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污泥灰/熟石灰对软土地基力学性能的影响
Lin-Fong Lina,*，Kae-Long Linb，Min-Jui Hungc，Huan-Lin Luoa
- 义守大学 土木与生态工程系，1-Hsueh-Cheng Road，1，大旭乡, 高雄县 84008, 中国台湾
- 国立宜兰大学环境工程系，1，第1部分，中国台湾I-Lan 260-41沉龙路, 中国台湾
- 明智科技大学环境与安全工程系，中国台湾市泰山区24号，工业大道84号，台湾，ROC
摘要：本研究中，为了改善土壤的性质和强度，将污泥灰（SSA）和熟石灰用于加固软黏土路基。提出了分别为0%、2%、4%、8%和16%五种不同比例(重量百分比）的粘性土混合物。然后，研究不同比例的SSA /熟石灰对软粘性土壤的影响。试验结果表明，添加剂样品的无侧限抗压强度比未经处理的土壤提高了3到7倍，并且这些样品的膨胀也有效的降低。三轴压缩试验结果表明，剪切强度参数c随着添加剂用量的增加而增加，从30kPa提高到50-70kPa。总而言之，污泥灰（SSA）和熟石灰对于改善粘性路基土的岩土力学性能有显著作用。
关键词：粉煤灰;熟石灰;污泥灰;软土
1.简介
粉煤灰是一种常见的土壤稳定剂，含有大量的火山灰质，这些材料是加固软土路基的重要组成部分。它可以固化土壤中的离子，改善土壤颗粒间的相对应力，进一步提高土壤强度。同时，随着城市污水污泥的快速增长，填埋短缺，环境保护的要求日益严格，污水污泥的回收和利用受到全世界的鼓励。许多研究结果发现，污泥灰（SSA）具有与粉煤灰相似的火山灰材料特性，也有加固软土路基的潜力。只有当土壤测试结果如压实试验，加州承载比（CBR）试验，无侧限抗压强度试验（UCS）和三轴压缩试验得以改善时有可能实现[1]。因此，本研究提出SSA可用于替代传统的粉煤灰与熟石灰混合来加固软土路基。
通常，通过添加高比例的粉煤灰/火山灰可以增强未处理的土壤的强度。但是，当加入的混合物达到一定水平时，石灰改善的土壤的强度会降低。Little [2]用Eades法和Grim法，通过评估pH值来确定用作稳定剂所需的石灰用量。他发现，当pH值约为12.4时，所需的石灰量介于4％和8％之间。Evans [3]发现pH值随着用于土壤加固施加特定量的石灰而增加。当加入7％的石灰时，pH值达到最大。帕森斯等人[4]将不同数量的石灰与土壤混合用于堪萨斯州的道路试验。他们发现，当CH土壤和CL土壤中分别加入5％和2.5％的石灰时会产生大的膨胀潜力。此外，在加入2.5％石灰的情况下，所有实验土壤的塑性指数都较小。当添加5％的石灰外加剂时，五分之四的土壤表现出非塑性行为。此外，他们发现石灰土样本的强度变得更高，测试试样的相对压实度很容易达到95%。这是由于在高含水量条件下石灰和粘土之间的相互影响得以控制。他们还发现，在加固路基土壤中使用石灰作为混合物时，最佳含水率在8％至10％之间。
SSA和熟石灰能够改善基础土壤性质如压实性，剪切强度和承载力等，从而可以作为软土路基土壤的稳定剂。由于这两种材料中的反应特性，这两种材料的钙离子在聚合过程中可以产生硅酸钙或硅酸铝水合物。此外，产生这些水合物的机理与波特兰水泥的水合机理类似。Misra [5]认为这两种机制在化学上具有相同的效果。火山灰化学方程式描述如下：
凝胶 (1)
凝胶 (2)
提高软土地基性能的另一种稳定机制是絮凝团聚体的产生。这是通过一个过程完成的，当稳定剂中的钙溶解在水中时，其中二价钙离子（Ca2 ）将取代粘土颗粒表面上双层的一价氢离子，抑制双扩散层扩张，通过降低土壤颗粒之间的排斥力，降低土壤的吸水率，从而产生较大的土壤颗粒。不仅土壤结构得到改善，而且上述效应能使粘土颗粒凝聚并产生淤泥等低塑性土。此外，人们注意到土壤性能的主要改进包括塑性，可加工性，瞬时非固结土壤强度和荷载变形[6]。
Tay和Goh [7]，Tay和Show [8]，Lin和Weng [9]以及Lin和Tsai [10]是污水污泥在制造建筑建筑材料中的应用最为明显例子。因此，本研究的目的是利用SSA作为软路基土壤稳定剂，评估其对土壤的影响，并为未来污泥灰的应用提供更多潜力。
2.测试程序
这项研究的污水污泥样本采自高雄市当地市政污水处理厂。在被磨成细颗粒过＃200筛之前，将污泥样品在800℃的炉中焚烧。为了使更多的SSA替代火山灰材料，使更多的污水污泥循环利用，以及维持或增加改良土壤的强度，将SSA和熟石灰的掺和比例分别设置成4：1。根据重量百分比分别为0％，2％，4％，8％和16％与外加剂与粘性土混合。为了研究改良土壤的工程性能，进行了pH值，Atterberg极限，压实试验，无侧限抗压强度试验，膨胀势试验，CBR试验和稳定粘性土样的三轴压缩试验等试验。对污泥灰进行了pH值，EDS分析，X射线衍射和TCLP测试等试验。
对稳定的粘性土壤样品进行空气固化，并进行符合ASTM D4318标准的Atterberg极限测试，得到液体极限（LL），塑性极限（PL）和塑性指数（PI）。然后研究添加外加剂前后未处理土壤的PI值变化。pH值测试按照中华人民共和国环境保护局制定的27038-S410.60T规范进行管理。通过将固液比（土壤 外加剂/去离子水：20g/20ml）保持在1：1，并且将样品固化3小时，3天，7天，14天，21天和28天，进行测试以获得添加和不添加熟石灰的未处理土壤的pH值的变化。压实试验可以得到不同含水量的SSA /熟石灰土样品的最大干重（）和最佳含水量（OMC）。此外，在不同的养化龄期（3h，3天,7天,14天,28天,56天和90天）的无侧限抗压强度测试中，通过获得的OMC控制水的用量。将OMC再次用于膨胀潜力，并进行CBR试验，分别求出土壤样品的体积膨胀量和承载力。最后，在不固结，不排水和不饱和（UUU试验）条件下进行三轴压缩试验，得到不同模拟封闭压力下SSA/熟石灰土样品的强度参数c和摩擦角phi;。
3.结果与讨论
3.1材料特性
3.1.1污泥灰（SSA）
对SSA进行了TCLP等测试和基本物理和化学分析。TCLP测试结果表明，对于Cd，Cu，Cr，Pb和Zn，浸出金属的SSA（在105℃干燥时）浓度分别为0.03,0.25,0.24,0.54和16.75mg / L。该研究表明，TCLP的测试结果得到了中华人民共和国环境保护局的认可。Cd，Cu，Cr和Pb的电流调节阈值分别为1.0,15,5.0和5.0mg / L.
通常，用作稳定剂的材料中氧化物中钙的含量越高，火山灰反应速度越快。Misra [5]发现，添加粉煤灰后，黏土的改善水平不同。他发现粉煤灰粘土的承载力得到了有效提高。一方面，混合物中钙的含量会影响土壤的改善。另一方面，SSA中的钙（8％）高于飞灰（3-5％）。因此，预计SSA在粘结性改善中的应用效果优于粉煤灰。此外，通过对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，这与三种用于进行火山灰反应的主要氧化物SiO2，Al2O3和Fe2O3有关。这一观察结果与其他相关研究参考文献中的研究相吻合。
3.1.2石灰
熟石灰在熟化过程中难以与水反应，并产生高热量（15.3kcal）。因此，选择熟石灰作为稳定外加剂的一部分。此外，熟石灰易于运输（Gs = 2.2），也是一种低成本的材料。X射线衍射结果表明，熟石灰中Ca（OH）2 的含量为84-95％，CaO的含量为5%。
3.1.3未经处理的粘性土壤表格1未经处理的土壤的性质
|
砾石（0.4毫米） |
0 |
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砂石（0.4-0.8毫米） |
17 |
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淤泥（0.08-0.005毫米） |
46 |
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黏土（0.005毫米） |
37 |
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Gs |
2.75-2.77 |
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含水率（%） |
27.7-30.6 |
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液限（LL） |
30.3 |
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分类（USCS） |
氯 |
|
分类（AASHTO） |
A-4 |
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最大单位重量（） |
1.66 |
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最佳水分（%） |
17.8 |
|
在最佳湿度（kpa）下的无侧限抗压强度 |
33.1 |
|
导水率（cm/s） |
|
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可塑性指数（PI） |
9.7 |
表1为未处理的粘性路基土的基本性质。本研究中，未经处理的土壤含有60-70％的淤泥和粘土，按照USCS分类归类为CL土。此外，AASHTO将未经处理的土壤分为A-4类，并将其鉴定为低塑性粉质黏土。按照AIIS-181的分类方法，将路基土壤按强度分为三级，未处理的壤分为1级为CBR3，而未处理的土壤则为2级。这表明处理后的土壤表现为非常贫瘠的土壤。
3.2 PH值
本项研究中，SSA和熟石灰中的钙含量分别为8％和85％。图1显示，在将SSA /熟石灰加入未处理的土壤后，随着养护时间的延长，pH值逐渐变为酸性。事实上，借助于钙的饱和原理和pH值稳定机制，很明显，随着稳定处理的进行，钙正在逐渐消耗殆尽。因此，pH值随着钙水平的降低而降低。此外，图1表明，当向未处理的土壤中加入更多量的混合物（例如16％）时，pH值下降幅度减小，变化平缓。这导致水合石灰含有丰富的钙并且可以为反应提供足够的钙。此外，未处理的土壤中的硅铝酸盐（70％）和SSA（40％）可以与熟石灰中的氢氧化钙反应以产生火山灰反应。在不同养护龄期的火山灰反应中发现的pH值与从最佳改性时获得的pH值相似。
图1.不同污泥灰分/石灰添加剂的pH值与养护龄期之间的关系
Eades和Grim在20世纪70年代提出了一种混合药剂。此外，由于二氧化硫和硅酸钙彼此连续反应并在混合物中消耗大量的钙，对于少量混合物（2％，4％和8％），pH值的下降变得更大。结果还表明，添加2％和4％SSA /熟石灰的样品的pH值低于在28天时固化的未处理土壤。它们的pH值还具有降低的趋势。
图2.不同数量的污泥灰/石灰添加剂的塑性指数和固化年龄之间的关系
图3.塑性图表中未处理的软土和污泥灰/石灰土的位置
3.3阿特伯格限制
阿特伯格限制可以提供有关LL，PL和关键状态下土壤的硬化特性的信息。通常，具有较小PI的土壤在工程应用中具有更好的可操作性。图2显示了添加的不同量的SSA /熟石灰的PI值与固化年龄之间的关系。如图2所示，所有具有不同混合量的样品的PI值在固化3天后明显降低，而低塑性未处理的CL土壤变成低塑性稳定的ML土壤（如图3所示）。这表明就时间而言，混合物用于加固土壤样品的应用是非常有效的。整体而言，对于稳定的土壤，虽然PI值在空气养护的时间延长后由于水分的流失而恢复了一些，但PI值降低了很多。此外，根据Casagrande的土壤分类，如图3所示，处理后的软基土在工程应用中成为较好的土。
3.4压实试验
土壤压实是将水与土壤混合并添加外部能量，使土壤颗粒重新排列和凝结的过程。因此，土壤可以通过水分子的润湿和压实能使颗粒重新排列来达到最佳密实状态。图4为SSA /熟石灰对原生土压实性能的影响。如图4所示，当向样品中加入不同量的SSA /熟石灰时，最大干重单位重量介于16.6和16.9之间，OMC介于16.5％和18.0％之间。试验结果表明，SSA /熟石灰作为土壤稳定剂的利用对软土路基粘性土的压实影响很小。普帕拉和Hanchanloet [11]混合硫酸和木质素磺酸盐化学品（SA-44 / LS-40，或DRP）与石灰得到三组不同的土壤稳定剂，以改善软土路基。他们发现每组稳定剂具有不同的OMC和 值，都表现出自己的压实行为。然而，在每组中添加不同量的混合物的OMC和 的变化表现出很小的变化。本研究中也出现类似的结果。聚类效应导致未处理土壤的性质变化。因此，随着在未经处理的土壤中加入更多的混合物，土壤变得更加疏松。此外，团簇效应和压实效应抵消了添加到土壤中的不同量外加剂对土壤的影响。
图4.不同量的污泥/熟石灰灰对未处理土壤压实特性的影响
3.5无侧限抗压强度试
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