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污泥灰/熟石灰对软土地质特性的影响
文摘
在这项研究中，为了努力提高土壤的性质和强度，污水泥灰（SSA）和熟石灰用于稳定软粘结地基土壤。从而提出了用于与粘性土混合的五种不同比例（重量百分比），0％ 2％，4％，8％和16％的污泥灰/水合石灰。然后，研究了不同比例的SSA /熟石灰对软粘性土的影响。试验结果表明，含有添加剂的样品的无侧限抗压强度比未处理土的无侧限抗压强度高3-7倍，并且这些样品的溶胀行为也有效减少。三轴压缩试验的结果表明，剪切强度参数c随着添加剂量的增加而增加，从30提高至50-70kPa。总的来说，SSA /熟石灰可以特别地改善粘性路基土的岩土性能。
copy;2006 Elsevier B.V.保留所有权利。
关键词：粉煤灰；氢氧化钙；污泥；软土
1.介绍
粉煤灰是一种常见的土壤稳定材料，含有大量的火山灰材料，这些材料是用于稳定软土路基土的重要组分。它可以在土壤中分离离子，以提高土壤颗粒之间的相对应力，并进一步增加土壤的强度。同时，随着城市污水泥的快速增长，填埋短缺，对环境保护的要求严格，在世界各地都鼓励污水泥的回填和体积减少。许多研究结果发现，污水泥灰（SSA）具有与飞灰相似的火山灰材料性质，并且还具有稳定软土路基土壤的潜在应用。这只有在土壤测试结果如压实试验，加州轴载承比（CBR）试验，无侧限抗压强度试验（UCS）和三轴抗压试验才能验证。因此，本研究提出SSA可用于替代传统的粉煤灰，并与水合石灰混合作为外加剂来稳定软土路基土。
通常，未处理的土壤强度可以通过添加高比例的飞灰/石灰灰来改善。然而，当添加的混合物达到一定水平时，由石灰改善的土壤的强度可以降低。[2]通过评估pH值来评价用作稳定剂所需的石灰量来自Eades和Grim的方法。他发现当pH值为约12.4时，所需的石灰量在4％至8％之间。Evans [3]指出，为了施加土壤稳定化而添加的石灰的特定量增加了pH值。当加入7％的石灰时达到最大pH值。Parsons等人[4]在堪萨斯州混合不同量的石灰与土壤进行道路测试。他们表明，当加入5％和2.5％的石灰时产生大的溶胀电位到CH土壤和CL土壤。此外，对于所有测试的土壤，在2.5％的石灰的情况下观察到较小的塑性指数。对于添加了5％的石灰混合物的五种土壤中的四种也观察到非塑性行为。此外，他们发现，石灰土试样的强度更好，95％的相对压实容易获得试样。这是由于在高含水量的条件下控制石灰和粘土之间的相互影响。他们还发现，在地基土稳定化中使用石灰作为混合物时，最佳含水量在8％和10％之间。
SSA和熟石灰可通过改善碱性土壤性质如压实度，剪切强度和承载力等来用作软土路基土的稳定剂。由于在泥渣灰和石灰中的火山灰反应的特性，这两种材料中的钙可在聚合过程中产生硅酸钙或硅酸铝水合物。此外，用于产生这些水合物的机制类似于波特兰水泥的水合机理。Misra [5]认为这两种机制在化学上具有相同的效果。火山灰化学方程描述为：
Ca(OH)2 SiO2→ C–S–H 混合物(1)
Ca(OH)2 Al2O3→ C–A–H 混合物(2)
可以改善软土地基性质的另一种稳定机制是发生絮凝团聚。这通过在稳定剂中的钙溶解在水中之后的方法进行，其中在土壤颗粒之间二价钙离子（Ca 2 ）将取代粘土颗粒表面上的双层的一价氢离子，抑制扩散双层膨胀，降低吸水性的土壤，并通过减少排斥力产生较大的土壤颗粒。不仅土壤结构得到改善，而且上述效应还可使粘土颗粒粘结并产生低塑性土如淤泥。此外，土壤性能的主要改进包括可塑性，可加工性，瞬时非养护土体强度和载荷变形 [6]。
如Tay和Goh [7]，Tay和Show [8]，Lin和Weng [9]和Lin和Tsai [10]所示，污水污泥在制造建筑材料中的应用最为常见。因此，本研究的目的是利用SSA作为软土路基土稳定剂，评价其对土壤的影响，并为未来污泥灰提供更多的潜在应用。
2.测试程序
在这项研究中，污水泥样品从高雄市的一个地方市政污水处理厂收集。在研磨成细颗粒通过＃200筛之前，污泥样品在800℃的炉中焚烧。为了具有更多的SSA替代火山灰材料和更多的污水污泥再循环以及维持或增加改善的土壤的强度，SSA和熟石灰比例分配为4:1。从而提出了根据重量百分比0％、2％、4％、8％和16％的五种外加剂与粘性土壤的混合物。对稳定的粘性土壤样品进行测试，如pH值，阿太堡界限，压实测试，无侧限抗压强度测试，膨胀潜力，CBR和三轴压缩测试，以研究改良土壤的工程性能。对污泥灰分别进行其他试验如pH值，EDS分析，X射线衍射和TCLP试验。
稳定的粘性土样品进行空气固化，完成符合ASTM D4318标准的阿太堡界限测试以获得液体极限（LL），塑性极限（PL）和塑性指数（PI）。然后研究了添加混合物之前和之后未处理土壤的PI的变化。 pH值测试由中国环境保护局设定的27038-S410.60T规范调节。通过将固体与液体的比例（土壤 混合物/去离子水：20g / 20ml）维持在1:1进行测试，样品固化3小时，3小时，7小时，14小时，21小时和28天以获得具有和不具有加入的灰分/熟石灰的未处理土壤的pH值的变化。压实试验可以发现SSA /水合石灰土试样在各种含水量下的最大干重量（gamma;dmax）和最佳含水量（OMC）。此外，水的量由OMC在无侧限抗压强度试验中获得，其在不同的固化时间（3h，3，7，14，28，56和90天）进行。再次，OMC用于膨胀潜力，并进行CBR测试以分别找到土壤样品的体积溶胀和承载能力的量。最后，在不固结，不排水和不饱和（UUU试验）的条件下进行三轴压缩试验，以获得在不同模拟限制压力下灰/水合石灰土试样的剪切强度参数c和摩擦角phi;。
3.结果与讨论
3.1材料特性
3.1.1污泥灰分（SSA）
对SSA进行测试如TCLP和基本的物理和化学分析。TCLP的结果表明，SSA（在105℃干燥）的浸出金属浓度是Cd，Cu，Cr，Pb和Zn，以及他们的浓度分别为0.03，0.25，0.24，0.54和16.75mg / L。TCLP的测试结果由中国环境保护局承担。Cd，Cu，Cr和Pb的当前调节阈值分别为1.0，15，5.0和5.0mg / L。
通常，用作稳定剂的材料的氧化物中存在的钙越多，火山灰反应越快。Misra [5]指出添加飞灰后粘土的改善程度不同。他发现有飞灰土的粘土土壤的承载能力有效增强。一方面，混合物中钙的量影响土壤的改善。另一方面，SSA中的钙（8％）比飞灰中的钙（3-5％）多。因此，SSA会在应用粘性土壤改良中具有比飞灰更好的效率。此外，根据对SSA和熟石灰的EDS的准定量分析，表明SSA中的主要成分是Si，Al和Fe，涉及用于进行火山灰反应的三种主要氧化物SiO 2，Al 2 O 3和Fe 2 O 3。这一观察与在其他相关研究参考中发现的研究相同。
表1
未处理的土壤的性质
|
砾石（0.4mm） |
0 |
|
砂（0.4-0.08mm） |
17 |
|
泥浆（0.08-0.005毫米） |
46 |
|
粘土（0.005mm） |
37 |
|
Gs |
2.75-2.77 |
|
omega;（％） |
27.7-30.6 |
|
液性指数（LL） |
30.3 |
|
分类（USCS） |
CL |
|
分类（AASHTO） 最大单位重量（kN / m3） 最佳水分（％） 最佳水分的无侧限抗压强（kPa） 水力电导率（cm / s） 塑性指数（PI） |
A-4 1.66 17.8 33.1 3.17E-07 9.7 |
3.1.2生石灰
在熟化过程中，熟石灰难以与水反应而且会产生高的热量（15.3千卡）。因此，选择熟石灰作为稳定化混合物的一部分。此外，熟石灰易于运输（Gs = 2.2）而且也是低成本材料。X射线衍射结果表明，熟石灰含有84-95％的Ca（OH）2和5％的CaO。
3.1.3未处理的粘性土
表1显示了未处理的内聚路基土的基本性能。本研究中未处理的土壤含有60-70％的淤泥和粘土，根据USCS分类归类为CL土壤。此外，AASHTO将未处理的土壤分为A-4类别，并将其确定为低可塑性粉质粘土。根据AIIS-181的分级方法，其中根据强度将路基土壤分为三个等级，未处理的土壤被分为1级为CBR 3，因为未处理的土壤的CBR值等于2。这意味着未处理的路基土的土壤质量非常差。
3.2pH值
研究中，在SSA和熟石灰中发现的钙的量分别为8％和85％。图1显示当将SSA /熟石灰加入到未处理的土壤中时，随着固化的延长变得更长，pH值变成酸性。事实上，在钙的饱和原理和pH值稳定的机制的帮助下，可以看到，随着稳定化被耗尽，钙被逐渐耗尽。因此，pH值随着钙水平的降低而降低。此外，图1显示了更多大量的混合物（如16％）加入到未处理的土壤中，可以看到较小的减量和更平滑的pH值变化。这就导致水合石灰含有丰富的钙并且可以提供足够的钙来用于反应。此外，未处理的土壤（70％）和SSA（40％）中的铝硅酸盐可以与钙反应，在水合石灰中的氢氧化物中产生火山灰反应。在不同固化年龄的火山灰反应中发现的pH值与由Eades和Grim在20世纪70年代提出的最佳改良的混合物获得的pH值相似。更精一步地，因为二氧化硫和硅酸钙连续反应并且在混合物中消耗大量的钙，所以对于少量的混合物（2％，4％和8％），pH值的减小变得显著。结果还表明，添加2％和4％的SSA /熟石灰的样品的pH值小于未处理的28天固化的土壤的pH值。而且它们还具有降低pH值的趋势。
图1。 污泥灰/石灰添加剂的不同量的pH值和固化时间之间的关系
3.3阿太堡界限
阿太堡界限可以提供关于液限，塑限和关键状态下土壤的硬化性质的信息。通常，具有较小塑限值的土壤在工程应用中具有更好的可加工性。图2显示了添加的不同量的SSA /熟石灰的塑限值和固化年龄之间的关系。如图1所示。如图2所示，对于具有不同量的混合物的所有样品的塑限值在固化3天后明显降低，从而低塑性未处理的CL土变成低塑性稳定的ML土壤（如图3所示）。这表明，稳定土壤样品的混合物的应用的时间非常有效。总体上，塑限值对于稳定的土壤减少了很多，虽然塑限值在空气中固化的时间延长之后，但由于水分的损失而恢复了一点。此外，基于粘性土的土壤分类，见图1。图3，未处理软土土壤在处理后就可以成为工程应用中较好的土壤。
图2不同的量的污泥灰/石灰添加剂的可塑性指数与固化时间的关系
图3未处理的软土和污泥灰/石灰土的位置
3.4压实试验
土壤压实是通过将水与土壤混合并向土壤中加外力来重新布置和冷凝土壤颗粒的过程。因此，土壤可以借助于湿润和重新安排颗粒的水分子和压实能达到其最致密的条件。图4显示了SSA /熟石灰对未处理土壤的压实性能的影响。如图1所示。图4，最大干单位重量gamma;dmax在16.6和16.9 kN / m3之间，当不同量的SSA /熟石灰添加到样品，OMC在16.5％和18.0％。试验结果表明，SSA /熟石灰作为土壤稳定剂的应用对软土路基粘性土的压实影响非常小。Puppala和Hanchanloet [11]混合硫酸和木质素磺酸盐化学品（SA-44 / LS-40，或DRP）与石灰，以产生三组不同的土壤稳定剂来改善软土地基。他们发现每组稳定剂会表现出各自的压实效应与不同的OMC和gamma;dmax值。然而，在每组中加入的不同量的混合物的OMC和gamma;dmax的变化表现出很小的变化。在本研究中也注意到类似的结果。据认为，群体的影响会导致未处理土壤的性质变化。因此，随着更多的混合物被添加到未处理的土壤中，土壤混合物变得更松散。聚集和压实的影响进一步抵消了添加了不同量的混合物的土壤的影响。
图4 不同量的污泥灰/熟石灰分别对污泥灰和对未处理土壤的压实性能的影响
3.5无侧限抗压强度试验（UCS试验）
UCS测试的目的是通过评估所测试的土壤的单轴承载能力来评估路面的强度。图5显示了在不同固化时间和不同量的石灰添加到土壤的SSA /水合的样品的UCS之间的关系。结果表明，在加入混合物后2小时，未处理的土壤可以得到有效地改善。此外，在固化了3天时，添加了更多的SSA /熟石灰的土壤样品的强度增加了。增加的强度在原始强度的1.0和1.5倍之间。由于SSA和熟石灰的比重分别是2.13和2.2的轻质材料，所以可以通过使用重量法在土壤样品中加入更多的混合物。它还可以提供更多的游离水合钙以进行石灰和火山灰之间的胶结。在Qubain的研究（1999）中，
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