煤矸石粉摻量對(duì)花崗巖殘積土的抗壓性能研究

俞旺新，張恩

(1.中山大學(xué) 地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院， 廣東 廣州 510275；2.廣東地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510275)

0 引言

花崗巖殘積土的分布范圍廣，其主要特征之一為表層厚度大[1-2]，不同地區(qū)花崗巖殘積土的工程特性差異較大[3]，具有一定的區(qū)域性[4]，花崗巖殘積土天然狀態(tài)下具有較好的力學(xué)特性，不過(guò)在遇水后容易出現(xiàn)崩解、軟化相關(guān)的變化，且表現(xiàn)出易擾動(dòng)、擾動(dòng)后結(jié)構(gòu)性較差等特點(diǎn)[5-7]。因此花崗巖殘積土工程特性較差，為提高其工程特性，可采用水泥、土壤固化劑、石灰等材料來(lái)改善。

煤矸石屬于一種常見(jiàn)的固體廢棄物，在煤礦開(kāi)采中會(huì)大量出現(xiàn)，化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3等氧化物以及微量的稀有金屬元素。其含有很多Ca2 +、Al3 +、Mg2 +等高價(jià)離子，化學(xué)成分與石灰相似，具有一定的活性。因此可以參考石灰改良不良土體的機(jī)理[8-11]，將磨細(xì)煤矸石粉作為一種外加劑按不同的摻量摻到不良土體中，以期達(dá)到改善不良土體的效果[12],提高花崗巖殘積土的抗壓強(qiáng)度[13-16]。

在工程領(lǐng)域，煤矸石粉在花崗巖殘積土改良方面應(yīng)用較少。本文以煤矸石粉為摻合料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水泥、石灰等進(jìn)行花崗巖殘積土的改良試驗(yàn)，研究不同煤矸石粉摻入量與不同齡期下的花崗巖殘積土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，探討煤矸石粉摻量與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)花崗巖殘積土的影響，以期促進(jìn)煤矸石粉的工程實(shí)際應(yīng)用[17]。

1 試樣采集與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土選取中山地區(qū)坦洲快速公路施工試驗(yàn)段的花崗巖殘積土，樣品為棕黃色，稍濕，有一定塑性，有砂感。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 (GB/T 50123—1999)[18]進(jìn)行了天然含水率、天然密度、孔隙比、液塑限以及壓縮等試驗(yàn)， 土料的主要物理參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 花崗巖殘積土基本參數(shù)

試驗(yàn)用煤矸石粉為某摻和料廠提供過(guò)篩300目的磨細(xì)煤矸石粉。

1.2 試驗(yàn)方案

為了能定量研究煤矸石粉改良花崗巖殘積土的抗壓強(qiáng)度特性，對(duì)不同煤矸石粉摻量的花崗巖殘積土試樣進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中改變齡期和煤矸石粉摻量等參數(shù)，而開(kāi)展平行試驗(yàn)，煤矸石粉摻入比分為9 %、12 %、15 %、18 %，養(yǎng)護(hù)齡期為14、21、28、35 d。

1.3 試驗(yàn)方法

取花崗巖殘積土樣置于烘箱連續(xù)烘干時(shí)間超過(guò)8 h，碾碎、過(guò)5 mm篩。進(jìn)行制樣過(guò)程中應(yīng)用了擊樣法，進(jìn)行5層擊實(shí)，各層樣品量保持一致，基于相應(yīng)的摻入比，控制含水率為20 %，制備的樣品高100 mm，直徑50 mm，試樣質(zhì)量控制在400 g左右。試樣做好后馬上用保鮮膜與錫紙包裏覆蓋，然后放入到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

選擇萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的性能，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置升降板速率為2.0 mm/min，八分鐘內(nèi)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究煤矸石粉摻量對(duì)花崗巖殘積土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，分別對(duì)煤矸石粉摻量為9 %、12 %、15 %和18 %的花崗巖殘積土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取其抗壓強(qiáng)度峰值為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同摻入量、養(yǎng)護(hù)天數(shù)條件下無(wú)側(cè)限抗壓峰值強(qiáng)度數(shù)據(jù)

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

不同摻量、養(yǎng)護(hù)天數(shù)條件下花崗巖殘積土應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示，試樣由于在軸向應(yīng)力的加載下，除開(kāi)始時(shí)有少量體積壓縮外，發(fā)生明顯的體脹，土體顆粒相互位置發(fā)生變化，土體偏差應(yīng)力增加而引起軸向應(yīng)變的增加，使土體顆粒間間隙縮小或增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變?nèi)趸汀?4 d齡期時(shí)，9 %、12 %與18 %摻量條件下，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度差異不明顯，與15 %摻量殘積土應(yīng)力應(yīng)變曲線間隔較大；21 d齡期時(shí)，9 %與18 %摻量殘積土應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎重合，兩者強(qiáng)度接近，而與12 %、18 %的相差較大；28 d齡期時(shí)，應(yīng)變前期18 %摻量殘積土強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，其次為9 %摻量殘積土，其它兩者較接近，四者應(yīng)力應(yīng)變曲線間隔較大；35 d齡期時(shí)，前期9 %摻量殘積土增長(zhǎng)最快，15 %摻量殘積土后期增長(zhǎng)強(qiáng)勁。

(a) 不同煤矸石粉摻量的花崗巖殘積土14 d應(yīng)力應(yīng)變曲線

(b) 不同煤矸石粉摻量的花崗巖殘積土21 d應(yīng)力應(yīng)變曲線

(c) 不同煤矸石粉摻量的花崗巖殘積土28 d應(yīng)力應(yīng)變曲線

(d) 不同煤矸石粉摻量的花崗巖殘積土35 d應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖1 不同摻入量、養(yǎng)護(hù)天數(shù)條件下花崗巖殘積土應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.1 Stress and strain curves of granite residual soil under different mixing and curing days

同摻入量、養(yǎng)護(hù)天數(shù)條件下花崗巖殘積土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系擬合曲線如圖2所示，花崗巖殘積土在含水率與干密度相同的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加不同煤矸石粉摻量的花崗巖殘積土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變的增加先增加后減小，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與這兩個(gè)參數(shù)關(guān)系接近二次函數(shù)式。

表3具體顯示了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和二者的相關(guān)性擬合關(guān)系式，其中x為應(yīng)變，Wu1為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

(a) 養(yǎng)護(hù)天數(shù)14 d應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

(b) 養(yǎng)護(hù)天數(shù)21 d應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

(c) 養(yǎng)護(hù)天數(shù)28 d應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

(d) 養(yǎng)護(hù)天數(shù)35 d應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2 不同摻入量、養(yǎng)護(hù)天數(shù)條件下花崗巖殘積土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系擬合曲線

Fig.2 Fitting curve of stress-strain relationship of granite residual soil under the conditions of blending amount and curing days

表3 應(yīng)力應(yīng)變擬合參數(shù)取值

具體分析上表結(jié)果可知，上述的各擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2都高于0.97，相關(guān)性強(qiáng)，取得較高的擬合結(jié)果。

2.2 煤矸石粉摻量的影響

圖3顯示了煤矸石粉摻量與此抗壓強(qiáng)度相關(guān)性結(jié)果，分析此圖可知，在保持含水率與初始干密度不變情況下，煤矸石粉摻量從9 %增加到12 %時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度同比降低了1.6 %、10 %，18.2 %，13.8 %；摻量從12 %增加到15 %時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為35 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最先開(kāi)始增長(zhǎng)，同比增長(zhǎng)了14.6 %，其它不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度則同比降低了8.1 %，14.3 %，11.2 %；摻量從15 %增加到18 %時(shí)，同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度同比增長(zhǎng)了11 %，28.7 %，25.9 %，16.6 %。由此可見(jiàn)，煤矸石粉最優(yōu)摻量為18 %，其次為9 %?；◢弾r殘積土中含有的膠狀A(yù)l2O3與SiO2與煤矸石粉中含有的CaO反應(yīng)生成鋁酸鈣與硅酸鈣等水合物，這些水合物除了為試樣中的土體顆粒提供粘結(jié)力提高土體強(qiáng)度外，還生成一層保護(hù)膜在土體顆粒周圍降低花崗巖殘積土的親水性。煤矸石粉含有數(shù)量較多的Ca2+、Mg2+、Al3+等高價(jià)陽(yáng)離子與土體顆粒中的Li+、K+、Na+等低價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生交換作用，使土體顆粒的雙電子層變薄，降低了花崗巖殘積土中的親水性，土體顆粒間起到凝聚作用，提高了花巖殘積土的抗剪強(qiáng)度。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著煤矸石粉摻量的增加先減小后增大，與煤矸石粉摻量近似呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，通過(guò)二次多項(xiàng)式擬合得到其關(guān)系如圖4所示。煤矸石粉摻量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式如下：

Wu2=a1m2+b1m+c1，

(1)

式中，Wu2為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；m為煤矸石粉摻入量；a2、b1、c1為試驗(yàn)參數(shù)。

式(1)中煤矸石粉摻入量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合參數(shù)取值如表4所示。

圖3 煤矸石摻入量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

Fig.3 Relationship between coal gangue incorporation and unconfined compressive strength

圖4 煤矸石摻入量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系擬合曲線

Fig.4 Fitting curve of coal gangue incorporation and unconfined compressive strength

表4 不同摻入量條件下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合參數(shù)取值

從表4中可以看出當(dāng)煤矸石粉摻入量為9 %時(shí)，煤矸石粉摻入量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合表達(dá)式的相關(guān)系數(shù)較低，擬合效果較差，呈非線性相關(guān)；煤矸石粉摻入量為12 %時(shí)，擬合表達(dá)式的相關(guān)性為顯著相關(guān)。煤矸石粉摻入量為15 %、18 %時(shí)，兩者的相關(guān)性系數(shù)都高于0.93，可滿足擬合要求。

2.3 養(yǎng)護(hù)天數(shù)的影響

圖5顯示了養(yǎng)護(hù)天數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性，在其他兩個(gè)參數(shù)固定條件下，提高齡期，也就是養(yǎng)護(hù)天數(shù)由14 d提高到21 d，除煤矸石粉摻量為15 %的殘積土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度同比降低了6 %，其它分別同比增長(zhǎng)了10.2 %、0.7 %、9 %；養(yǎng)護(hù)天數(shù)由21 d到28 d，不同煤矸石粉摻量的殘積土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度同比增長(zhǎng)了10.8 %、0.8 %、4.4 %、2.1 %；養(yǎng)護(hù)天數(shù)由28 d到35 d，煤矸石粉摻量為9 %、12 %的殘積土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別同比降低了9.2 %、4.3 %，摻量為15 %、18 %的殘積土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別同比增長(zhǎng)了23.5 %、14.3 %。隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，摻量為9 %、12 %的殘積土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小，摻量為15 %的殘積土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先減小后增大，摻量為18 %的殘積土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，煤矸石粉與花崗巖殘積土中土體顆粒間發(fā)生陽(yáng)離子交換、凝聚作用、灰結(jié)作用以及膠結(jié)作用。這些反應(yīng)的時(shí)間一般比較長(zhǎng)，所以隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，土體的抗壓強(qiáng)度普遍越大。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)天數(shù)近似呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，進(jìn)行擬合確定出二者的相關(guān)性曲線圖如圖6，而數(shù)學(xué)分析確定出二者的相關(guān)性表達(dá)式為：

Wu3=a2t2+b2t+c2，

(2)

式中，Wu3為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；t為養(yǎng)護(hù)天數(shù)；a2、b2、c2為試驗(yàn)參數(shù)。

式(2)中養(yǎng)護(hù)天數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合參數(shù)取值如表5所示。

圖5 養(yǎng)護(hù)天數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

Fig.5 Relationship between curing days and unconfined compressive strength

圖6 養(yǎng)護(hù)天數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系擬合曲線

Fig.6 Fitting curve of relationship between curing days and unconfined compressive strength

表5 不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)條件下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合參數(shù)取值

從表5中可以看出：不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)條件下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合表達(dá)式的相關(guān)系數(shù)均大于0.87，為顯著性相關(guān)，各參數(shù)擬合效果較好。

綜合考慮，養(yǎng)護(hù)齡期為35d且摻入比為18 %條件下，樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，不過(guò)從經(jīng)濟(jì)角度分析，摻入比為9 %條件下經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)，建議煤矸石粉改良花崗巖殘積土最優(yōu)摻量為9 %，養(yǎng)護(hù)齡期與煤矸石粉摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響具體如下圖7，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而確定出如下擬合方程[19]。

Wu=-0.591 11m2+0.091 15t2+0.091 15mt+13.716 66m-1.971 9t+15.238 71，

(3)

式中，Wu為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；m為煤矸石粉摻入量，t為養(yǎng)護(hù)天數(shù)；相關(guān)系數(shù)R2=-0.896 1。

從圖7中可以看出養(yǎng)護(hù)齡期與煤矸石粉摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與擬合曲面方程呈負(fù)相關(guān)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期與煤矸石粉摻量的增大先減小后增大，與上述規(guī)律一致。

圖7 摻入量、養(yǎng)護(hù)天數(shù)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)不同煤矸石粉摻量和養(yǎng)護(hù)天數(shù)的花崗巖殘積土改良試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和相關(guān)性分析，得出以下結(jié)論：

① 不同煤矸石粉摻量與養(yǎng)護(hù)天數(shù)的花崗巖殘積土在試驗(yàn)過(guò)程中土體結(jié)構(gòu)破壞，發(fā)生明顯的體脹，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變?nèi)趸汀?/p>

② 各煤矸石粉摻入量、養(yǎng)護(hù)天數(shù)條件下花崗巖殘積土應(yīng)力應(yīng)變之間呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)天數(shù)近似呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。

③ 隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，煤矸石粉含有的活性因子與花崗巖殘積土中土體顆粒間發(fā)生陽(yáng)離子交換、凝聚、灰結(jié)以及膠結(jié)等作用，土體的抗壓強(qiáng)度普遍越大。

④ 煤矸石粉摻量與養(yǎng)護(hù)天數(shù)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈曲面相關(guān)。建議煤矸石粉改良路填花崗巖殘積土最優(yōu)摻量為9 %，最優(yōu)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。