碱渣土的击实特性*

刘 华，梁 腾，赵晓晴,3，岳志才，邵剑涛，李咏阳

(1.江苏海洋大学 土木与港海工程学院，江苏 连云港 222005；
2.连云港市铁路事业发展中心，江苏 连云港 222002；
3.江苏省海洋资源开发研究院，江苏 连云港 222005；
4.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102)

碱渣是氨碱法生产纯碱过程中蒸氨废液经沉淀而产生的白色固体，其微观结构表面粗糙、孔隙较大，呈蜂窝状[1-2]，压缩性高，吸水性大。以碳酸钙、硫酸钙及铁、铝、硅等氧化物为主，自身可以构成土的骨架[3]，常与其他材料拌合形成碱渣土，被用作工程填垫材料[4-8]。

本文利用不同比例的碱渣、粉煤灰拌合黏土形成碱渣土，通过击实试验对碱渣及碱渣土的击实特性展开研究。击实试验是实现土压实性的重要方法，而压实性对土的工程性质起着决定性作用[9]，是保证工程土强度和稳定性的前提，也是施工验收的评定标准之一。影响击实的因素有很多，包括击实材料的颗粒级配、含水率、击实功、土样有机质等[10]。不同土样的击实曲线有所不同，黏土的击实曲线呈明显的上凸单峰状；
风积沙的击实曲线呈凹型[11]。不同土样的击实效果也各不相同。砂砾的击实效果表现为随着粗颗粒含量的增加，最大干密度先增加后减小，而最优含水率却一直减小[12]，并会存在一个最优含石量[13]。碱渣具有粉土性质，粉煤灰类似于砂性特征，对于碱渣及碱渣、粉煤灰拌合黏土形成的碱渣土进行击实试验研究具有必要性，能够为进一步开展碱渣及碱渣土力学性质试验及工程应用提供参考。

碱渣取自连云港碱业有限公司，为压滤后的块状，烘干后呈白色，化学组分以氧化钙、氧化镁为主。粉煤灰是连云港碱业有限公司生产纯碱过程中排出的另一种废渣，外观呈灰黑色，由细小的颗粒组成，主要化学成分为活性氧化钙、氧化铝等。黏土取自连云港，碾碎过5 mm筛，最大干密度为1.738 g/cm3，最优含水率为19.9%。各材料的物理性质如表1所示。碱渣的化学组分如表2所示。

表1 试验材料物理性质

表2 碱渣化学组分

2.1 试验方案

对碱渣和碱渣拌合土展开击实试验，碱渣、粉煤灰拌合黏土的配比如表3所示，表中各材料占比均为质量分数。

表3 碱渣土配比

2.2 试验方法

采用重型击实试验[14]，锤质量为4.5 kg，落高为45 cm，击实试样体积为997 cm3，每个试样分5层击实，每层击27次。在击实前按照四分法每组配比以不同的含水率制备不低于5个试样，每组拌合时的含水率以2%～4%递增，并进行闷料24 h。

击实试验需根据不同含水率试样所对应的干密度线绘制击实曲线，同时绘制饱和曲线[14]。通过击实曲线中的峰值点确定最大干密度和对应的最优含水率，但是击实曲线中的峰值点并不能简单地理解为数据最高点[15]。击实曲线的绘制从过去的“图解法”，到如今利用Excel，Matlab，Origin以及SPSS等软件进行插值与拟合，减少了人为误差，使得试验结果更加精确。本文采用SPSS软件对击实数据进行二次和三次多项式拟合，通过对自变量系数显著性分析(Sig)以及拟合优度统计量R2比较，得出较优模型。当显著性系数≤0.05时表明能够达到统计学上的显著性，具有统计学意义，证明回归方程有效；
R2为回归平方和与总平方和的比值，是度量回归模型优劣程度的指标，R2越接近1表明拟合的模型越优。利用较优模型求出各组最优含水率和最大干密度，并进行分析。

3.1 碱渣击实结果分析

碱渣击实结果如表4所示。含水率作为自变量，干密度作为应变量，通过SPSS软件进行二次函数和三次函数曲线模型拟合，并根据拟合优度统计量R2及显著性分析，比较二次函数和三次函数拟合效果，拟合曲线如图1所示。

表4 碱渣击实干密度和含水率

图1 碱渣击实拟合曲线

碱渣的击实曲线为开口向下的单峰值曲线。根据拟合结果(如表5和表6所示)可知，二次函数的一次项和二次项显著性系数均小于0.05，三次函数的二次项和三次项显著性系数也均小于0.05，说明模型成立的统计学意义显著，表明二次函数和三次函数的拟合结果均是可行的[16]。但从拟合优度的统计量R2分析(见表7)，三次函数R2(0.981)略大于二次函数R2(0.976)，说明三次函数拟合曲线略优于二次拟合函数曲线。根据三次函数拟合曲线结果求出碱渣最大干密度为1.129 g/cm3，最优含水率为41.33%。

表5 二次函数拟合系数分析表

表6 三次函数拟合系数分析表

表7 模型摘要

3.2 碱渣土击实结果分析

3.2.1 击实结果SPSS拟合分析 对不同配比的碱渣土进行击实试验，通过SPSS软件对其击实结果进行二次函数和三次函数的拟合。通过拟合曲线(如图2所示)可以看出，不同比例拌合的碱渣土击实曲线都呈开口向下的单峰值曲线。除S5组在利用二次函数进行击实曲线拟合时拟合曲线与饱和曲线出现相交，其余各组实测点数据均能够通过二次函数和三次函数进行有效拟合。通过对统计量R2(如表8所示)进行分析发现，三次函数R2值除S8组略小于二次函数R2值，其他组均大于二次函数R2值，表明碱渣土击实曲线利用三次函数拟合较优于二次函数拟合效果。

表8 碱渣土各组统计量R2值

S1击实拟合曲线

3.2.2 最大干密度与最优含水率分析 利用三次函数模型所拟合的击实曲线结果，计算出各组碱渣土的最大干密度及其所对应的最优含水率，如表9所示。

表9 碱渣土各组最大干密度与最优含水率

碱渣土各组中，最大干密度最高的是S1组，为1.437 g/cm3；
最低的是S9组，为1.201 g/cm3。由图3可以看出，在粉煤灰掺量一定的情况下，随碱渣掺量的增加、黏土掺量的减少，最大干密度呈阶梯状逐渐下降。碱渣孔隙多质量轻，最大干密度仅为1.129 g/cm3，而黏土干密度为1.738 g/cm3，相对较大，所以碱渣掺量增多、黏土掺量减少，碱渣土最大干密度也会相应减小。在碱渣掺量一定的情况下，碱渣土最大干密度随着黏土掺量减少、粉煤灰掺量增多也呈不断下降趋势。由于粉煤灰的比重远小于黏土，黏土掺量减少对最大干密度的影响远大于粉煤灰掺量增加。当碱渣掺量达70%时，碱渣土最大干密度仅为1.201～1.291 g/cm3，相比于普通填土其质量轻，能够有效减少20%～30%的自重，降低因自重而产生的附加应力，增加填料结构的稳定性。

由图3可以看出，碱渣土最优含水率随着碱渣掺量的增多呈现明显上升趋势。碱渣本身具有较强的吸水性，碱渣多以粉状颗粒为主，击实时颗粒间发生移动，为了克服粒间引力和摩阻力，使松散的结构变得密实需要更多的水。当碱渣掺量达到70%时，所对应的最优含水率均在30%以上。通过压滤设备压滤后的碱渣含水率通常在40%～50%，与最优含水率较为接近，通过简单的翻拌、晾晒容易达到最优含水率状态，便于现场施工拌合与碾压。

图3 碱渣土最大干密度与最优含水率

通过对碱渣与碱渣土击实试验及其结果拟合分析，可得：

(1)碱渣、粉煤灰拌合黏土形成的碱渣和碱渣土的击实曲线均呈开口向下单峰值曲线，利用三次函数拟合形成的击实曲线优于二次函数。

(2)碱渣土最大干密度随着碱渣掺量的增加逐渐降低，相比于普通填料其质量轻、自重小。当碱渣掺量达70%时碱渣土轻质性更为突出，而此时所对应的最优含水率均为30%以上，压滤后的碱渣通过翻拌、晾晒能够容易达到所对应的最优含水率状态，便于施工的拌合与碾压。