劉 華，梁 騰，趙曉晴,3，岳志才，邵劍濤，李詠陽(yáng)

(1.江蘇海洋大學(xué) 土木與港海工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.連云港市鐵路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 連云港 222002；3.江蘇省海洋資源開(kāi)發(fā)研究院，江蘇 連云港 222005；4.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

0 引言

堿渣是氨堿法生產(chǎn)純堿過(guò)程中蒸氨廢液經(jīng)沉淀而產(chǎn)生的白色固體，其微觀結(jié)構(gòu)表面粗糙、孔隙較大，呈蜂窩狀[1-2]，壓縮性高，吸水性大。以碳酸鈣、硫酸鈣及鐵、鋁、硅等氧化物為主，自身可以構(gòu)成土的骨架[3]，常與其他材料拌合形成堿渣土，被用作工程填墊材料[4-8]。

本文利用不同比例的堿渣、粉煤灰拌合黏土形成堿渣土，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)對(duì)堿渣及堿渣土的擊實(shí)特性展開(kāi)研究。擊實(shí)試驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)土壓實(shí)性的重要方法，而壓實(shí)性對(duì)土的工程性質(zhì)起著決定性作用[9]，是保證工程土強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提，也是施工驗(yàn)收的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)之一。影響擊實(shí)的因素有很多，包括擊實(shí)材料的顆粒級(jí)配、含水率、擊實(shí)功、土樣有機(jī)質(zhì)等[10]。不同土樣的擊實(shí)曲線有所不同，黏土的擊實(shí)曲線呈明顯的上凸單峰狀；風(fēng)積沙的擊實(shí)曲線呈凹型[11]。不同土樣的擊實(shí)效果也各不相同。砂礫的擊實(shí)效果表現(xiàn)為隨著粗顆粒含量的增加，最大干密度先增加后減小，而最優(yōu)含水率卻一直減小[12]，并會(huì)存在一個(gè)最優(yōu)含石量[13]。堿渣具有粉土性質(zhì)，粉煤灰類似于砂性特征，對(duì)于堿渣及堿渣、粉煤灰拌合黏土形成的堿渣土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)研究具有必要性，能夠?yàn)檫M(jìn)一步開(kāi)展堿渣及堿渣土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)及工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料

堿渣取自連云港堿業(yè)有限公司，為壓濾后的塊狀，烘干后呈白色，化學(xué)組分以氧化鈣、氧化鎂為主。粉煤灰是連云港堿業(yè)有限公司生產(chǎn)純堿過(guò)程中排出的另一種廢渣，外觀呈灰黑色，由細(xì)小的顆粒組成，主要化學(xué)成分為活性氧化鈣、氧化鋁等。黏土取自連云港，碾碎過(guò)5 mm篩，最大干密度為1.738 g/cm3，最優(yōu)含水率為19.9%。各材料的物理性質(zhì)如表1所示。堿渣的化學(xué)組分如表2所示。

表1 試驗(yàn)材料物理性質(zhì)

表2 堿渣化學(xué)組分

2 試驗(yàn)方案及方法

2.1 試驗(yàn)方案

對(duì)堿渣和堿渣拌合土展開(kāi)擊實(shí)試驗(yàn)，堿渣、粉煤灰拌合黏土的配比如表3所示，表中各材料占比均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表3 堿渣土配比

2.2 試驗(yàn)方法

采用重型擊實(shí)試驗(yàn)[14]，錘質(zhì)量為4.5 kg，落高為45 cm，擊實(shí)試樣體積為997 cm3，每個(gè)試樣分5層擊實(shí)，每層擊27次。在擊實(shí)前按照四分法每組配比以不同的含水率制備不低于5個(gè)試樣，每組拌合時(shí)的含水率以2%～4%遞增，并進(jìn)行悶料24 h。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

擊實(shí)試驗(yàn)需根據(jù)不同含水率試樣所對(duì)應(yīng)的干密度線繪制擊實(shí)曲線，同時(shí)繪制飽和曲線[14]。通過(guò)擊實(shí)曲線中的峰值點(diǎn)確定最大干密度和對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率，但是擊實(shí)曲線中的峰值點(diǎn)并不能簡(jiǎn)單地理解為數(shù)據(jù)最高點(diǎn)[15]。擊實(shí)曲線的繪制從過(guò)去的“圖解法”，到如今利用Excel，Matlab，Origin以及SPSS等軟件進(jìn)行插值與擬合，減少了人為誤差，使得試驗(yàn)結(jié)果更加精確。本文采用SPSS軟件對(duì)擊實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次和三次多項(xiàng)式擬合，通過(guò)對(duì)自變量系數(shù)顯著性分析(Sig)以及擬合優(yōu)度統(tǒng)計(jì)量R2比較，得出較優(yōu)模型。當(dāng)顯著性系數(shù)≤0.05時(shí)表明能夠達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，證明回歸方程有效；R2為回歸平方和與總平方和的比值，是度量回歸模型優(yōu)劣程度的指標(biāo)，R2越接近1表明擬合的模型越優(yōu)。利用較優(yōu)模型求出各組最優(yōu)含水率和最大干密度，并進(jìn)行分析。

3.1 堿渣擊實(shí)結(jié)果分析

堿渣擊實(shí)結(jié)果如表4所示。含水率作為自變量，干密度作為應(yīng)變量，通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行二次函數(shù)和三次函數(shù)曲線模型擬合，并根據(jù)擬合優(yōu)度統(tǒng)計(jì)量R2及顯著性分析，比較二次函數(shù)和三次函數(shù)擬合效果，擬合曲線如圖1所示。

表4 堿渣擊實(shí)干密度和含水率

圖1 堿渣擊實(shí)擬合曲線

堿渣的擊實(shí)曲線為開(kāi)口向下的單峰值曲線。根據(jù)擬合結(jié)果(如表5和表6所示)可知，二次函數(shù)的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)顯著性系數(shù)均小于0.05，三次函數(shù)的二次項(xiàng)和三次項(xiàng)顯著性系數(shù)也均小于0.05，說(shuō)明模型成立的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義顯著，表明二次函數(shù)和三次函數(shù)的擬合結(jié)果均是可行的[16]。但從擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量R2分析(見(jiàn)表7)，三次函數(shù)R2(0.981)略大于二次函數(shù)R2(0.976)，說(shuō)明三次函數(shù)擬合曲線略優(yōu)于二次擬合函數(shù)曲線。根據(jù)三次函數(shù)擬合曲線結(jié)果求出堿渣最大干密度為1.129 g/cm3，最優(yōu)含水率為41.33%。

表5 二次函數(shù)擬合系數(shù)分析表

表6 三次函數(shù)擬合系數(shù)分析表

表7 模型摘要

3.2 堿渣土擊實(shí)結(jié)果分析

3.2.1 擊實(shí)結(jié)果SPSS擬合分析 對(duì)不同配比的堿渣土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，通過(guò)SPSS軟件對(duì)其擊實(shí)結(jié)果進(jìn)行二次函數(shù)和三次函數(shù)的擬合。通過(guò)擬合曲線(如圖2所示)可以看出，不同比例拌合的堿渣土擊實(shí)曲線都呈開(kāi)口向下的單峰值曲線。除S5組在利用二次函數(shù)進(jìn)行擊實(shí)曲線擬合時(shí)擬合曲線與飽和曲線出現(xiàn)相交，其余各組實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均能夠通過(guò)二次函數(shù)和三次函數(shù)進(jìn)行有效擬合。通過(guò)對(duì)統(tǒng)計(jì)量R2(如表8所示)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，三次函數(shù)R2值除S8組略小于二次函數(shù)R2值，其他組均大于二次函數(shù)R2值，表明堿渣土擊實(shí)曲線利用三次函數(shù)擬合較優(yōu)于二次函數(shù)擬合效果。

表8 堿渣土各組統(tǒng)計(jì)量R2值

S1擊實(shí)擬合曲線

3.2.2 最大干密度與最優(yōu)含水率分析 利用三次函數(shù)模型所擬合的擊實(shí)曲線結(jié)果，計(jì)算出各組堿渣土的最大干密度及其所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率，如表9所示。

表9 堿渣土各組最大干密度與最優(yōu)含水率

堿渣土各組中，最大干密度最高的是S1組，為1.437 g/cm3；最低的是S9組，為1.201 g/cm3。由圖3可以看出，在粉煤灰摻量一定的情況下，隨堿渣摻量的增加、黏土摻量的減少，最大干密度呈階梯狀逐漸下降。堿渣孔隙多質(zhì)量輕，最大干密度僅為1.129 g/cm3，而黏土干密度為1.738 g/cm3，相對(duì)較大，所以堿渣摻量增多、黏土摻量減少，堿渣土最大干密度也會(huì)相應(yīng)減小。在堿渣摻量一定的情況下，堿渣土最大干密度隨著黏土摻量減少、粉煤灰摻量增多也呈不斷下降趨勢(shì)。由于粉煤灰的比重遠(yuǎn)小于黏土，黏土摻量減少對(duì)最大干密度的影響遠(yuǎn)大于粉煤灰摻量增加。當(dāng)堿渣摻量達(dá)70%時(shí)，堿渣土最大干密度僅為1.201～1.291 g/cm3，相比于普通填土其質(zhì)量輕，能夠有效減少20%～30%的自重，降低因自重而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，增加填料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

由圖3可以看出，堿渣土最優(yōu)含水率隨著堿渣摻量的增多呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。堿渣本身具有較強(qiáng)的吸水性，堿渣多以粉狀顆粒為主，擊實(shí)時(shí)顆粒間發(fā)生移動(dòng)，為了克服粒間引力和摩阻力，使松散的結(jié)構(gòu)變得密實(shí)需要更多的水。當(dāng)堿渣摻量達(dá)到70%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率均在30%以上。通過(guò)壓濾設(shè)備壓濾后的堿渣含水率通常在40%～50%，與最優(yōu)含水率較為接近，通過(guò)簡(jiǎn)單的翻拌、晾曬容易達(dá)到最優(yōu)含水率狀態(tài)，便于現(xiàn)場(chǎng)施工拌合與碾壓。

圖3 堿渣土最大干密度與最優(yōu)含水率

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)堿渣與堿渣土擊實(shí)試驗(yàn)及其結(jié)果擬合分析，可得：

(1)堿渣、粉煤灰拌合黏土形成的堿渣和堿渣土的擊實(shí)曲線均呈開(kāi)口向下單峰值曲線，利用三次函數(shù)擬合形成的擊實(shí)曲線優(yōu)于二次函數(shù)。

(2)堿渣土最大干密度隨著堿渣摻量的增加逐漸降低，相比于普通填料其質(zhì)量輕、自重小。當(dāng)堿渣摻量達(dá)70%時(shí)堿渣土輕質(zhì)性更為突出，而此時(shí)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率均為30%以上，壓濾后的堿渣通過(guò)翻拌、晾曬能夠容易達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率狀態(tài)，便于施工的拌合與碾壓。