內(nèi)蒙煤矸石在改良膨脹土早期強(qiáng)度上的應(yīng)用

康雪成，張 雁，朱志琪，陳哲路，郭利勇

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018;2.包頭市市政工程管理局，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 前言

煤矸石是在煤形成的過(guò)程中，與煤伴生的一種相對(duì)較堅(jiān)硬的黑色巖石，其含碳量比較低，在自然堆積容易發(fā)生自燃，并在自燃過(guò)程排中放出一些CO2、SO2和氮氧化物等氣體，以及煤矸石中的重金屬與水易產(chǎn)生酸性溶液，會(huì)對(duì)空氣、土地等產(chǎn)生很大的污染［1］，鑒于內(nèi)蒙古巨大的煤炭產(chǎn)量，其排放的大量煤矸石的處理利用問(wèn)題也成為一個(gè)焦點(diǎn)。

膨脹土是道路工程中常見(jiàn)的一種特殊性質(zhì)土，被認(rèn)為是工程建設(shè)中的“癌癥”。根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，如果采用弱、中膨脹土修筑路基則必須采取相關(guān)處理措施，目前最常采用的措施是石灰改良膨脹土，一般石灰摻量在5%左右［2－7］，石灰改良膨脹土的機(jī)理主要是石灰摻入膨脹土后發(fā)生離子交換作用、膠結(jié)作用、絮凝作用、碳化作用［8］，但石灰改良膨脹土由于其膠凝作用慢，因此前期強(qiáng)度較低［5］。因此結(jié)合內(nèi)蒙古本地煤矸石分布量大的情況，擬采用煤矸石和石灰對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，這不僅能夠起到改良膨脹土的目的，同時(shí)能夠就地取材，降低工程造價(jià)，以及起到保護(hù)環(huán)境的作用。本文通過(guò)對(duì)在石灰、石灰煤矸石不同摻量下的改良膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析在石灰中摻入煤矸石后對(duì)石灰改良土的早期抗剪強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的膨脹土土樣顏色為灰色，有滑感，粘土質(zhì)較重，肉眼可看到少量的白色鈣質(zhì)結(jié)核。試驗(yàn)用膨脹土基本性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 膨脹土的基本指標(biāo) %

由表1 可知該膨脹土的液限為56%，塑限為23.77%，塑性指數(shù)為31.07，自由膨脹率為56%，將結(jié)果與公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范和膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范對(duì)照，可以綜合確定該膨脹土為弱膨脹土。

本試驗(yàn)所采用的煤矸石來(lái)自?xún)?nèi)蒙古烏海煤礦礦區(qū)，煤矸石質(zhì)地較堅(jiān)硬，呈現(xiàn)灰黑色，成片麻狀，其成分分析結(jié)果和基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2 和表3，石灰成分見(jiàn)表4。

表2 煤矸石的化學(xué)成分及含量 %

表3 煤矸石的物理指標(biāo) %

表4 石灰的成分及含量 %

2 石灰煤矸石改良膨脹土的性質(zhì)試驗(yàn)

2.1 石灰煤矸石改良膨脹土液塑限試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用的石灰、煤矸石、膨脹土均過(guò)5 mm篩，然后將石灰按照占干混合料的4%、5%、6%進(jìn)行制備試樣，將石灰煤矸石與膨脹土的比例(干土質(zhì)量比)按照4 ∶8 ∶88、5 ∶10 ∶85、6 ∶12 ∶82 這3組制備試樣，將制備好的土樣進(jìn)行悶料24 h 后，采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法進(jìn)行液塑限試驗(yàn)，結(jié)果如表5。

表5 液塑限試驗(yàn)結(jié)果 %

試驗(yàn)結(jié)果表明在摻入相同石灰量時(shí)，對(duì)于改善膨脹土的液塑限石灰土、石灰煤矸石土都起到一定的作用，都是降低了液限，提高了塑限，降低了塑性指數(shù)，但石灰煤矸石所起到的作用要大于只摻入石灰時(shí)的膨脹土，說(shuō)明在石灰中摻入煤矸石后的改良膨脹土的效果得到提升。

2.2 石灰煤矸石改良膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)摻量石灰土、石灰煤矸石土按照T－0131－2007 方法［9］進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，選取干法備料，然后將備好的土樣養(yǎng)護(hù)24 h 后，采用重型擊實(shí)法進(jìn)行試驗(yàn)。所用擊實(shí)儀器為重型電動(dòng)擊實(shí)儀，試筒內(nèi)徑為10 cm，高12.7 cm，容積997 cm3。試驗(yàn)所得擊實(shí)曲線(xiàn)如圖1，結(jié)果如表6 所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在摻入石灰、石灰煤矸石后，膨脹土的最佳含水率隨摻量的增大減小，最大干密度都相應(yīng)的變大，但無(wú)明顯規(guī)律，且在最佳含水率的改良效果上，石灰煤矸石的效果明顯優(yōu)于只摻入石灰。

2.3 石灰煤矸石改良膨脹土的直剪試驗(yàn)

2.3.1 養(yǎng)護(hù)齡期1 d 的直剪試驗(yàn)

圖1 膨脹土及改良土的擊實(shí)曲線(xiàn)

表6 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同摻量下的石灰土、石灰煤矸石土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試件壓實(shí)度控制在93%以上(控制方法采用質(zhì)量控制，根據(jù)最大干密度和配制土樣的含水率以及環(huán)刀的體積求出93%壓實(shí)度下所需要的土的質(zhì)量，再將兩個(gè)環(huán)刀背靠背疊放在一起，將所需土樣倒入疊好的環(huán)刀后，將一與環(huán)刀內(nèi)徑、高度相同的鐵塊擊實(shí)打入環(huán)刀內(nèi)，直到鐵塊頂面與環(huán)刀頂面相平為止)，將備好的土料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)24 h 后，制作試件，進(jìn)行直剪(快剪)試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用南京土壤儀器有限公司生產(chǎn)的ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀，試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系如圖2 所示。

圖2a ～圖2g 可以發(fā)現(xiàn)擬合方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.94，說(shuō)明數(shù)據(jù)符合良好的線(xiàn)性關(guān)系，因此由抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線(xiàn)可以得到不同摻量下的強(qiáng)度指標(biāo):內(nèi)摩擦角、粘聚力，其結(jié)果如表7 所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在膨脹土中摻入石灰后，其內(nèi)摩擦角、粘聚力隨著摻入量的增加而增大;在膨脹土中摻入石灰煤矸石后，其內(nèi)摩擦角較石灰土的內(nèi)摩擦角有一定增大，但粘聚力先增大后減小。

2.3.2 養(yǎng)護(hù)齡期7 d 的直剪試驗(yàn)

將制作好的直剪試件密封，放在25 ℃，濕度98%以上，養(yǎng)護(hù)7 d，然后再做快剪試驗(yàn)。試驗(yàn)得到垂直壓力為50 kPa 下的抗剪強(qiáng)度，結(jié)果如表8 所示。

圖2 不同摻量下的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線(xiàn)

表7 直剪試驗(yàn)結(jié)果

表8 抗剪強(qiáng)度

通過(guò)表8 試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在對(duì)試件養(yǎng)生7 d后，石灰膨脹土和石灰煤矸石膨脹土在垂直壓力為50 kPa 時(shí)所得到的抗剪強(qiáng)度相近，這說(shuō)明在養(yǎng)護(hù)7 d后的改良效果相近，但石灰煤矸石在改良膨脹土的早期強(qiáng)度上有較好的效果。

3 結(jié)果討論

1)在膨脹土中摻入石灰、石灰煤矸石后，其液限降低，塑限升高，這說(shuō)明加入石灰、石灰煤矸石后使得膨脹土由高塑性土變?yōu)樗苄暂^低的土，使得工程特性更加穩(wěn)定。其原因是:石灰的主要成分為CaO，石灰與水接觸會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2，又在水中發(fā)生電解反應(yīng)，形成Ca2+，相對(duì)高價(jià)的Ca2+通過(guò)離子交換作用置換出粘土顆粒(晶格)Na+與K+。通過(guò)離子交換作用能有效降低土的塑性指數(shù)［8］;在加入煤矸石后，由于煤矸石含有一定量的CaO、MgO 成分，這也會(huì)發(fā)生離子交換作用;并且加入石灰煤矸石后，在同質(zhì)量的情況下，降低了膨脹土中粘粒所占，增加了粉粒、砂粒的比例，降低了膨脹土的親水性。

2)在摻入石灰、石灰煤矸石后，膨脹土的最佳含水率隨摻量的增大而減小，其原因是:①在一定的擊實(shí)功下，加入煤矸石顆粒可以改變?cè)瓲钔林蓄w粒分布，增大了膨脹土中粗顆粒的含量，使得其更容易達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，從而降低了最佳含水率;②膨脹土中摻入石灰、煤矸石，會(huì)增加孔隙水溶液中陽(yáng)離子濃度，使得土顆粒表面的雙電層中的陽(yáng)離子濃度也相應(yīng)增加，會(huì)導(dǎo)致雙電層變薄，最終結(jié)果是土顆粒間距縮小，使其更易達(dá)到密實(shí)，最佳含水率降低。

3)摻入石灰煤矸石后，膨脹土內(nèi)摩擦角和粘聚力有了很大程度的提高，其原因是有三點(diǎn):①加入石灰后，會(huì)發(fā)生離子交換反應(yīng)，反應(yīng)的后期膨脹土中的硅膠、鋁膠將與石灰進(jìn)一步反應(yīng)形成含水CaSiO3和CaO·Al2O3，這兩種物質(zhì)具有較強(qiáng)的粘結(jié)力;②在摻入煤矸石顆粒后，膨脹土中的粗顆粒含量增多，導(dǎo)致其內(nèi)摩擦角增大;③煤矸石含有大量活性SiO2和Al2O3，在石灰存在的情況下，水化生成膠凝性物質(zhì)、膠結(jié)膨脹土顆粒，增大了其粘聚力。

但隨著煤矸石摻量的增多，導(dǎo)致膨脹土中的粗顆粒過(guò)多，從而粘聚力出現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。而內(nèi)摩擦角的減小則是因?yàn)槠洚a(chǎn)生了膠凝性物質(zhì)，將煤矸石顆粒包裹，因此在一定程度上減小了其表面粗糙度，導(dǎo)致了內(nèi)摩擦角隨煤矸石摻量增多有了一定量的減小。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)和分析，可以得出如下結(jié)論:

1)在石灰中摻入煤矸石后再改良膨脹土，降低了液限，提高了塑限，降低了膨脹土的塑性指數(shù)，但石灰煤矸石所起到的作用要大于只摻入石灰時(shí)的膨脹土，說(shuō)明在石灰中摻入煤矸石后的改良膨脹土的效果得到提升。

2)采用石灰煤矸石改良膨脹土，在改善其最佳含水率方面的效果要優(yōu)于只摻入石灰的膨脹土。

3)摻入石灰煤矸石后膨脹土的抗剪強(qiáng)度有了明顯有改進(jìn)，提高了石灰改良膨脹土早期強(qiáng)度，同時(shí)也達(dá)到了就地取材，廢物利用，保護(hù)環(huán)境的目的。

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