究。

2.1 试样制作方法

根据有关规范，按照设计配比分别称取烘干后炉渣、矿渣、电石渣材料干质量，以及掺加既定含水率焖料的粉黏土质量。将称量的炉渣、矿渣、电石渣放入用湿布擦拭的水泥净浆搅拌机，开启慢速、快速交替搅拌各1min、共2min（视具体搅拌量而定）。

待三渣材料搅拌均匀后，按照最优含水率条件，将需要加入的水、粉黏土、混合均匀的三渣材料三者进行初步混合，再次放入用湿布擦拭的水泥净浆搅拌机。

按照慢速、快速、慢速交替搅拌各1min、2min、1min，使其充分搅拌搅匀，放入试模中成型即可。

2.2 材料掺量确定

按照矿渣、炉渣、电石渣配比为8：3：4为基准，三渣总掺量分别为0%、15%、20%、25%。控制20%的三渣总掺量不变，改变12mm长的纤维掺入量（0%、0.1%、0.2%、0.3%）。

2.3 确定具体试验方案

采用内掺法计算各材料用量，以便测试三渣稳定粉黏土试样7d无侧限抗压强度（水灰比为0.4）。三渣稳定粉黏土无侧限抗压强度试验方案见表1。另外，设计水泥稳定粉黏土为对比组，水泥掺量分别为1%、3%、5%、7%。水泥稳定粉黏土配比方案见表2。

为了全面分析矿渣、炉渣、电石渣稳定粉黏土路基路用性能，除上述开展无侧限抗压强度以外，同时设计了矿渣、炉渣、电石渣总掺量为15%、20%、25%稳定粉黏土弯拉强度试验方案。另外，设计了采用纤维（20mm）掺量0.3%、粒化高炉矿渣对比组。三渣稳定粉黏土弯拉强度试验方案如表3所示。掺纤维组试验方案如表4所示。

3 试验结果分析

3.1 根据实验结果拟合参数

根据拟定试验方案开展试样7d无侧限抗压强度试验。试样7d无侧限抗压强度随7d无侧限抗压强度曲线如图1所示，试样 7d无侧限抗压强度随纤维掺量变化曲线如图2所示，试样7d无侧限抗压强度随水泥掺量变化曲线如图3所示。

分别针对图1、图2、图3进行参数数值拟合。7d无侧限抗压强度与三渣总掺量的拟合公式如下：

qu=3×10-3η2+3.3×10-2η+0.03 （1）

控制20%三渣总掺量不变，7d无侧限抗压强度与纤维掺量的拟合公式如下：

qu=7.3ξ2+0.36ξ+1.9 （2）

7d无侧限抗压强度与水泥掺量的拟合公式如下：

qu=0.59β+1.659 （3）

式中：qu为7d无侧限抗压强度，单位为MPa；η为表示矿渣-炉渣-电石渣总掺量，单位为%；ξ为纤维掺量，单位为%；β为水泥掺量，单位为%。

3.2 无侧限抗压强度分析

从上述图表和公式可知，当三渣的总掺入量上升时，稳定粉黏土的7d无侧限抗压强度逐渐增大，总体呈非线性增长。当三渣的总掺入量为25%时，7d无侧限抗压强度约为2.8MPa，与稳定粉黏土掺入4.5%的硅酸盐水泥后的强度接近。

随着纤维掺入量增大，稳定粉黏土的7d无侧限抗压强度逐渐增大，并且增长率逐渐增大，两者总体呈二次函数关系。

进一步观察控制，稳定粉黏土的7d无侧限抗压强度随水泥掺量的增大呈线性增大。此外，水泥掺量对7d无侧限抗压强度影响最为显著，三渣总掺量的影响次之，纤维掺量的影响最小。

3.3 弯拉强度分析

根据弯拉强度试验结果，将不同三渣材料掺量的结果列于表5。从表5中可知，三渣的掺入量增加时，其稳定粉黏土的90d弯拉强度也逐渐升高。在相同的三渣掺入量下，含纤维的样品在90d的弯拉强度是无纤维组的2倍。这表明纤维的添加能有效增加样品的弯拉强度，并有助于加强整体结构，使其具有更佳的抗裂性。通过比较20%三渣+0.3%纤维与25%三渣的组合可知，添加0.3%的纤维和增加5%的三渣对强度的提升效果是相似的。

3.4 弯拉强度和无侧限抗压强度关系分析

图4展示了同掺量配比三渣稳定粉黏土在90dl8U/VbRtHeVDAPFt2b707A==的弯拉强度和7d无侧限抗压强度之间的关系。从图4可以看出，随着试样7d无侧限抗压强度，其90d弯拉强度呈非线性增大。

通过软件对图4曲线进行拟合，可得到90d的弯拉强度和7d无侧限抗压强度拟合公式如下：

qf =0.094e0.76qu （4）

由公式（4）可知，两者呈指数函数的关系。联立公式（1）和公式（4），可获得三渣总掺入量和稳定粉黏土90d弯拉强度的关系，如式（5）所示：

qf =0.094e0.028η2+0.025η+0.0228 （5）

式中：qf 为90d 弯拉强度，单位为MPa。

可根据公式（4）和（5），依据三渣稳定粉黏土的7d无侧限抗压强度，推算出相应配比的90d弯拉强度。基于三渣的总掺量，可估算出其90d的弯拉强度。同时也能预估不同掺量的90d弯拉强度值。

4 结束语

工业废渣处治特殊土路基是实现工业废渣的高效绿色环保利用的有效手段。本文基于S21线阿勒泰至乌鲁木齐公路建设工程，通过强度试验研究了炉渣、矿渣、电石渣三类废渣体系不同掺量下的强度变化。获得以下主要结论：

矿渣、炉渣和电石渣这三种废渣对稳定粉黏土的力学性能有显著提升。特别是其7d无侧限抗压强度与三渣掺量之间的关系为二次函数增长；当三渣掺量为25%时，其7d抗压强度达到2.78MPa，与4.5%的42.5#常规硅酸盐水泥相似。

与此同时，随着掺量上升，其增长速度超过了水泥稳定的粉黏土。在相同掺量下，其90d弯拉强度和7d抗压强度遵循指数变化规律。

添加纤维可以增强三渣稳定粉黏土的力学性质。纤维掺量上升时，其7d抗压强度按二次函数形式上升；而在相同三渣掺量下，含纤维样本的90d弯拉强度为无纤维组的2倍。

参考文献

[1] 戈铭.电石渣稳定土路基的试验研究 [J].现代交通技术， 2015，12（6）：8-10+31.

[2] 易耀林，李晨，孙川，等.碱激发矿粉固化连云港软土试验研究 [J].岩石力学与工程学报，2013，32（9）：1820-1826.

[3] 何俊，石小康，栗志翔.水玻璃-碱渣-矿渣固化高含水率淤泥的强度性质[J].工程地质学报， 2019，27（4）：729-736.

[4] 陶君军.工业废渣复合固化疏浚淤泥及路基分层填筑技术研究 [D].杭州：浙江工业大学， 2016.

[5] 覃莉.干湿循环作用下固废复合路基材料应用性能研究 [J].西部交通科技，2020（12）：97-99+187.

[6] 赵心涛，陈永青.煤渣改良膨胀土膨胀特性的试验研究[J].湖南文理学院学报（自然科学版），2019，31（4）：64-67+78.