电石渣稳定土处治路基力学性能试验探究

刘逢涛 黄前龙

（1.中建路桥集团有限公司，河北 石家庄 050001；2.中路高科（北京）公路技术有限公司，北京 100088；3.公路建设与养护新材料技术应用交通运输行业研发中心，北京 100088）

随着近年来国家政策的调整，石灰掺量越发受到限制，造价上涨，从而增加公路工程建设成本。采用工业固废煤矸石稳定土作为路基填料无疑是实现资源综合利用和环保的新途径。本文将在分析电石渣稳定土强度形成机理的基础上，对试验用电石渣和土样进行物化分析，通过击实试验确定最佳含水量和最大干密度，无侧限抗压强度试验确定电石渣的最佳掺量。

一、电石渣稳定土强度机理

相关研究发现，电石渣掺入土中均匀拌和后，前期通过土颗粒嵌挤成团，降低土样的塑性指数，提升原土的最佳含水量，实现无侧限抗压强度增长，后期则主要依靠形成结晶物质实现强度提升，随着龄期增长发生离子交换与凝聚作用、火山灰作用、碳酸化反应、结晶作用等，从而达到改善土样物化性质的目的。反应的具体表现如下：

（一）离子交换与凝聚作用

电石渣中的主要成分为氧化钙，在与水作用后，生成氢氧化钙，氢氧化钙分解出钙离子和氢氧根离子，而钙离子通过与土中钾、钠等离子进行交换，并吸附在土颗粒的外表面，改变了土颗粒的电极性，使土样外表面的弱结合水膜厚度变薄，其结果表现为使得土颗粒迅速聚拢，将小颗粒凝聚成大颗粒，并相互嵌挤成团，形成整体稳定结构，达到提高土体强度的目的。

（二）火山灰作用

火山灰作用，主要是因为土中富含硅、铝酸盐等活性物质，在与水作用下，与电石渣中生成的氢氧化钙物质发生反应，生成水化硅酸盐和铝酸盐凝胶，并包裹在土颗粒外层形成保护结构，且可以填充土颗粒之间的空隙，使得电石渣稳定土的透水系数得到明显降低，进而提升电石渣稳定土的整体性、稳定性和强度。

（三）碳酸化作用

电石渣在水的作用下，与土进行充分拌和，生成碳酸钙等结晶物质，该物质能够与土体颗粒发生交结作用，有效改善和提升稳定土整体结构的强度及水稳定性，以实现对土体的碳酸化加固作用。

（四）结晶作用

结晶作用主要通过电石渣稳定土自行结晶生成的碳酸钙物质，形成网状结构，将土体颗粒牢固黏结，从而提高电石渣稳定土的整体结构稳定性。

二、原材料物化性能分析

（一）电石渣

电石渣采用邯郸某气体公司排放的工业固体废弃物，其基本物理性质如表1所示。通过X射线荧光分析法（XRF）对电石渣进行化学成分分析发现，化学成分为氧化钙含量高达91%，其次是三氧化二铝和二氧化硅，氧化镁含量较低仅0.34%，其主要成分与石灰相近，属于钙质消石灰，有效钙镁含量为65%，达到二级含量技术指标。

表1 电石渣基本物理性质

（二）试验土样

试样土样取自国道107邯邢界至北张庄段改建项目，其筛分试验结果及基本物理性能，如表2和表3所示。结果表明该土样颗粒级配良好，属低液限非膨胀性黏土。

表2 土样筛分试验结果

表3 土样基本物理性能

三、配合比方案及力学性能研究

（一）配合比方案

电石渣的掺量及养护龄期是影响电石渣稳定土强度的主要因素，因此通过内掺法对电石渣掺量为4%、6%、8%、10%、12%共5组的电石渣稳定土混合料进行击实试验确定各掺量下的最佳含水量和最大干密度，通过无侧限抗压强度试验对电石渣稳定土7d、28d、60d和90d的强度进行试验研究，确定电石渣稳定土的力学性能及电石渣的最佳掺量，为工程推广应用提供依据。

（二）击实试验

通过无机结合料稳定材料击实试验方法，确定4%、6%、8%、10%、12%共5组电石渣掺量稳定土的最佳含水量和最大干密度，试验结果如图1所示。

图1 击实试验结果

结果表明，电石渣稳定土随电石渣掺量的增加，最佳含水量逐渐增大，最大干密度则随电石渣掺量的增加逐渐减小。主要原因为电石渣的主要成分为氢氧化钙，稳定土中所含钙离子能有效吸附在黏土颗粒表面，降低了土颗粒对水的吸附能力及土的液塑限，从而提升了土的密实度；同时所含氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应也生成部分碳酸钙，进一步提升了土的干密度，但氢氧化钙与二氧化碳的反应过程较为缓慢，因而电石渣稳定土的最大干密度会呈现逐渐减小的趋势。

（三）无侧限抗压强度试验

根据击实结果，对各试验原材料进行复配以及试件制作，试件采用直径为50mm的圆柱体试件，按照96%压实度静压成型，在温度为20±2℃，湿度为95%条件下标准养生，龄期分别为7d、28d、60d、90d，在养生龄期前一天放入20℃水中浸泡24h，最后利用路面材料强度试验仪进行无侧限抗压强度试验，按公式1计算抗压强度，公式中Rc为试件无侧限抗压强度(MPa)；p为试件破坏时最大压力(N)；r为试件半径(mm)。试验结果如图2所示。

图2 电石渣稳定土抗压强度测试结果

由图2可得，电石渣稳定土在同一掺量下，随养护龄期的增长，抗压强度呈现逐渐增大的趋势，7d到28d的强度增长幅度最大，而60d到90d的强度增长幅度较小，即60d后电石渣稳定土的强度增长趋势已逐渐平稳。电石渣稳定土在同一龄期条件下，电石渣掺量4%到8%时，抗压强度随电石渣掺量的增加而增大，电石渣掺量8%到12%时，抗压强度随电石渣掺量的增加而减小，在电石渣掺量为8%时，电石渣稳定土的无侧限抗压强度最大，7d无侧限抗压强度为1.34MPa，90d无侧限抗压强度为1.88MPa，这表明8%为电石渣稳定土中所用电石渣的最佳掺量比例。

四、结语

本文分析了电石渣稳定土强度形成机理，对试验用电石渣和土样进行了物化分析，通过击实试验确定了最佳含水量和最大干密度，无侧限抗压强度试验确定了电石渣的最佳掺量。研究表明：电石渣稳定土最佳含水量随电石渣掺量的增加而增大，最大干密度则随电石渣掺量的增加而减小；通过无侧限抗压强度试验，表明电石渣最佳掺量为8%时，电石渣稳定土材料的力学性能最佳。