煤矸石改良路基土的強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

尚曉麗

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111000）

0 引言

煤矸石是煤礦開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的廢棄渣料。我國(guó)是煤矸石儲(chǔ)量大國(guó)，每年有近億萬(wàn)噸的煤矸石產(chǎn)生，占據(jù)了大量土地，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成了較為嚴(yán)重的污染。因此，煤矸石的處治措施成為當(dāng)前研究的熱門(mén)課題之一。

1 煤矸石的應(yīng)用研究

近年來(lái)，學(xué)者對(duì)煤矸石的使用進(jìn)行了大量研究，并取得了較為豐碩的成果。白金玲等[1]對(duì)煤矸石粗集料混凝土的耐腐蝕進(jìn)行了研究。王長(zhǎng)龍等[2]采用粉煤灰和煤矸石作為主要材料來(lái)制備加氣混凝土，分析了煤矸石的最佳活化溫度及其對(duì)加氣混凝土力學(xué)特性的影響。李強(qiáng)等[3]通過(guò)對(duì)煤矸石的煅燒，研究了煤矸石的活性的內(nèi)在機(jī)理，并對(duì)煤矸石受煅燒溫度的影響進(jìn)行了分析。邱繼生等[4]研究了煤矸石混凝土在凍融循環(huán)下的損傷演化規(guī)律，并建立了煤矸石混凝土的損傷演化方程。李永靖等[5]基于正交試驗(yàn)對(duì)不同煤矸石摻量、粉煤灰摻量、水灰比等對(duì)混凝土的徐變性能進(jìn)行了研究。

綜上分析可知，煤矸石在室內(nèi)試驗(yàn)中已經(jīng)得到廣泛采用。在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)煤矸石改良路基土進(jìn)行了三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，分析了煤矸石摻量對(duì)路基土力學(xué)性質(zhì)的影響，為煤矸石在公路工程中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

研究結(jié)果表明：隨著煤矸石摻量的逐漸增加，改良后的路基土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角均得到顯著增強(qiáng)。其中，煤矸石摻量從0%至16%，路基土的抗剪強(qiáng)度提升了38.87%、黏聚力提升了26.49%、內(nèi)摩擦角提升了8.48%。隨著煤矸石摻量的增加，抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)速率均逐漸趨緩。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試樣制備

試驗(yàn)所使用的風(fēng)積砂取自京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)阜新段，采用篩分法對(duì)選取的風(fēng)積砂樣品進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，級(jí)配曲線(xiàn)如圖1 所示?？梢钥闯?，試驗(yàn)用風(fēng)積砂級(jí)配良好。

試驗(yàn)用煤矸石取自阜新艾友煤礦矸石山，粒徑分布范圍較廣，最大粒徑可達(dá)到1 m 左右?？紤]到試驗(yàn)用的試件尺寸，需要對(duì)煤矸石進(jìn)行破碎處理。選取直徑在（0～2.36）mm 內(nèi)的煤矸石粉末備用，堆積密度約為874 kg/m3，主要化學(xué)成分為氧化硅和氧化鋁，另外還含有少量氧化鐵、氧化鈣及氧化鎂等。

圖1 風(fēng)積砂的級(jí)配曲線(xiàn)

試驗(yàn)用水泥為市面上普遍銷(xiāo)售的普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），其初始凝固時(shí)間約為150 min，終止凝固時(shí)間約為230 min，標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為51.4 MPa 和9.4 MPa（28 d）。

將風(fēng)積砂、煤矸石、水泥和水按表1 配合比攪拌均勻。在攪拌過(guò)程中，加入的水量通常高于最優(yōu)含水率0.5%左右，原因是攪拌過(guò)程中會(huì)有水分蒸發(fā)。混合料拌和完成后分5 層裝入直徑39.1 mm、高80 mm 的標(biāo)準(zhǔn)土樣模具中振搗擊實(shí)，每層擊實(shí)次數(shù)不少于25 次。擊實(shí)完成后，在試樣表面進(jìn)行拉毛處理，以此來(lái)緩解分層導(dǎo)致的誤差。制樣過(guò)程中，煤矸石改良土的壓實(shí)度控制為0.95。制備好的試樣采用保鮮膜包裹密實(shí)，然后放在養(yǎng)護(hù)箱中恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期分28 d。

表1 煤矸石改良路基土配合比設(shè)計(jì)

2.2 試驗(yàn)方法

為研究煤矸石改良后路基土的強(qiáng)度特性，對(duì)養(yǎng)護(hù)完成后的路基土進(jìn)行三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，即CU 試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為英國(guó)進(jìn)口的GDS多功能三軸動(dòng)、靜加載試驗(yàn)系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際路基土埋深情況，取圍壓分別為20 kPa、40 kPa、60 kPa 和80 kPa，加載速率為0.5 mm/min。試樣的峰值強(qiáng)度取應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)峰值點(diǎn)；若無(wú)明顯峰值點(diǎn)，則取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度作為峰值強(qiáng)度。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗剪強(qiáng)度分析

圖2 為改良路基土試樣的抗剪強(qiáng)度與煤矸石的摻量、圍壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖2a）中可以看出，隨著煤矸石摻量的逐漸增加，不同圍壓下試樣的抗剪強(qiáng)度呈逐漸增大變化趨勢(shì)?？山忉尀槊喉肥瘬搅康脑黾邮乖嚇觾?nèi)部的活性氧化硅、氧化鋁的含量顯著提升，二者與水反應(yīng)后產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)逐漸增多，致使試樣的整體抗剪強(qiáng)度逐漸增大。從圖2a）中還可以看出，煤矸石摻量大于一定值后，試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。從圖2b）中可以看出，隨著圍壓的逐漸增大，改良路基土試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，且在圍壓較低時(shí)抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，此后抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率逐漸減小，二者近似滿(mǎn)足指數(shù)函數(shù)分布。

圖2 抗剪強(qiáng)度與煤矸石摻量、圍壓之間關(guān)系

3.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

黏聚力和內(nèi)摩擦角作為土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)分析土體的力學(xué)特性具有重要作用。采用繪制莫爾應(yīng)力圓的方法來(lái)計(jì)算不同摻量下煤矸石改良路基土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。圖3 為煤矸石改良路基土的黏聚力、內(nèi)摩擦角隨煤矸石摻量的分布曲線(xiàn)。

從圖3 中可以看出，煤矸石摻量對(duì)路基土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)具有顯著影響。隨著煤矸石摻量的逐漸增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角均出現(xiàn)逐漸增大變化，且增長(zhǎng)速率均逐漸趨緩。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的逐漸增加，煤矸石改良路基土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角同樣呈逐漸遞增趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速率逐漸趨緩?？山忉尀槊喉肥脑黾邮垢牧己蟮耐翗觾?nèi)部水化反應(yīng)加劇，膠結(jié)物質(zhì)增多，抗剪強(qiáng)度參數(shù)增大，但水泥摻量固定，水化反應(yīng)逐漸減弱，致使抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸穩(wěn)定。表3 為不同煤矸石摻量、不同圍壓下煤矸石改良路基土的力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與煤矸石摻量之間關(guān)系

表3 煤矸石改良路基土力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表3 可知，以圍壓20 kPa 為例，當(dāng)路基土中未摻加煤矸石時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度為762.1 kPa；當(dāng)煤矸石摻量分別4%、8%、12%和16%時(shí)，路基土的抗剪強(qiáng)度分別為835.7 kPa、937.9 kPa、1040.3 kPa 和1058.3 kPa，與未摻加煤矸石土樣的抗剪強(qiáng)度相比分別提升了9.66%、23.07%、36.50%和38.87%?？梢?jiàn)煤矸石改良后的路基土的抗剪強(qiáng)度得到了有效提升。對(duì)于抗剪強(qiáng)度參數(shù)，當(dāng)路基土中未摻加煤矸石時(shí)，土樣的黏聚力為249.1 kPa，內(nèi)摩擦角為28.3°；當(dāng)煤矸石摻量為16%時(shí)，路基土的黏聚力提升了26.49%，內(nèi)摩擦角提升了8.48%?？梢?jiàn)，煤矸石的摻量對(duì)土體的黏聚力影響較大，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響則相對(duì)較弱。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）隨著煤矸石摻量的逐漸增加，路基土試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，但增幅逐漸減?。浑S著圍壓的逐漸增大，路基土試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增大。

（2）隨著煤矸石摻量的逐漸增加，路基土試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸增大。其中，黏聚力增幅為26.49%，內(nèi)摩擦角增幅為8.48%。煤矸石摻量對(duì)黏聚力影響較大。

（3）煤矸石對(duì)對(duì)路基土的力學(xué)特性具有明顯的提升作用，可作為公路工程路基填料。