油污泥热解残渣改良新疆盐渍土回弹模量试验研究

2022-09-14冉武平李世彤陈远国

公路工程 2022年4期

冉武平，李世彤，陈远国

(1.新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830017;2.新疆土木工程技术研究中心,新疆乌鲁木齐 830047；3.新疆锦恒利废矿物油处置有限公司,新疆乌鲁木齐 830091)

0 引言

据2015年第二次全国土壤普查资料显示，新疆地区盐渍土面积约占我国盐渍土面积的45.7%，盐渍土严重制约着新疆公路基础建设的步伐，盐渍土的处治严重影响路基质量[1]，也是公路施工质量保障的一个重要环节[2]。要想加速公路在此地区的发展，首先要解决的就是盐渍土路基所带来的一系列问题，目前新疆地区改良盐渍土常用的换填等方式存在运距远、造价高且易造成次生盐渍化[3]等工程实际问题，将热解后的油污泥热解残渣用于配制路基材料，不仅能够提高盐渍土的强度[4-5]，而且能够弥补换填用量大成本高的缺陷，亦能达到废物利用的目的，同时还可为油污泥热解残渣的资源化利用提供一种有效方法。因此本文通过回弹模量试验，研究不同油污泥热解残渣掺配比对不同类型盐渍土的影响，并提出较优掺配比，以期在推动油污泥热解残渣资源化利用发展进程的同时，为其应用于公路路基材料领域提供参考经验。

1 试验

由于新疆地区平原盆地面积占新疆总面积的51.8%[6]，而平原盆地边缘是以巨粒土和粗粒土为主的戈壁天然砂砾[7]，因此本文为更加贴近公路建设实际，决定选用自配粗粒砾类盐渍土展开后续研究，土样基本性质指标与级配见表1。盐渍土作为工程中的一种特殊类型土，在《新疆盐渍土地区公路路基路面设计与施工规范》等规范[8]与参考文献[9]中都有定义，盐渍土指易溶盐含量大于0.3%，并具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性的岩土。以新疆某地区为例，年均降水量为40～82 mL，年均蒸发量为1 800～2 560 mL[10]，由此发现新疆地区降雨量少且蒸发量大的特殊气候特征，会使得地层土体存在大量随水盐迁移与强蒸发作用滞留在土体中的易溶盐含量大于0.3%的盐颗粒，所以本试验选取规范[11]中弱、中、强盐渍土开展试验工作，盐以质量百分比的方式添加。盐选用天津永晟精细化工有限公司生产，氯盐与硫酸盐的pH(50 g/L，25 ℃)为5～8，主要技术指标见表2。

表1 自配土基本性质指标及级配Table 1 Basic property index and gradation of self-distributed soil

表2 盐主要技术指标Table 2 Main technical indexes of salt %

截至到2015年新疆各油田累计产生油污泥已经达到1.66×105m3，且仍在逐年增加[12]。油污泥热解残渣是由油污泥通过热解法处理后残余的主要产物，针对油污泥热解残渣的资源化利用,现有研究主要集中在吸附剂、催化剂、絮凝剂和制取富氢燃气等方面[13]。然而这些资源化利用方式并不能高效利用油污泥热解残渣，导致大量的油污泥热解残渣被任意堆放，继而对周边环境造成污染，将油污泥热解残渣用于制备路基材料是较好的变废为宝的技术措施。试验所用油污泥热解残渣取自新疆锦恒利废矿物油处置有限公司，为灰棕色固体，如图1所示，其主要化学成分与粉煤灰类似[5]，具体如下：Al2O3为14.5%，Fe2O3为5.03%，CaO为5.26%，SiO2为54.2%，BaO为2.7%，Na2O为1.5%，SO3为3.52%，Loss为12.95%。无害化处理样品检测结果如下：六价铬<2 mg/kg，铜43.2 mg/kg，锌114 mg/kg，镍44.5 mg/kg，铅15.3 mg/kg，镉2.48 mg/kg，砷4.04 mg/kg，苯并笓<0.66 mg/kg，含油率0.816%，该样品检测结果符合DB 65/T 3998-2017《油气田含油污泥综合利用污染控制要求》中污染物限值要求，是一种可直接利用且对周边环境无不良影响的改良材料。

图1 油污泥热解残渣Figure 1 Pyrolysis residue of oily sludge

路基回弹模量试验是我国路面设计重要力学参数，路基回弹模量对路面结构强度、刚度、稳定性、使用性能和使用寿命起着十分重要的作用[15]，因此选取土的回弹模量试验对改良盐渍土进行评价与分析。试验方案见表3，为适用不同地区盐渍土盐渍化程度的差异，方案中含盐量选取JTG D30-2015《公路路基设计规范》[11]中对盐渍土按盐渍化程度进行分类后不同盐类型粗粒土的弱盐渍土、中盐渍土和强盐渍土含盐量作为试验掺量；方案中油污泥热解残渣掺量从0%开始，以5%递增。

表3 试验方案Table 3 Test plan

1.1 击实试验

根据JTG D30-2015《公路路基设计规范》[11]，压实度94%能够满足三、四级公路路床和高速公路、一级公路与二级公路路堤压实度需求，因此本文控制压实度为94%。高志伟[16]等分别选取新疆地区东疆、北疆、南疆各典型路段埋设湿度传感器对公路路基含水量年变化规律进行监测，发现3个区域中在新疆喀什地区存在含水量最大值8.2%，因此本文选定最不利含水率8%作为室内试验自配土最大含水率开展击实试验。根据JTG E40-2007《土工试验规程》[17]确定采用重型击实法，分3层击实，击实结果见图2。由图2可看出自配土的最佳含水率为6%，最大干密度为2.36 g/cm3。

图2 击实试验结果Figure 2 Compaction test results

1.2 土的回弹模量试验

试验采用JTG E40-2007《土工试验规程》[17]中的强度仪法对改良盐渍土开展研究，许文辉[18]等专门针对新疆砾类土进行回弹模量研究，发现砾类土回弹模量范围在84～125 MPa之间，且在最佳含水率下进行击实，能够使得强度更为稳定。因此本试验用最佳含水率下击实后的试件开展回弹模量试验，将击实后的试件和试筒放在强度仪的升降台上，将强度仪的贯入杆对正，首先进行预压，这一步骤主要目的是模拟施工期间路用材料所承受的应力，以消除压实和反复加卸载等差异因素的影响，从而降低回弹模量的变异性[19]。预压过后将预定的最大压力分为4～6份进行逐级加载、卸载过程并记录数据。回弹模量按式(1)进行计算，最终回弹模量为3组平行试验的平均值。

(1)

2 试验结果与分析

2.1 油污泥热解残渣掺量对改良盐渍土影响结果与分析

油污泥热解残渣掺量与改良氯盐渍土和硫酸盐渍土回弹模量关系结果见图3和图4。

图3 残渣掺量与氯盐渍土回弹模量关系Figure 3 The relationship between residual content and resilience modulus of chlorine saline soil

由图3可看出：所有氯盐渍土试件回弹模量均大于84 MPa，与许文辉[18]等研究规律类似，回弹模量满足规范要求。从柱状图可看出掺加油污泥热解残渣可显著提高氯盐渍土回弹模量，回弹模量随油污泥热解残渣掺量地增加呈现先增长后降低的变化趋势，残渣掺量在0%～5%阶段对回弹模量提升较为显著，而在5%～10%阶段提升作用减缓，在10%～15%阶段出现下降趋势。SAYED[20]等研究了原油对于不同类型岩土的力学性能的影响，发现会由于油等烃类流体的低介电常数导致土样的黏聚力增加。因此认为当残渣掺量由0%不断增长到10%的过程中，由于含油量的增加使得粗粒土黏聚力得到大幅改善，并且油污泥热解残渣成分与粉煤灰类似，改良中存在一些相似的物理化学作用[21-22]从而使回弹模量有较大提升。分析试验数据可知，当氯盐含量为2%时，不同残渣掺量的改良土回弹模量较自配土分别增加了12.6%、34%、23.2%；当氯盐含量为5%时，不同残渣掺量的改良土回弹模量较自配土分别增加了10.3%、14.8%、12.5%；当氯盐含量为8%时，不同残渣掺量的改良土回弹模量较自配土分别增加了51.3%、57.2%、51.2%。其中油污泥热解残渣掺量对氯盐渍土的提升存在一个峰值，由本试验确定该值存在于10%处。

图4 残渣掺量与硫酸盐渍土回弹模量关系Figure 4 The relationship between the amount of residue and the resilience modulus of sulfuric acid saline soil

由图4可看出：所有硫酸盐渍土试件回弹模量均大于84 MPa，回弹模量满足规范要求，油污泥热解残渣的掺加显著提高了硫酸盐渍土回弹模量，其回弹模量随油污泥热解残渣掺量的增加，而呈现先增加后降低的变化趋势，且规律与氯盐较为一致，均在残渣掺量为0%～5%阶段回弹模量提升较为显著，而在5%～10%阶段提升作用减缓，在10%～15%阶段出现下降趋势。分析试验数据可知，当硫酸盐含量为1.5%时，不同残渣掺量的改良土回弹模量较自配土分别增加了54.8%、60.6%、54.1%；当硫酸盐含量为3%时，不同残渣掺量的改良土回弹模量较自配土分别增加了51.5%、73.6%、71.5%；当硫酸盐含量为6%时，不同残渣掺量的改良土回弹模量较自配土分别增加了88.9%、92%、67.3%。其中油污泥热解残渣掺量对硫酸盐渍土的提升存在一个峰值，由本试验确定该值存在于10%处。

2.2 盐含量对改良盐渍土影响结果与分析

盐含量与改良氯盐渍土、硫酸盐渍土回弹模量关系结果见图5和图6。

图5 盐含量与氯盐渍土回弹模量关系Figure 5 Relationship between salinity and resilience modulus of chlorine saline soil

由图5可看出：掺加油污泥热解残渣后的氯盐渍土回弹模量均大于自配土，说明掺加油污泥热解残渣能够有效提升粗粒土的回弹模量；结合图3不难发现,中氯和强氯盐渍土的回弹模量本就大于弱氯盐渍土，说明氯盐渍土的回弹模量本身就会随着盐含量的增加而提升；当氯盐含量小于2%时，油污泥热解残渣改良盐渍土的改良效果不明显，使得这一阶段回弹模量与盐含量负相关，当氯盐含量大于2%时，油污泥热解残渣改良盐渍土的改良效果，随着含油量和物理化学作用的提升，使得这一阶段回弹模量与盐含量呈现正相关。回弹模量随盐含量的增加而逐渐增强这一规律与MIURA[23]、ONITSUKA[24]和MOHD YUNUS[25]等采用水泥或石灰对盐渍土进行改良试验发现的规律基本一致，与徐安花[26]等对青海地区盐渍土回弹模量研究得出的回弹模量随盐含量的增长逐渐上升的规律一致。

由图6可看出：掺加油污泥热解残渣后的硫酸盐渍土回弹模量均大于自配土，说明掺加油污泥热解残渣能够有效提升粗粒土的回弹模量，由图可以发现不同油污泥热解残渣掺量的改良土，其回弹模量均随含盐量的增加呈现先增大后减小,最终趋于平缓的趋势，由本试验发现回弹模量与盐含量的关系存在一个临界值，本文确定该值存在于1.5%含量处，LV[27]等研究含盐量对经过不同固化剂固化后的硫酸盐渍土无侧限抗压强度的影响时，发现固化土的无侧限抗压强度峰值出现在1.8%含盐量处，这一结论与本试验规律较为相似。