电石渣稳定土强度特性影响因素分析

栗培龙， 朱德健， 裴仪， 毕嘉宇， 张万强

(1.长安大学公路学院， 西安 710064； 2.长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室， 西安 710064)

电石渣是电石水解生产乙炔时的副产品，其主要成分是氢氧化钙，每吨电石可产生1.2 t电石渣。据国家发展和改革委员会统计，2018年电石产量2 608万t，增长4.7%，可产生超过3 000万t电石渣。电石渣属于一般工业固体废物，但由于其产量大，大多化工企业采用堆放和填埋的处置方式，不仅占用大量的土地资源，而且由于其强碱性引起土体及水质污染等环境问题[1]。因此，开展电石渣的综合利用，具有良好的生态环境效益。目前电石渣的主要利用途径主要有两个方面，一是生产建筑材料(水泥、混凝土砌块以及保温材料)，二是回收和制备化学产品，包括回收乙炔气、脱除废气与制备碳酸钙、氧化钙等产品[2-5]。

近年来许多中外学者关注电石渣在道路工程中的应用研究[6-10]。电石渣富含氢氧化钙，可以固化土壤。Liu等[11]采用电石渣和稻壳灰复合胶凝材料加固膨胀土；Latifi等[12]研究发现电石渣可以改善高岭土和膨润土的工程性质；Noolu等[13]将电石渣用于稳定黑棉土路基，可以减小反复荷载作用下路基的永久变形；王亮等[14]以电石渣、粉煤灰和碱激发剂制备了一种盐渍土固化剂，研究电石渣-火山灰质胶凝体系固化盐渍土的固化机理。石灰被广泛应用于道路基层中，而电石渣与石灰的主要成分类似，将其应用于道路基层中具有一定的可行性。Varaprasad等[15]用电石渣和芒果核灰改善膨胀土，并用作乡间道路的基层与底基层；Chindaprasirt等[16]研究电石渣稳定红土的工程性质，建立了无侧限抗压强度、弹性模量和加州承载比(California bearing ratio, CBR)之间的关系，为其用作工程填料提供了依据。基层是路面结构中的承重层，应具有一定的强度。Hatmoko等[17]研究了养护时间对蔗渣灰-电石渣稳定土无侧限抗压强度的影响；Du等[18]研究了植物灰分含量、电石渣含量、氢氧化钠含量和养护时间对黏土-植物灰地质聚合物无侧限抗压强度的影响；郭铄[19]采用稻壳灰和电石渣复合胶凝材料对膨胀土进行改良，并通过无侧限抗压强度试验确定稻壳灰和电石渣的最佳配比为65∶35；宫经伟等[20]分析了电石渣掺量、火山灰质材料、矿渣占比和硫酸盐含量等影响因素对固化土力学性能的影响规律，建立了各因素与固化盐渍土无侧限抗压强度间的计算模型。

尽管中外学者在电石渣稳定土强度机理和力学性能等方面已开展了较多研究，但是电石渣稳定土强度的影响因素众多，涉及设计、施工等方面，加上目前并没有相关规范指导电石渣稳定土的施工，所以在压实和养生等施工因素方面仍需进一步研究。基于此，现通过室内无侧限抗压强度试验，研究电石渣掺量、压实度、养生温度和龄期对电石渣稳定土强度的影响规律，以期为电石渣稳定土的施工控制及推广应用提供参考。

1 原材料

试验采用两种细粒土(记为土样1、土样2)，取自陕西，其颗粒分析结果和主要物理指标如表1和表2所示，将土样烘干备用。试验所用电石渣来自于陕西北元化工集团，呈粉状，其化学成分如表3所示。

表1 土样颗粒分析结果Table 1 Particle size analysis of the soil sample

表2 土样的物理指标Table 2 Properties of the soil sample

表3 电石渣的化学成分Table 3 Chemical composition of calcium carbide slag

2 试验设计

2.1 试验方案

(1)电石渣掺量的影响。结合两种土样的颗粒组成和物理性质，提出电石渣的掺量方案。按电石渣与土的质量比值计算，土样1的电石渣掺量拟采用5%、7%、9%、11%、13%，土样2的电石渣掺量拟采用3%、5%、7%、9%、11%。

(2)压实度的影响。参考路面基层实际施工的压实度，分析压实度对电石渣稳定土强度性能的影响。两种稳定土的压实度拟采用93%、95%、97%。

(3)养生温度的影响。为研究养生温度对电石渣稳定土强度的影响，确定合理的养生温度，养生温度拟采用10、15、20、25、30 ℃。

(4)龄期的影响。为研究电石渣稳定土强度随龄期延长的变化规律，龄期拟采用7、14、28、60、90、180 d。

2.2 试验方法

根据《公路工程无机结合料试验规程》(JTG E51—2009)，采用静压法成型Φ50 mm×50 mm的圆柱体试件，进行无侧限抗压强度试验分析两种电石渣稳定土的力学性能。

(1)试样制备及养护。在不同电石渣掺量下，分别对两种土样按照目标压实度成型电石渣稳定土试件。将成型好的试件用塑料袋封闭后放入养护箱(相对湿度95%以上)，在设计养生温度下养护至目标龄期。

(2)无侧限抗压强度试验。采用万能试验机测试电石渣稳定土试样的无侧限抗压强度，根据式(1)计算试样的无侧限抗压强度。

(1)

式(1)中：Rc为试件无侧限抗压强度，MPa；P为试件破坏时最大荷载，N；A为试件的截面面积，mm2。

3 电石渣稳定土的力学性能分析

3.1 电石渣掺量对稳定土性能的影响

两种稳定土在不同电石渣掺量下的无侧限抗压强度如图1所示。

图1 电石渣掺量对稳定土强度的影响Fig.1 The effect of calcium carbide slag content on the strength of stabilized soil

由图1可知，随着电石渣掺量增加，两种稳定土的无侧限抗压强度均呈现先增大后减小的趋势。当土样1的电石渣掺量达到9%时，在93%、95%、97%压实度下稳定土的抗压强度达到最大值0.62、0.82、0.93 MPa；当土样2的电石渣掺量达到5%时，在93%、95%、97%压实度下稳定土的抗压强度达到最大值0.53、0.58、0.71 MPa，可据此确定两种土样的最佳电石渣掺量分别为9%和5%。电石渣掺入后，电离出的Ca2+迅速和土体的活性SiO2和Al2O3发生化学反应，产生胶凝物质填充土体颗粒间的空隙更加密实，宏观上表现为抗压强度增加。当电石渣掺量达到一定程度后，土体中活性成分与电石渣充分反应，反应速率接近饱和，多余的电石渣胶结料消耗大量水分，进而使电石渣与土体间的反应减缓，稳定土抗压强度呈现出降低的趋势。土样1的最佳电石渣掺量更多，并且具有更高的抗压强度，这是因为黏粒(粒径小于0.005 mm的颗粒)比表面积大具有很高的活性，在与电石渣反应过程中起主导作用，而土样1具有更多的黏粒含量，强度性能更佳。

3.2 压实度对电石渣稳定土性能的影响

压实是电石渣稳定土形成强度的重要环节，不同压实度下电石渣稳定土的无侧限抗压强度如图2所示。

图2 压实度对电石渣稳定土强度的影响Fig.2 The effect of compaction on the strength of calcium carbide slag stabilized soil

由图2可以发现，对于不同土样，随着压实度的增加，电石渣稳定土的无侧限抗压强度均显著增长。压实度每增大2%，土样1的7 d无侧限抗压强度提高20%以上，土样2的7 d无侧限抗压强度平均提高10%以上，当龄期达到28 d时两种电石渣稳定土的抗压强度可提高25%。土质对电石渣稳定土的压实特性有重要影响，土样1塑性指数大易于拌和碾压成型，因而提高压实度对其强度的提升更为显著。随着压实度的增加，电石渣稳定土颗粒间的作用力加强，嵌挤紧密、空隙缩小，密度增大，其无侧限抗压强度变大。当龄期较短时，增加压实度对电石渣稳定土强度的增幅较小，这是因为前期电石渣与土物化作用进程慢，当龄期较长时压实度对于电石渣稳定土强度的提升显著。增大压实度使电石渣稳定土形成密实整体，能够有效地提高电石渣稳定土的强度。

3.3 养生温度对电石渣稳定土性能的影响

养生温度是影响电石渣与土物化反应的重要因素，不同养生温度下电石渣稳定土的无侧限抗压强度如图3所示。

图3 养生温度对电石渣稳定土强度的影响Fig.3 The effect of curing temperature on the strength of calcium carbide slag stabilized soil

从图3可以看出，随着养生温度的增加，电石渣稳定土的无侧限抗压强度均明显增长，养生温度较低时强度增幅较小。养生温度由10 ℃升高到30 ℃时，两种电石渣稳定土的抗压强度均可提高50%以上，具有相同的增长趋势。土样1的最佳电石渣掺量更高，在相同养生温度条件下，能够产生更多的胶凝物质稳定土体，因而具有更高的抗压强度。养生温度升高后，物化反应和硬化过程加快，水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体迅速覆盖在土颗粒的表面，减小了颗粒间的空隙和透水性并提高了密实度，强度增长快。当龄期变长时，稳定土的强度增幅变大，养生温度每升高5 ℃，土样1的14 d无侧限抗压强度平均升高0.14 MPa，28 d无侧限抗压强度平均升高约0.18 MPa；土样2的14 d无侧限抗压强度平均升高约0.1 MPa，28 d无侧限抗压强度平均升高约0.15 MPa。当养生温度一定时，养生龄期越长，电石渣和土体间的火山灰作用越持久，产生的胶凝物质越多，后期强度越高。一般在温度较高的夏季进行施工和养生，有利于快速形成强度。

3.4 龄期对电石渣稳定土性能的影响

电石渣稳定土需要一定的龄期形成强度，不同龄期下电石渣稳定土的无侧限抗压强度如图4所示。

图4 龄期对电石渣稳定土强度的影响Fig.4 The effect of curing time on the strength of calcium carbide slag stabilized soil

由图4可知，电石渣稳定土的强度随龄期增长而增大，两种土样的强度具有相同的增长趋势。当龄期处于7～28 d时，电石渣稳定土的强度增长迅速，这是因为前期电石渣中的Ca2+浓度高，在土中迅速扩散发生离子交换作用和结晶作用，能够快速形成早期强度。当龄期处于28～90 d后，电石渣稳定土的强度增长变缓，这是因为火山灰作用发展缓慢，产生的水化硅酸钙、铝酸钙晶体较少，形成强度较慢。当龄期达到90 d后，电石渣稳定土的强度基本形成，强度增长趋于稳定。随着龄期增长，物化反应持续进行，电石渣稳定土的强度仍会进一步增长，但速率变缓。在施工过程中，一定要保证足够的龄期形成强度。

3.5 基于压实和养生的强度预估模型

压实和养生对电石渣稳定土的强度形成具有重要影响。结合前文对压实度、养生温度和龄期三种因素的分析，建立了电石渣稳定土强度预估模型：

Rc=(a1K+a2)(a3T2+a4T+a5)(a6+e-a7t)

(2)

式(2)中：K为压实度，T为养生温度，t为龄期，a1～a7为待定系数。利用1 stOpt数学优化分析软件对强度预估模型进行回归拟合，预估模型计算值与实际值变化曲线如图5所示，两种电石渣稳定土的强度的拟合公式如表4所示。

图5 电石渣稳定土强度预估模型回归结果Fig.5 Regression results of prediction model for the strength of calcium carbide slag stabilized soil

由试验数据拟合得到的经验公式对于两种土样都具有较好的相关性，可以有效表征电石渣稳定土的强度。根据建立的模型可以发现，增加压实度和养生温度、延长龄期可以提高电石渣稳定土的无侧限抗压强度，同一因素对于两种稳定土强度的影响程度不同，增加压实度和养生温度对于土样1的强度提高效果更佳，延长龄期对于土样2的强度提高效果更好。在施工过程中可以调整压实度和养生条件来满足电石渣稳定土的强度要求。

表4 电石渣稳定土强度拟合公式Table 4 Fitting formula for the strength of calcium carbide slag stabilized soil

4 结论

通过室内试验，研究了4种因素对电石渣稳定土性能的影响，得到了以下结论。

(1)在压实度一定时，电石渣稳定土的强度随着电石渣掺量增加呈现出先增大后减小的趋势，土样1的最佳电石渣掺量为9%左右，土样2的最佳电石渣掺量为5%左右。

(2)随着压实度的增加，电石渣稳定土的无侧限抗压强度增大。在最佳电石渣掺量下，压实度每提高2%，两种电石渣稳定土的7 d无侧限抗压强度分别提高20%和10%以上。为满足道路底基层的强度要求，在电石渣稳定土施工时必须严格控制压实度，土样1的压实度应不低于95%，土样2的压实度应不低于97%。

(3)随着养生温度的升高，电石渣与土体的反应过程加快，稳定土的无侧限抗压强度增大。养生温度由10 ℃升高到30 ℃时，电石渣稳定土的抗压强度可提高50%以上。提高养生温度可以加快电石渣稳定土强度的形成，施工结束后土样1的养生温度应在10 ℃以上，土样2的养生温度应在20 ℃以上。

(4)电石渣与土发生的火山灰反应进程缓慢，其强度在较长龄期内始终保持增长，但前期增长速度大于后期。

(5)基于压实和养生建立的电石渣稳定土强度预估模型具有较高的拟合精度，可为电石渣稳定土的施工提供依据。