煤矸石改良黃土的力學(xué)和抗凍融性能

摘要： 【目的】提出用煤矸石改良黃土的解決方案，解決煤矸石存量逐年增大且利用率低、 季凍區(qū)黃土地基病害嚴(yán)重的雙重難題。【方法】分析煤矸石改良黃土的反應(yīng)機(jī)制，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、 直剪、 固結(jié)壓縮和濕陷性試驗(yàn)，分析煤矸石改良黃土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、 抗剪強(qiáng)度、 黏聚力、 內(nèi)摩擦角、 壓縮系數(shù)和濕陷系數(shù)等力學(xué)性能指標(biāo)，確定煤矸石的最優(yōu)摻量；以黃土原料為對照組，將最優(yōu)摻量的煤矸石改良黃土試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，再次進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和直剪試驗(yàn)，分析凍融循環(huán)后最優(yōu)試件的力學(xué)和抗凍融性能。【結(jié)果】當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，養(yǎng)護(hù)齡期28 d時，煤矸石改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為585 kPa，抗剪強(qiáng)度為287 kPa，壓縮系數(shù)約為0.19 MPa-1，黏聚力為63.755 kPa，內(nèi)摩擦角為29.646 °，濕陷性完全消除；進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小，凍融循環(huán)次數(shù)為11時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、 抗剪強(qiáng)度、 黏聚力損失率分別為26.9%、 7.4%、 18.6%，內(nèi)摩擦角變化較小，煤矸石改良黃土的力學(xué)和抗凍融性能較好?！窘Y(jié)論】煤矸石活性較低，改良后的黃土的強(qiáng)度雖然提升幅度不大，但能明顯改善黃土的濕陷性和抗凍融性能，因此煤矸石改良黃土適合作為季節(jié)性凍土區(qū)黃土的地基材料。

關(guān)鍵詞： 煤矸石； 改良黃土； 力學(xué)性能； 抗凍融性能

中圖分類號： TB4； TU444文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：

孫萌萌， 武立波， 楊秋寧， 等. 煤矸石改良黃土的力學(xué)和抗凍融性能［J］. 中國粉體技術(shù)， 2024， 30（2）： 24-35.

SUN M M， WU L B， YANG Q N， et al. Mechanical and freeze-thaw resistance properties of loess improved by coal gangue［J］. China Powder Science and Technology， 2024， 30（2）： 24-35.

黃土具有孔隙大、 浸水后易發(fā)生沉陷等特點(diǎn)，在寧夏回族自治區(qū)分布較廣。寧夏位于我國西北地區(qū)，屬于典型的季節(jié)性凍土區(qū)，黃土在凍融循環(huán)作用下力學(xué)性質(zhì)易發(fā)生改變，對土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響［1］。

在我國，每生產(chǎn)35～40億t原煤至少排放5億t煤矸石，煤矸石是堆存量和排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一，不僅占用大量土地，還對大氣和水體造成污染［2］。目前，我國煤矸石綜合利用率約為70%，而歐美發(fā)達(dá)國家的則高達(dá)90%，存在較大的差距。在對煤矸石的綜合利用中，資源回收過程繁瑣，工程應(yīng)用工藝不成熟，煤矸石在工程建設(shè)上應(yīng)有更多的應(yīng)用價值和推廣前景［3-4］。

在季節(jié)性凍土區(qū)，常用石灰、 水泥、 粉煤灰等傳統(tǒng)改良劑對黃土進(jìn)行改良［5-7］，但利用煤矸石對黃土進(jìn)行改良時，既可降低成本，又可以解決煤矸石堆量大、 分布廣、 污染環(huán)境等問題。Zhang等［8］、 南益聰?shù)龋?］通過對煤矸石的結(jié)構(gòu)特征及元素組成進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，煤矸石能夠改變新構(gòu)土壤水分和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；賀建清等［4］、 黃道軍等［10］分別對煤矸石改良黏土、 粉土進(jìn)行研究；張雁等［11-12］對煤矸石改良膨脹土的最佳摻量、 擊實(shí)特性、 強(qiáng)度特性及耐久性進(jìn)行了研究；Lyv等［13］發(fā)現(xiàn)合理配比的工業(yè)廢渣和黃土混合物能夠作為地基綠色回填材料進(jìn)行使用；許天馳等［14］、 董超凡等［15］分別對微生物、 木質(zhì)素纖維改良黃土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)保性新型材料可以改善黃土的滲透特性和強(qiáng)度特性。

綜上，目前對黃土進(jìn)行改良的材料主要包括水泥、 石灰、 工業(yè)廢渣、 粉煤灰以及其他一些環(huán)保材料，對煤矸石改良土的研究多集中在對膨脹土的改良上，但對煤矸石改良黃土的力學(xué)性能及抗凍融性能的相關(guān)研究鮮見報道。利用煤矸石改良黃土，既能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)固廢的資源化利用，又能降低工程建設(shè)成本，還能夠兼顧環(huán)境保護(hù)問題。

力學(xué)性能和抗凍融性能是衡量土體能否作為季節(jié)性凍土區(qū)地基材料的重要指標(biāo)。本文中首先測試黃土和煤矸石的粒徑和組分，分析煤矸石改良黃土的反應(yīng)原理；然后以不同摻量的煤矸石改良黃土為試件，分別對試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、 直剪試驗(yàn)、 固結(jié)壓縮試驗(yàn)和濕陷性試驗(yàn)，通過分析煤矸石改良黃土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、 抗剪強(qiáng)度、 黏聚力、 內(nèi)摩擦角、 壓縮系數(shù)和濕陷系數(shù)等力學(xué)性能指標(biāo)確定煤矸石的最優(yōu)摻量；最后，以黃土原料為對照組，將最優(yōu)摻量的煤矸石改良黃土最優(yōu)試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，再次進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，分析凍融循環(huán)后最優(yōu)試件的力學(xué)性能，確定煤矸石改良黃土的抗凍融性能。

1 材料與方法

1.1材料

試驗(yàn)用黃土取自寧夏回族自治區(qū)同心縣， 為典型的淺黃色濕陷性黃土。 黃土的液限為32.31%， 黃土的塑限為16.56%， 黃土的含水率為16.93%。 黃土顆粒的粒徑分布如圖1所示。 由圖可看出，黃土顆粒的粒徑為0.001～2 mm，其中，粒徑小于0.005 mm的黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5.61%， 粒徑為0.005～0.075 mm的粉粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為55.86%， 粒徑大于0.075 mm的砂粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為38.55%。

試驗(yàn)用煤矸石取自寧夏回族自治區(qū)靈武市羊場灣煤礦廠， 煤矸石的吸水率為8.14%， 燒失量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為15.41%， 液限為31.12%， 塑限為18.91%， 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.22%。煤矸石呈黑灰色， 比煤堅硬， 采用PANalytical Axios型X射線熒光光譜儀（富瑞博國際有限公司）對煤矸石進(jìn)行光譜分析， 發(fā)現(xiàn)煤矸石含有鋁、 鈣、 鎂等氧化物。 對煤矸石進(jìn)行破碎和篩分， 使煤矸石顆粒的粒徑小于2 mm，篩分后的煤矸石顆粒可更好地與黃土結(jié)合和反應(yīng)。煤矸石的化學(xué)組分見表1。由表可知，煤矸石主要成分為SiO2、 Al2O3和Fe2O3。

1.2煤矸石改良黃土的基本原理

采用Sigma 300型掃描電子顯微鏡（卡爾蔡司（上海）管理有限公司）對煤矸石顆粒進(jìn)行電鏡掃描分析，對煤矸石SEM圖像中選取2種顆粒進(jìn)行能譜分析。在SEM圖像中，2種不同微觀形貌的煤矸石顆粒的能譜圖如圖2所示。由圖可知，煤矸石中主要包含了富含鈣、 鐵的球形粒子和富含硅、 鋁、 碳的多孔粒子，還含有一些晶體不規(guī)則粒子；富含鈣的球形粒子表面附著了細(xì)小的微珠顆粒，黏連緊密，含鈣的球形粒子越多，煤矸石的活性越高；富含鈣的球形粒子可以與水反應(yīng)生成新的游離氫氧化物，這種氫氧化物隨著時間的推移與空氣中的CO2反應(yīng)生成沉淀結(jié)晶［7］。

粒徑較小的煤矸石吸水靜置后會發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)， SiO2、 Al2O3和Fe2O3引起的主要化學(xué)反應(yīng)為

Al2O3+6H+2Al3++3H2O ，

Al2O3+2OH-2AlO-2+H2O ，

Al3++3AlO-2+6H2O4Al（OH）3↓ ，

Al3++4OH-AlO-2+2H2O ，

Fe2O3+6H+2Fe3++3H2O ，

SiO2+2HaOHNa2SiO3+3H2O 。

黃土中含有大量的長石，其中鈣長石（CaAl2Si2O8）、 鈉長石（NaAlSi3O8）和鉀長石（KAlSi3O8）在吸水靜置后發(fā)生溶解脫去表面陽離子，化學(xué)方程式為

CaAl2Si2O2+2H++H2OAl2Si2O5（OH）4+Ca2+ ，

2NaAlSi3O8+2H++H2OAl2Si2O5（OH）4+2Na++4SiO2 ，

2KAlSi3O8+2H++H2OAl2Si2O5（OH）4+2K++4SiO2 。

在黃土中摻入煤矸石后，煤矸石中的活性高價陽離子（Al3+、 Fe3+）會與黃土中的低價陽離子（Ca2+、 Na+、 K+）發(fā)生離子交換作用。

1.3方法

1.3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是衡量土體能否作為地基材料的重要指標(biāo)之一。土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，表明土體的承載能力越大。在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，圓柱形試件尺寸為50 mm×50 mm（直徑×高度），養(yǎng)護(hù)齡期分別設(shè)為7、 14、 28 d；試驗(yàn)時采用位移控制法，加載速率為1 mm/min。

1.3.2 直剪試驗(yàn)

抗剪強(qiáng)度可用來衡量土體抵抗剪切破壞的能力。根據(jù)抗剪強(qiáng)度和施加壓強(qiáng)之間的關(guān)系方程可計算出土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，土體的黏聚力越大，表明土體顆粒間分子引力越大，土體的抗剪強(qiáng)度也就越大；土體的內(nèi)摩擦角越大，表明土體顆粒之間的表面摩擦力和咬合力越大。在直剪試驗(yàn)中，試驗(yàn)儀器采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀（南京土壤儀器廠），環(huán)刀尺寸為61.8 mm×20 mm（直徑×高度），垂直壓強(qiáng)分別設(shè)為100、 200、 300、 400 kPa，剪切速率為0.8 mm/s，試驗(yàn)時間約為3～5 min。

1.3.3 固結(jié)壓縮試驗(yàn)

土體的壓縮特性直接影響地基的抗變形能力。 土體的壓縮系數(shù)越小， 表明土體的抗體積變形能力越強(qiáng)。 在固結(jié)壓縮試驗(yàn)中， 試驗(yàn)儀器采用WG型單杠桿固結(jié)儀（南京土壤儀器廠）， 環(huán)刀尺寸為79.8 mm×20 mm（直徑×高度）， 試驗(yàn)中分級施加壓強(qiáng)， 垂直壓強(qiáng)分別設(shè)為50、 100、 200、 300、 400、 600 kPa， 共6個等級。 壓縮系數(shù)α的計算公式為

α=（s2-s1）（1+e0）1 000（p2-p1） ，（1）

式中： p1、 p2為施加的垂直壓強(qiáng)； s1、 s2分別為垂直壓強(qiáng)為p1、 p2時試件的沉降量； e0為初始孔隙比，取為0.624。一般情況下，選取垂直壓強(qiáng)p1、 p2分別為100、 200 kPa時對應(yīng)的壓縮系數(shù)αv1-2來評價改良黃土的壓縮特性，以每小時沉降量（試件高度的變化量）≤0.01 mm為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.4 濕陷性試驗(yàn)

濕陷性是黃土特有的性質(zhì)，濕陷系數(shù)小，表明黃土浸水后濕陷變形越小，適合作為地基承載材料。濕陷系數(shù)δs的計算公式為

δs=h1-h2h0 ，（2）

式中： h1為施加一定的垂直壓強(qiáng)后， 試件變形穩(wěn)定后的高度； h2為試件浸水濕陷變形穩(wěn)定后的高度； h0為試件初始高度。

在一定壓強(qiáng)條件下，黃土的濕陷系數(shù)δs根據(jù)室內(nèi)浸水壓縮試驗(yàn)測定的結(jié)果進(jìn)行判定：當(dāng)0.015≤δs≤0.03時濕陷性輕微， 當(dāng)0.03＜δs≤0.07時濕陷性中等，當(dāng)δs＞0.07時濕陷性嚴(yán)重。在濕陷性試驗(yàn)中，環(huán)刀尺寸為79.8 mm×20 mm（直徑×高度），垂直壓強(qiáng)分別設(shè)為50、 100、 150、 200 kPa，共4個等級，以每小時沉降量≤0.01 mm為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，待試件在最后一級壓強(qiáng)下變形穩(wěn)定后向容器內(nèi)注入純水，令水面高出試件頂面，并保持該水面直至試件變形穩(wěn)定為止，記錄最終沉降量。

1.3.5 凍融循環(huán)試驗(yàn)

土體的抗凍融性能可由經(jīng)過凍融循環(huán)試驗(yàn)后土體的強(qiáng)度損失率衡量。在凍融循環(huán)試驗(yàn)中，試件養(yǎng)護(hù)7 d后，需放入高低溫濕熱交變箱內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。根據(jù)寧夏冬季的氣溫情況，設(shè)定凍、 融溫度分別為-20、 20 ℃，凍結(jié)時間為12 h，融化時間為12 h。根據(jù)文獻(xiàn)［16］可知，經(jīng)7～10個凍融循環(huán)周期后試件的力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，因此將凍融試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)設(shè)定為1、 3、 5、 7、 9、 11，并將經(jīng)過凍融循環(huán)后的試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，測試最優(yōu)試件的力學(xué)性能和抗凍融性能。

1.3.6 試件制備

將黃土和煤矸石進(jìn)行風(fēng)干、 破碎、 過篩后充分混合攪拌5 min，使混合料混合均勻。濕陷性試驗(yàn)所用試件的壓實(shí)度設(shè)為85%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、 直剪試驗(yàn)和固結(jié)壓縮試驗(yàn)所用試件的壓實(shí)度設(shè)為95%，試件的含水率均設(shè)為17%。嚴(yán)格按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和JTGE 51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)。

為研究煤矸石摻量對改良黃土力學(xué)性能的影響，煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)為0、 5%、 10%、 15%、 20%、 25%、 30%、 35%、 40%，制得的對應(yīng)試件編號分別為C1、 C2、 …、 C9，通過進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、固結(jié)壓縮試驗(yàn)和濕陷性試驗(yàn)，確定煤矸石的最優(yōu)摻量；將黃土試件作為對照組，分析最優(yōu)摻量的煤矸石改良黃土試件的力學(xué)性能和抗凍融性能。

2 結(jié)果與分析

2.1力學(xué)性能

2.1.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試件C1，C2，…，C9的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化如圖3所示。由圖可以看出，試件C5的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，說明煤矸石最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% ；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，C1、 C2、 …、 C9的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均逐漸增大，養(yǎng)護(hù)齡期為7、 14 d時增幅較大，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。綜上，當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，養(yǎng)護(hù)齡期28 d時，改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到585 kPa，此時煤矸石與土體反應(yīng)充分，反應(yīng)產(chǎn)物與土體顆粒之間膠結(jié)作用得到加強(qiáng)，而且反應(yīng)產(chǎn)物可填充黃土的孔隙使得土體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。另外，由于煤矸石本身強(qiáng)度高，因此煤矸石和黃土混合能夠提高混合料的強(qiáng)度［17］。

2.1.2 抗剪性能

在直剪試驗(yàn)中，試件C1、 C2、 …、 C9的抗剪強(qiáng)度隨施加的垂直壓強(qiáng)的變化如圖4所示。由圖可以看出，試件C5的抗剪強(qiáng)度最大為287 kPa，抗剪強(qiáng)度和垂直壓強(qiáng)的關(guān)系曲線接近于直線方程，試件C1、 C2、 …、 C9的抗剪強(qiáng)度與垂直壓強(qiáng)的關(guān)系式為

y1=0.529x1+27.601

y2=0.549x2+31.877

y3=0.556x3+46.417

y4=0.557x4+56.680

y5=0.569x5+63.755

y6=0.554x6+51.704

y7=0.550x7+42.840

y8=0.545x8+37.709

y9=0.543x9+20.371 ，（3）

式中： y1、 y2、 …、 y9分別為C1、 C2、 …、 C9的抗剪強(qiáng)度； x1、 x2、 …、 x9分別為施加在C1、 C2、 …、 C9的垂直壓強(qiáng)；縱坐標(biāo)上的截距為黏聚力，直線的傾角為內(nèi)摩擦角。由圖4可知，C1、 C2、 …、 C9的黏聚力分別為27.601、 31.877、 46.417、 56.680、 63.755、 51.704、 42.840、 37.709、 20.371 kPa，內(nèi)摩擦角分別為27.900、 28.763、 29.077、 29.125、 29.646、 29.002、 28.824、 28.591、 28.516 °。

煤矸石的摻量對改良黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響如圖5所示。 由圖可看出， 隨著煤矸石摻量的增大， 煤矸石改良黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角先增大后減小， 原因可能在于， 煤矸石中含有多孔、 黏性較大且具有較高吸水性的不規(guī)則顆粒， 將黃土與煤矸石混合后， 混合料中的黏粒含量增加， 增大了混合料的結(jié)構(gòu)團(tuán)聚性［18］， 但當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時， 煤矸石大量替代混合料中的黃土， 致使混合料中粉性顆粒含量減小， 顆粒之間的咬合、 鑲嵌作用減弱， 土體的咬合摩擦力與滑動摩擦力減小， 所以減弱了混合料的抗剪強(qiáng)度； 當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增大到20%時，黏聚力增大了131.0%， 內(nèi)摩擦角增大了6.3%， 黏聚力增幅較大，內(nèi)摩擦角變化不大； 當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時， 煤矸石改良黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角反而逐漸減小， 因此，當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，改良黃土的黏聚力最大為63.755 kPa，內(nèi)摩擦角為29.646 °。

2.1.3 壓縮特性

煤矸石的摻量對改良黃土的壓縮系數(shù)的影響如圖6所示。由圖可以看出，隨著煤矸石摻量的增大，改良黃土的壓縮系數(shù)逐漸減??；煤矸石改良黃土的壓縮系數(shù)為0.1～0.24 MPa-1，屬于中壓縮性土體。當(dāng)煤矸石摻量較小時，煤矸石和黃土發(fā)生離子交換并具有結(jié)晶作用，產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)在水和空氣中逐漸硬化，填充了土樣的孔隙，阻止了土樣的變形，煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20%時，改良黃土的壓縮系數(shù)下降幅度最大；當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)gt;20%時，土體內(nèi)的大顆粒增加，此時煤矸石粗顆粒比較細(xì)的土顆粒更難壓縮［19］，導(dǎo)致后期煤矸石改良黃土壓縮系數(shù)下降幅度變緩，因此，煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，煤矸石改良黃土的壓縮系數(shù)約為0.19 MPa-1。

2.1.4 濕陷性

煤矸石的摻量對改良黃土的濕陷系數(shù)的影響如圖7所示。由圖可以看出，隨著煤矸石摻量的增大，改良黃土的濕陷系數(shù)逐漸減??；當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%時，對試件C1、 C2、 C3、 C4的濕陷性影響較大；當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時，對試件C5、 C6、 C7、 C8、 C9的濕陷性影響較?。划?dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時改良黃土的濕陷性由中等濕陷性變?yōu)檩p微濕陷性，煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時改良黃土的濕陷性基本消除，煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時改良黃土的濕陷性完全消除。主要原因在于： 煤矸石與黃土反應(yīng)形成黏粒－結(jié)晶水化物的復(fù)合顆粒，能夠增強(qiáng)顆粒間的膠結(jié)連接；煤矸石可以有效地填塞黃土孔隙，減小黃土孔隙率，從而抑制濕陷現(xiàn)象的發(fā)生；煤矸石具有吸水后膨脹的特點(diǎn)，對黃土的濕陷性有一定的抑制作用［20］，因此，摻加了煤矸石的黃土的濕陷性被削弱或消除。

綜上，煤矸石改良黃土存在較優(yōu)摻量。當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、 抗剪強(qiáng)度、 壓縮特性和濕陷性最佳。

2.2抗凍融性能

以黃土試件C1為對照組，將摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的煤矸石的最優(yōu)試件C5以及C1進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，然后將經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后的試件再次進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，分析試件C1、 C5凍融循環(huán)后的力學(xué)性能，確定摻入煤矸石對改良黃土的抗凍融性能的影響。

2.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試件C1和C5的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化如圖8所示。由圖可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件C1、 C5的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。這是因?yàn)?，凍融初期受凍脹作用和原有微觀裂縫的影響，水分還未均勻分布，發(fā)生原位凍結(jié)使原有孔隙膨大，造成早期強(qiáng)度下降較快；隨著的凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)裂縫和孔隙不斷衍生，土體中的水分重新分布，強(qiáng)度下降變緩［21］，說明凍融循環(huán)改變了黃土和煤矸石改良黃土的土體的結(jié)構(gòu)，降低了土體的強(qiáng)度；凍融循環(huán)次數(shù)為11時，試件C1的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率為35.8%，試件C5的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率為26.9%，說明煤矸石改良黃土的抗凍融性能更好。

2.2.2 抗剪性能

每次凍融循環(huán)后對試件C1、 C5施加的垂直壓強(qiáng)分別為100、 200、 300、 400 kPa，需將施加不同垂直壓強(qiáng)時試件的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行加權(quán)處理，再以加權(quán)平均抗剪強(qiáng)度作為試件的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析。加權(quán)平均抗剪強(qiáng)度［22］的計算公式為

τf=∑4i=1τiσi/∑4i=1σi ，（4）

式中：τf為加權(quán)平均抗剪強(qiáng)度； τi為第i次加載后的抗剪強(qiáng)度； σi為第i次加載時的垂直壓強(qiáng)。

試件C1和C5的抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化如圖9所示。由圖可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件C1、 C5的抗剪強(qiáng)度逐漸減小，前5次凍融循環(huán)對試件C1、 C5的抗剪強(qiáng)度影響最大；第1次凍融循環(huán)后，試件C1、 C5的抗剪強(qiáng)度損失分別占總損失的48.8%、 42.2%，說明試件C1、 C5在第1次凍融循環(huán)后抗剪強(qiáng)度損失最大；經(jīng)過11次凍融循環(huán)后，試件C1、 C5的抗剪強(qiáng)度損失率分別為9.6%、 7.4%，C5的抗剪強(qiáng)度損失率小于C1，說明煤矸石改良黃土的抗凍融性能優(yōu)于黃土的。

試件C1和C5的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化如圖10所示。由圖可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件C1、 C5的黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角先減小后增大；經(jīng)過11次凍融循環(huán)后，試件C1、 C5的黏聚力損失率分別為24.3%、18.6%，C5的黏聚力損失率小于C1，說明煤矸石改良黃土的抗凍融性能優(yōu)與黃土的；經(jīng)過11次凍融循環(huán)后，試件C1、 C5的內(nèi)摩擦角分別增大了3.3%、2.3%，C5的內(nèi)摩擦角增大幅度略低于黃土的，但增幅小于1°，可認(rèn)為凍融循環(huán)作用對煤矸石改良黃土的內(nèi)摩擦角的影響不明顯。

常見的石灰、水泥等改良材料，可以有效地提高土體強(qiáng)度，但同時也使土體的脆性增強(qiáng)，在固化土體過程中易產(chǎn)生較多的孔隙，不利于抑制凍融循環(huán)作用對土體的劣化過程［23］。不同于水泥、石灰等主要利用化學(xué)方法改良黃土，在煤矸石改良黃土過程中物理改良也起了很大作用。煤矸石活性較低，改良后的黃土強(qiáng)度雖然提升較慢，但卻能明顯改善黃土的濕陷性和抗凍融性能，因此，煤矸石改良黃土適合作為季節(jié)性凍土區(qū)黃土的地基材料。

3 結(jié)論

本文中測試了黃土和煤矸石的粒徑和組分， 分析煤矸石改良黃土的反應(yīng)原理； 以不同摻量的煤矸石改良黃土為試件， 分別對試件進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、 直剪試驗(yàn)、 固結(jié)壓縮試驗(yàn)和濕陷性試驗(yàn)， 通過分析煤矸石改良黃土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、 抗剪強(qiáng)度、 黏聚力、 內(nèi)摩擦角、 壓縮系數(shù)和濕陷系數(shù)等力學(xué)性能指標(biāo)確定煤矸石的最優(yōu)摻量； 以黃土原料為對照組， 將最優(yōu)摻量的煤矸石改良黃土最優(yōu)試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)， 再次進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)， 分析凍融循環(huán)后最優(yōu)試件的力學(xué)性能。

1）當(dāng)煤矸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，養(yǎng)護(hù)齡期28 d時，改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為585 kPa，抗剪強(qiáng)度為287 kPa，壓縮系數(shù)約為0.19 MPa-1，改良黃土的黏聚力為63.755 kPa，內(nèi)摩擦角為29.646 °，濕陷性完全消除，煤矸石與黃土反應(yīng)充分，反應(yīng)產(chǎn)物與土體顆粒之間的膠結(jié)作用得到加強(qiáng)，反應(yīng)產(chǎn)物填充了黃土的孔隙，使得土體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

2）在對摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的煤矸石的最優(yōu)試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，最優(yōu)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小，凍融循環(huán)次數(shù)為11時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、黏聚力損失率分別為26.9%、 7.4%、 18.6%，而未改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、 抗剪強(qiáng)度、 黏聚力損失率分別為35.8%、 9.6%、 24.3%，凍融循環(huán)對內(nèi)摩擦角的影響較小，煤矸石改良黃土的抗凍融性能較好。

3）煤矸石活性較低，改良后的黃土強(qiáng)度雖然提升較慢，但能明顯改善黃土的濕陷性和抗凍融性能，因此，煤矸石改良黃土適合作為季節(jié)性凍土區(qū)黃土的地基材料。

利益沖突聲明（Conflict of Interests）

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)（Author’s Contributions）

孫萌萌、 武立波、 劉惠陽和楊嘉偉進(jìn)行了方案設(shè)計，孫萌萌和武立波參與了論文的寫作和修改，楊秋寧和李宏波對試驗(yàn)過程給予幫助。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The study was designed by SUN Mengmeng、 WU Libo、 LIU Huiyang and YANG Jiawei. The manuscript was written and revised by SUN Mengmeng and WU Libo.

The experiment was helped by YANG Qiuning and LI Hongbo. All authors have read the last version of paper and consented for submission.

參考文獻(xiàn)（References）

［1］武立波， 祁偉， 牛富俊， 等. 我國季節(jié)性凍土區(qū)公路路基凍害及其防治研究進(jìn)展［J］. 冰川凍土， 2015， 37（5）： 1283-1293.

WU L B， QI W， NIU F J， et al. A review of studies on roadbed frozen damage and countermeasures in seasonal frozen ground regions in China［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2015， 37（5）： 1283-1293.

［2］WANG H， CHEN Z W， MENG Z， et al. Integrated utilization of coal gangue for synthesis of β-Sialon multiphase ceramic materials［J］. Ceramics International， 2023， 49（7）： 11275-11284.

［3］WANG C B， YANG J X， XU S Z. Experimental study of the mechanical and microstructure characteristics of coal gangue road stabilization materials based on alkali slag cementation［J］. Materials， 2021， 14（13）： 3601-3601.

［4］賀建清， 靳明， 陽軍生. 摻土煤矸石的路用工程力學(xué)特性及其填筑技術(shù)研究［J］. 土木工程學(xué)報， 2008（5）： 87-93.

HE J Q， JIN M， YANG J S. A study on the road engineering mechanical properties of coal gangue mixed with clay and the filling techniques［J］. China Civil Engineering Journal， 2008（5）： 87-93.

［5］ZHANG Y C， YAO Y G， DU W F， et al. Experimental study on improvement design of loess curing in engineering environment［J］. Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2021， 80（4）： 1-12.

［6］TIAN T， JIANG Y J， YI Y， et al. Laboratory fatigue performance of the cement-stabilised loess fabricated using different compaction methods［J］. Road Materials and Pavement Design， 2023， 24（2）： 501-519.

［7］高中南， 鐘秀梅， 王峻， 等. 粉煤灰改良飽和黃土動力特性研究［J］. 世界地震工程， 2019， 35（3）： 91-98.

GAO Z N， ZHONG X M， WANG J， et al. Dynamic characteristics of saturated loess improved by fly ash［J］. World Earthquake Engineering， 2019， 35（3）： 91-98.

［8］ZHANG D L， LIU Y， SONG J G， et al. Study on the technology of preparing ceramsite from coal gangue［J］. Key Engineering Materials， 2023， 6740： 183-189.

［9］南益聰， 楊永剛， 王澤青， 等. 煤矸石對礦區(qū)土壤特性與植物生長的影響［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 2023， 34（5）： 1253-1262.

NAN Y C， YANG Y G， WANG Z Q， et al. Effects of coal gangue on soil property and plant growth in mining area［J］. Chinese Journal of Applied Ecology， 2023， 34（5）： 1253-1262.

［10］黃道軍， 李東華， 張鎮(zhèn)山， 等. 凍融循環(huán)影響下水泥、 煤矸石改良粉土的力學(xué)特性研究［J］. 硅酸鹽通報， 2020， 39（2）： 416-421.

HUANG D J， LI D H， ZHANG Z S， et al. Mechanical properties of cement and gangue improved silt under the influence of freeze-thaw cycles［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2020， 39（2）： 416-421.

［11］張雁， 殷瀟瀟， 劉通. 煤矸石改良膨脹土特性及其最佳摻量條件下的孔隙結(jié)構(gòu)表征［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2018， 34（22）： 267-274.

ZHANG Y， YIN X X， LIU T. Strength properties of solidified expansive soil with coal gangue and its pore structure characterization under condition of optimum dosage［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（22）： 267-274.

［12］張雁， 張宇， 郭利勇， 等. 非飽和壓實(shí)膨脹土摻煤矸石的特性研究［J］. 環(huán)境工程學(xué)報， 2016， 10（9）： 5115-5120.

ZHANG Y， ZHANG Y， GUO L Y， et al. Research on properties of unsaturated compacted expansive soil added with coal gangue［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering， 2016， 10（9）： 5115-5120.

［13］LYV H Y， CHEN Y L， XIE Q H， et al. Performance optimization and characterization of loess-slag-based geopolymer composite： a new sustainable green material for backfill［J］. Construction and Building Materials， 2022， 354.

［14］許天馳， 張浩男， 賈蒼琴， 等. 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀改良黃土的崩解性試驗(yàn)研究［J］. 硅酸鹽通報， 2023， 42（2）： 674-681， 707.

XU T C， ZHANG H N， JIA C Q， et al. Experimental study on disintegration properties of microbially induced calcite precipitation modified loess［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2023， 42（2）： 674-681， 707.

［15］董超凡， 林城， 張吾渝， 等. 寒旱區(qū)木質(zhì)素纖維改良黃土的熱學(xué)與力學(xué)性質(zhì)研究［J］. 干旱區(qū)資源與環(huán)境， 2022， 36（5）： 119-126.

DONG C F， LIN C， ZHANG W Y， et al. Study on the thermal parameters and mechanical properties of lignin fiber improved loess in cold and arid areas［J］. Journal of Arid Land Resources and Environment， 2022， 36（5）： 119-126.

［16］ZHANG W Y， GUO A B， CHENG L. Effects of cyclic freeze and thaw on engineering properties of compacted loess and lime-stabilized loess［J］. Journal of Materials in Civil Engineering， 2019， 31（9）： 04019205.

［17］呂德生， 邢海峰， 王振華， 等. 煤矸石、 沙漠砂和黏土燒結(jié)磚強(qiáng)度的影響因素［J］. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報， 2015， 41（5）： 142-147.

LYV D S， XING H F， WANG Z H， et al. Influencing factors of strength of bricks sintered with coal gangue， desert sand and clay［J］. Journal of Lanzhou University of Technology， 2015， 41（5）： 142-147.

［18］張雁， 劉兵兵， 康雪成， 等. 煤矸石改良膨脹土承載比特性研究［J］. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2015， 36（2）： 77-81.

ZHANG Y， LIU B B， KANG X C， et al. Research on CBR of expansive soil improved by coal gangu［J］. Journal of Inner Mongolia Agricultural University（Natural Science Edition）， 2015， 36（2）： 77-81.

［19］WU D T， LUO F， LI M， et al. Macroscopic and microscopic study on the compression bearing characteristics and deformation failure mechanism of gangue with different particle sizes［J］. Powder Technology， 2021， 383： 198-211.

［20］王杰， 朱一丁， 延常玉， 等. 濕陷性黃土摻配煤矸石路基土石混合料路用性能試驗(yàn)研究［J］. 路基工程， 2021（4）： 65-68.

WANG J， ZHU Y D， YAN C Y， et al. Experimental study on road performance of collapsible loess mixed with coal gangue roadbed soil-rock mixture［J］. Subgrade Engineering， 2021（4）： 65-68.

［21］倪萬魁， 師華強(qiáng). 凍融循環(huán)作用對黃土微結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響［J］. 冰川凍土， 2014， 36（4）： 922-927.

NI W K， SHI H Q. Influence of freezing-thawing cycles on micro-structure and shear strength of loess［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2014， 36（4）： 922-927.

［22］全曉娟， 龔禹為， 汪波， 等. 凍融循環(huán)對青藏黏土抗剪強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究［J］. 冰川凍土， 2023， 45（3）： 1016-1025.

QUAN X J， GONG Y W， WANG B， et al. Experimental study on the shear strength of Qinghai-Tibet clay under freezing-thawing cycles［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2023， 45（3）： 1016-1025.

［23］NIU C Y， ZHU Z M， ZHOU L， et al. Study on the microscopic damage evolution and dynamic fracture properties of sandstone under freeze-thaw cycles［J］. Cold Regions Science and Technology， 2021， 24： 103328.

Mechanical and freeze-thaw resistance properties of

loess improved by coal gangue

SUN Mengmeng， WU Libo， YANG Qiuning， LI Hongbo， LIU Huiyang， YANG Jiawei

（School of Civil and Hydraulic Engineering， Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract

Objective Loess with large pores is easy to sink after immersion， and its mechanical properties are easy to change under the action of freeze-thaw cycles， which seriously affects the strength and stability of soil. In seasonal frozen soil area， the use of coal gangue to improve loess can not only reduce the cost， but also solve the problems of large coal gangue pile， wide distribution and environmental pollution. Moreover， the use of coal gangue to improve loess can realize the resource utilization of industrial solid waste， and reduce the cost of engineering construction， while taking into account the problem of environmental protection.

Methods The particle size and composition of loess and coal gangue were tested to analyze the reaction mechanism of coal gangue-modified loess. The unconfined compressive strength test， direct shear test， consolidation compression test and collapsibility test were carried out on the modified loess of coal gangue with different mass fractions. By analyzing the unconfined compressive strength， shear strength， cohesion， internal friction angle， compression coefficient and collapsibility coefficient of coal gangue improved loess specimens， the optimum mass fraction of coal gangue was determined. Using loess raw material as control group， the freeze-thaw cycle test of coal gangue with optimum mass fraction was carried out. To analyze the mechanical properties of the optimal specimens after freeze-thaw cycle， the unconfined compressive strength test and direct shear test were carried out.

Results and Discussion When the mass fraction of coal gangue is 20% and the curing period is 28 days， the unconfined compressive strength of the improved loess is 585 kPa， the shear strength is 287 kPa， the compression coefficient is about 0.19 MPa-1， the cohesion of the improved loess is 63.755 kPa， the internal friction angle is 29.646 °， and the collapsibility is eliminated. The reaction between coal gangue and loess is sufficient， and the cementation between the reaction products and soil particles is strengthened. Meanwhile， the reaction products fill the pores of loess， making the soil structure more dense. In the freeze-thaw cycle test of the optimum specimen with 20% coal gangue， the unconfined compressive strength of the optimum specimen decreases gradually with the increase of the number of freeze-thaw cycles. When the number of freeze-thaw cycles is 11， the loss rates of unconfined compressive strength， shear strength and cohesion are 26.9%， 7.4% and 18.6%， respectively. In contrast， the loss rates of unconfined compressive strength， shear strength and cohesion of unimproved loess are 35.8%， 9.6% and 24.3%， respectively. The influence of freeze-thaw cycles on internal friction angle is small. Therefore， coal gangue-modified loess has better freeze-thaw resistance.

Conclusion Although the activity of coal gangue is low and the strength of improved loess slowly， the collapsibility and freeze-thaw resistance of coal gangue improved loess can be significantly improved. Therefore， when coal gangue is added into loess， the strength and the freeze-thaw resistance of loess can be improved and the collapsibility of loess can be eliminated. In conclusion， coal gangue improved loess is suitable as a foundation material of loess in seasonal frozen soil area.

Keywords：coal gangue; improved loess; mechanical property; freeze-thaw resistance

（責(zé)任編輯：劉魯寧）

收稿日期： 2023-07-10，修回日期：2023-11-20，上線日期：2024-01-13。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，編號：41961011；寧夏重點(diǎn)研發(fā)計劃（引才專項(xiàng)）項(xiàng)目，編號：2019BEB04010。

第一作者簡介：孫萌萌（1997—），男，碩士生，研究方向?yàn)槊夯虖U的資源化利用。E-mail： 562994064@qq.com。

通信作者簡介：武立波（1978—），女（滿族），副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榄h(huán)境巖土工程及煤基固廢的建筑資源化利用。

E-mail： wulibo@nxu.edu.cn。