電石渣穩定土處治路基力學性能試驗探究

劉逢濤 黃前龍

（1.中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050001；2.中路高科（北京）公路技術有限公司，北京 100088；3.公路建設與養護新材料技術應用交通運輸行業研發中心，北京 100088）

隨著近年來國家政策的調整，石灰摻量越發受到限制，造價上漲，從而增加公路工程建設成本。采用工業固廢煤矸石穩定土作為路基填料無疑是實現資源綜合利用和環保的新途徑。本文將在分析電石渣穩定土強度形成機理的基礎上，對試驗用電石渣和土樣進行物化分析，通過擊實試驗確定最佳含水量和最大干密度，無側限抗壓強度試驗確定電石渣的最佳摻量。

一、電石渣穩定土強度機理

相關研究發現，電石渣摻入土中均勻拌和后，前期通過土顆粒嵌擠成團，降低土樣的塑性指數，提升原土的最佳含水量，實現無側限抗壓強度增長，后期則主要依靠形成結晶物質實現強度提升，隨著齡期增長發生離子交換與凝聚作用、火山灰作用、碳酸化反應、結晶作用等，從而達到改善土樣物化性質的目的。反應的具體表現如下：

（一）離子交換與凝聚作用

電石渣中的主要成分為氧化鈣，在與水作用后，生成氫氧化鈣，氫氧化鈣分解出鈣離子和氫氧根離子，而鈣離子通過與土中鉀、鈉等離子進行交換，并吸附在土顆粒的外表面，改變了土顆粒的電極性，使土樣外表面的弱結合水膜厚度變薄，其結果表現為使得土顆粒迅速聚攏，將小顆粒凝聚成大顆粒，并相互嵌擠成團，形成整體穩定結構，達到提高土體強度的目的。

（二）火山灰作用

火山灰作用，主要是因為土中富含硅、鋁酸鹽等活性物質，在與水作用下，與電石渣中生成的氫氧化鈣物質發生反應，生成水化硅酸鹽和鋁酸鹽凝膠，并包裹在土顆粒外層形成保護結構，且可以填充土顆粒之間的空隙，使得電石渣穩定土的透水系數得到明顯降低，進而提升電石渣穩定土的整體性、穩定性和強度。

（三）碳酸化作用

電石渣在水的作用下，與土進行充分拌和，生成碳酸鈣等結晶物質，該物質能夠與土體顆粒發生交結作用，有效改善和提升穩定土整體結構的強度及水穩定性，以實現對土體的碳酸化加固作用。

（四）結晶作用

結晶作用主要通過電石渣穩定土自行結晶生成的碳酸鈣物質，形成網狀結構，將土體顆粒牢固黏結，從而提高電石渣穩定土的整體結構穩定性。

二、原材料物化性能分析

（一）電石渣

電石渣采用邯鄲某氣體公司排放的工業固體廢棄物，其基本物理性質如表1所示。通過X射線熒光分析法（XRF）對電石渣進行化學成分分析發現，化學成分為氧化鈣含量高達91%，其次是三氧化二鋁和二氧化硅，氧化鎂含量較低僅0.34%，其主要成分與石灰相近，屬于鈣質消石灰，有效鈣鎂含量為65%，達到二級含量技術指標。

表1 電石渣基本物理性質

（二）試驗土樣

試樣土樣取自國道107邯邢界至北張莊段改建項目，其篩分試驗結果及基本物理性能，如表2和表3所示。結果表明該土樣顆粒級配良好，屬低液限非膨脹性黏土。

表2 土樣篩分試驗結果

表3 土樣基本物理性能

三、配合比方案及力學性能研究

（一）配合比方案

電石渣的摻量及養護齡期是影響電石渣穩定土強度的主要因素，因此通過內摻法對電石渣摻量為4%、6%、8%、10%、12%共5組的電石渣穩定土混合料進行擊實試驗確定各摻量下的最佳含水量和最大干密度，通過無側限抗壓強度試驗對電石渣穩定土7d、28d、60d和90d的強度進行試驗研究，確定電石渣穩定土的力學性能及電石渣的最佳摻量，為工程推廣應用提供依據。

（二）擊實試驗

通過無機結合料穩定材料擊實試驗方法，確定4%、6%、8%、10%、12%共5組電石渣摻量穩定土的最佳含水量和最大干密度，試驗結果如圖1所示。

圖1 擊實試驗結果

結果表明，電石渣穩定土隨電石渣摻量的增加，最佳含水量逐漸增大，最大干密度則隨電石渣摻量的增加逐漸減小。主要原因為電石渣的主要成分為氫氧化鈣，穩定土中所含鈣離子能有效吸附在黏土顆粒表面，降低了土顆粒對水的吸附能力及土的液塑限，從而提升了土的密實度；同時所含氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應也生成部分碳酸鈣，進一步提升了土的干密度，但氫氧化鈣與二氧化碳的反應過程較為緩慢，因而電石渣穩定土的最大干密度會呈現逐漸減小的趨勢。

（三）無側限抗壓強度試驗

根據擊實結果，對各試驗原材料進行復配以及試件制作，試件采用直徑為50mm的圓柱體試件，按照96%壓實度靜壓成型，在溫度為20±2℃，濕度為95%條件下標準養生，齡期分別為7d、28d、60d、90d，在養生齡期前一天放入20℃水中浸泡24h，最后利用路面材料強度試驗儀進行無側限抗壓強度試驗，按公式1計算抗壓強度，公式中Rc為試件無側限抗壓強度(MPa)；p為試件破壞時最大壓力(N)；r為試件半徑(mm)。試驗結果如圖2所示。

圖2 電石渣穩定土抗壓強度測試結果

由圖2可得，電石渣穩定土在同一摻量下，隨養護齡期的增長，抗壓強度呈現逐漸增大的趨勢，7d到28d的強度增長幅度最大，而60d到90d的強度增長幅度較小，即60d后電石渣穩定土的強度增長趨勢已逐漸平穩。電石渣穩定土在同一齡期條件下，電石渣摻量4%到8%時，抗壓強度隨電石渣摻量的增加而增大，電石渣摻量8%到12%時，抗壓強度隨電石渣摻量的增加而減小，在電石渣摻量為8%時，電石渣穩定土的無側限抗壓強度最大，7d無側限抗壓強度為1.34MPa，90d無側限抗壓強度為1.88MPa，這表明8%為電石渣穩定土中所用電石渣的最佳摻量比例。

四、結語

本文分析了電石渣穩定土強度形成機理，對試驗用電石渣和土樣進行了物化分析，通過擊實試驗確定了最佳含水量和最大干密度，無側限抗壓強度試驗確定了電石渣的最佳摻量。研究表明：電石渣穩定土最佳含水量隨電石渣摻量的增加而增大，最大干密度則隨電石渣摻量的增加而減??；通過無側限抗壓強度試驗，表明電石渣最佳摻量為8%時，電石渣穩定土材料的力學性能最佳。