水泥窯灰(CKD)改性膨脹土的擊實(shí)性質(zhì)試驗(yàn)研究

崔素麗，王安國，田明錦，延　愷

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安　710069)

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·地球科學(xué)·

水泥窯灰(CKD)改性膨脹土的擊實(shí)性質(zhì)試驗(yàn)研究

崔素麗，王安國，田明錦，延愷

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069)

水泥窯灰(CKD)作為生產(chǎn)水泥的副產(chǎn)品,其巨大的年產(chǎn)量和對(duì)環(huán)境的污染危害受到了越來越多的重視。由于CKD具有火山灰特性，能夠改善土的工程特性,這為解決膨脹土工程問題提供了新的途徑。該文對(duì)膨脹土以及添加不同比例CKD的膨脹土-CKD混合物進(jìn)行了化學(xué)成分測試、水理性質(zhì)試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn),探討CKD作為膨脹土路基改良劑的可行性。在不同CKD添加比例條件下,對(duì)膨脹土以及CKD改良后膨脹土的基本物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和擊實(shí)性質(zhì)結(jié)果的分析表明,隨著摻灰率的增大,混合物塑性指數(shù)逐漸降低,最優(yōu)含水率也隨之減小,最大干密度增大，這說明向膨脹土中添加CKD可以改善膨脹土的擊實(shí)性質(zhì)。

水泥窯灰(CKD);膨脹土;擊實(shí)性質(zhì)

膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種多裂隙、超固結(jié)并具有顯著脹縮性的特殊性黏土,主要由黏土礦物蒙脫石和伊利石組成,具有親水性強(qiáng)、吸水膨脹軟化、失水收縮干裂和往復(fù)濕脹干縮變形的性質(zhì),使得在膨脹土地區(qū)進(jìn)行的工程建設(shè)遇到很大困難[1]。因此,如何改良膨脹土成為該領(lǐng)域的突出問題[2]。很多學(xué)者從改善土體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)入手,通過向膨脹土中添加不同材料對(duì)土質(zhì)進(jìn)行改性處理[3-5]。目前，理論研究成熟、工程中最常用的改性材料是水泥[6]和石灰[7-8]以及水泥-石灰復(fù)合材料[9]。但是,水泥和石灰都是建筑材料,采用這兩種材料作為改性材料增加了建材消耗量,且成本都較高。同時(shí)，各種各樣的工業(yè)廢棄物因其堆放量大、占地面積多,且污染環(huán)境等問題被越來越重視,很多學(xué)者從廢物利用的角度出發(fā),采用工業(yè)廢棄物對(duì)特殊土進(jìn)行改性。其中用來對(duì)膨脹土進(jìn)行改性研究最多的是粉煤灰[10-11],其次還有學(xué)者對(duì)膠粉[12]、綠砂[13]等改良土作為筑路材料的性質(zhì)進(jìn)行了廣泛研究。但是，利用水泥窯灰(CKD)作為改性材料對(duì)膨脹土進(jìn)行改性的研究還鮮有報(bào)道。

CKD是水泥生產(chǎn)過程產(chǎn)生的僅次于CO2的廢棄物,其排放量很大,相當(dāng)于熟料的10%～20%，主要成分為碳酸鈣和二氧化硅。大量CKD的排放堆積對(duì)土地和環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。而目前國內(nèi)對(duì)CKD沒有進(jìn)行充分有效的利用,主要是作為水泥生產(chǎn)原料回窯處理和對(duì)窯灰進(jìn)行綜合利用。而國外利用CKD的火山灰性,將90%的CKD作為道路路基的固化材料,充分發(fā)揮了其穩(wěn)定路基的功能[14-15]。因此，該文考慮利用CKD對(duì)膨脹土進(jìn)行改性,試驗(yàn)研究CKD改性膨脹土的強(qiáng)度特性,探討CKD改良膨脹土的可行性,為今后的工程實(shí)踐提供參考。

1　試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

膨脹土采集于陜西省安康市,取土深度為1.5～2.0 m,棕黃色粉質(zhì)黏土,呈硬塑狀態(tài),土的基本物理性質(zhì)如表1所示。按文獻(xiàn)[16]推薦的判別方法對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，其屬于弱膨脹土,礦物成分的全量化學(xué)分析結(jié)果見表2。

表1　膨脹土和CKD的物理性質(zhì)指標(biāo)

水泥窯灰取自陜西省涇陽縣水泥廠,灰白色粉末,細(xì)度較細(xì),主要礦物成分為氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁等,基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示,詳細(xì)化學(xué)成分含量見表2。膨脹土-CKD混合物的水理性質(zhì)指標(biāo)見表3。

1.2試驗(yàn)方法

文中摻灰率Rc是指CKD干質(zhì)量與膨脹土-CKD混合物干質(zhì)量之比。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),先將土樣風(fēng)干至易碾散為止,根據(jù)試驗(yàn)所需土樣數(shù)量,將碾散的土樣過0.5 mm篩，再按摻灰率分別為0%，2%，4%，6%，8%，10%，14%，18%稱取CKD和膨脹土并混合均勻,然后取一定量的水摻入混合物,均勻攪拌后裝入聚乙烯袋中均勻濕化24 h后進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用JDS-2型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀,擊實(shí)筒內(nèi)徑102 mm，容積947.4 cm3，錘質(zhì)量2.5 kg，落距305 mm，擊實(shí)能量為592.2 kJ/m3,試驗(yàn)按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[17]進(jìn)行。

表2膨脹土和CKD的化學(xué)成分

Tab.2Chemical components of expansive soil and CKD

成分含量/%水泥窯灰(CKD)膨脹土CaO42.255.82Al2O34.9823.57SiO218.3250.48Fe2O34.256.22MgO2.533.21K2O2.764.89Na2O0.340.61SO22.12-fCaO8.26-燒失量17.315.88

表3膨脹土-CKD混合物水理性質(zhì)指標(biāo)

Tab.3Hydrogeological properties of expansive soil-CKD mixtures

摻灰率/%塑性指數(shù)040.41230.87424.34622.7821.081019.531418.31817.1

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1CKD摻量對(duì)擊實(shí)性質(zhì)的影響

擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，隨著摻灰率的增大,膨脹土-CKD最大干密度ρdmax隨之增大,而最優(yōu)含水率隨之降低。當(dāng)摻灰率為0%～8%時(shí),壓實(shí)曲線相對(duì)較平緩、開闊;隨著摻灰率增大到10%～18%時(shí),壓實(shí)曲線有逐漸變狹窄陡立的趨勢。

圖1　膨脹土-CKD混合物的壓實(shí)曲線Fig.1　Compaction curves for expansive soil-CKD mixtures

當(dāng)摻灰率較低時(shí),混合土中膨脹土的吸水能力強(qiáng),因此結(jié)合水膜的變化范圍較大,土顆粒間的作用力主要以引力為主,土粒發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的阻力較大。在外力擊實(shí)作用下,土顆粒要發(fā)生相對(duì)移動(dòng)不僅需要克服顆粒間的摩擦阻力,還要克服由于水分子形成的黏聚力,因此混合物可壓實(shí)的含水率范圍較大而干密度的值相對(duì)變化較小。隨著摻灰率的增大,CKD降低了混合土的吸水能力,結(jié)合水膜的變化范圍變小,土顆粒間的作用力中，其斥力有所增加而引力相對(duì)減小,顆粒發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的阻力降低,因此，在同樣的壓實(shí)能下,土粒更容易發(fā)生位移,混合物趨于密實(shí),即有效壓實(shí)含水率范圍變窄而干密度的值相對(duì)變化較大。同時(shí)，隨著摻灰率的增大,混合物的塑性指數(shù)明顯降低,即可塑性降低,擊實(shí)試驗(yàn)可以獲得較高的最大干密度和較低的最優(yōu)含水率(見表3)。

2.2最大干密度/最優(yōu)含水率隨CKD摻量的變化

圖2和圖3分別是膨脹土-CKD混合物最大干密度/最優(yōu)含水率隨摻灰率的變化關(guān)系圖。從圖2可以看出,最大干密度隨著摻灰率的增大逐漸升高,且符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

ρdmax=0.040*exp(Rc/10.398)+1.542,

r2=0.986 5，

(1)

而最優(yōu)含水率隨著摻灰率的增加呈指數(shù)降低,

ωopt=

r2=0.995 8，

(2)

式中:ρdmax為混合物最大干密度,g/cm3;ωopt為最優(yōu)含水率,%;Rc為摻灰率,%。

圖2　最大干密度與摻灰率的關(guān)系Fig.2　Maximum dry density vs. CKD contents ratio

回轉(zhuǎn)窯窯灰(CKD)是經(jīng)高溫處理過的、物料受熱均勻、含有少量熟料粉的混合物,其中的碳已燒成了煤灰玻璃球,可視為火山灰質(zhì)混合材料,將CKD摻入膨脹土,會(huì)使膨脹土的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。由表2知，CKD的主要成分是CaO和MgO等，將CKD與膨脹和水混合物后,會(huì)迅速的產(chǎn)生Ca(OH)2和少量Mg(OH)2,進(jìn)一步離解出Ca2+，Mg2+和OH-。Ca2+，Mg2+很容易置換膨脹土顆粒所吸附的低價(jià)的K+，Na+等離子,由于二價(jià)的Ca2+，Mg2+結(jié)合水膜較薄,使得改性土在擊實(shí)能的作用下更容易密實(shí),從而導(dǎo)致改性土的最大干密度升高,最優(yōu)含水率減小;且隨摻灰率的增大、最大干密度的升高速率以及最優(yōu)含水率的減小速率都增大。

圖3　最優(yōu)含水率與摻灰率的關(guān)系Fig.3　Optimum water content vs. CKD contents ratio

2.3最大干密度隨最優(yōu)含水率的變化

最大干密度和最優(yōu)含水率的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出，隨著最優(yōu)含水率的增大,混合物的最大干密度線性降低：

ρdmax=2.359-0.036ωopt,

r=-0.990 4。

(3)

這說明較低的最優(yōu)含水率能夠獲得較高的干密度。但是，從工程施工的角度出發(fā),含水率較低時(shí)卻更難以將填土料最大限度地壓密。因此,實(shí)際應(yīng)用中并非干密度越大越好,而是要考慮含水率和干密度兩個(gè)方面,確定合適的參數(shù)。

圖4　最優(yōu)含水率與摻灰率的關(guān)系Fig.4　Maximum dry density vs. optimum water content ratio

總結(jié)以上試驗(yàn)結(jié)果可知,在一定的擊實(shí)能下,根據(jù)所需膨脹土-CKD混合物的最大干密度、最優(yōu)含水率和摻灰率三者之中的任意一個(gè)值,就可以逆向計(jì)算出所需的另外兩個(gè)值。比如確定了壓實(shí)干密度就可以計(jì)算出需要的含水率和摻灰率。

3　結(jié)　論

1) 隨著摻灰率的增大,膨脹土-CKD的塑性指數(shù)隨之降低,最優(yōu)含水率降低,而最大干密度隨之增大。

2) 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)中,當(dāng)摻灰率為0%～8%時(shí),擊實(shí)曲線較寬闊,有效擊實(shí)含水率范圍較??；當(dāng)摻灰率增大到10%～14%時(shí),擊實(shí)曲線逐漸變得狹窄,干密度提高明顯,即較高摻灰率時(shí),較低的含水率能夠獲得較大的干密度。

3) 膨脹土-CKD的最大干密度隨摻灰率呈指數(shù)增大,最優(yōu)含水率隨摻灰率指數(shù)降低;最大干密度隨最優(yōu)含水率增大呈線性降低。因此,在一定的擊實(shí)條件下,可根據(jù)回填土料所需的壓實(shí)干密度逆向計(jì)算出所需要的含水率和摻灰率。

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(編輯雷雁林)

Laboratory test on compaction properties of expansive soils reinforced with Cement kiln dust(CKD)content

CUI Su-li, WANG An-guo, TIAN Ming-jin, YAN Kai

(Geological Department/State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi′an 710069， China)

Cement kiln dust (CKD) as a byproduct of the production of cement has been given more and more attention, due to its huge annual production and the harm to environmental pollution. CKD has the nature of pozzolanic effect, can improve the engineering properties of the soil. This provides a new way for both improving the use of CKD and solving the problem of expansive soil engineering provides. So in this paper, chemical composition analysis, water properties test, and standard compaction tests have been conducted on expansive soils and expansive soils-CKD mixtures with different CKD content ratio, to study the feasibility of CKD as a modified material for expansive soil roadbed. The analysis of the results on the basic physical properties, water-physical property and the compaction properties have been given, and the results show that with the increase of CKD content ratio the plasticity index decrease, the optimum moisture content is also reduced, while the maximum dry density is increased. It indicated that adding CKD to expansive soil can improve its compaction properties.

cement kiln dust(CKD); expansive soils; compaction properties

2015-01-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41402260)；西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題基金資助項(xiàng)目(BJ08133-16)；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20136101120006)

崔素麗，女，河北石家莊人，博士，從事地質(zhì)工程方面的研究。

TU443

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-02-018