内蒙煤矸石在改良膨胀土早期强度上的应用

2015-04-26康雪成朱志琪陈哲路郭利勇

湖南交通科技 2015年1期

康雪成，张雁，朱志琪，陈哲路，郭利勇

(1.内蒙古农业大学能源与交通工程学院，内蒙古呼和浩特 010018;2.包头市市政工程管理局，内蒙古包头 014010)

0 前言

煤矸石是在煤形成的过程中，与煤伴生的一种相对较坚硬的黑色岩石，其含碳量比较低，在自然堆积容易发生自燃，并在自燃过程排中放出一些CO2、SO2和氮氧化物等气体，以及煤矸石中的重金属与水易产生酸性溶液，会对空气、土地等产生很大的污染［1］，鉴于内蒙古巨大的煤炭产量，其排放的大量煤矸石的处理利用问题也成为一个焦点。

膨胀土是道路工程中常见的一种特殊性质土，被认为是工程建设中的“癌症”。根据相关规程要求，如果采用弱、中膨胀土修筑路基则必须采取相关处理措施，目前最常采用的措施是石灰改良膨胀土，一般石灰掺量在5%左右［2－7］，石灰改良膨胀土的机理主要是石灰掺入膨胀土后发生离子交换作用、胶结作用、絮凝作用、碳化作用［8］，但石灰改良膨胀土由于其胶凝作用慢，因此前期强度较低［5］。因此结合内蒙古本地煤矸石分布量大的情况，拟采用煤矸石和石灰对膨胀土进行改良，这不仅能够起到改良膨胀土的目的，同时能够就地取材，降低工程造价，以及起到保护环境的作用。本文通过对在石灰、石灰煤矸石不同掺量下的改良膨胀土进行试验研究，分析在石灰中掺入煤矸石后对石灰改良土的早期抗剪强度的影响。

1 试验材料

试验采用的膨胀土土样颜色为灰色，有滑感，粘土质较重，肉眼可看到少量的白色钙质结核。试验用膨胀土基本性质指标见表1。

表1 膨胀土的基本指标 %

由表1 可知该膨胀土的液限为56%，塑限为23.77%，塑性指数为31.07，自由膨胀率为56%，将结果与公路路基设计规范和膨胀土地区建筑技术规范对照，可以综合确定该膨胀土为弱膨胀土。

本试验所采用的煤矸石来自内蒙古乌海煤矿矿区，煤矸石质地较坚硬，呈现灰黑色，成片麻状，其成分分析结果和基本技术指标见表2 和表3，石灰成分见表4。

表2 煤矸石的化学成分及含量 %

表3 煤矸石的物理指标 %

表4 石灰的成分及含量 %

2 石灰煤矸石改良膨胀土的性质试验

2.1 石灰煤矸石改良膨胀土液塑限试验

本试验采用的石灰、煤矸石、膨胀土均过5 mm筛，然后将石灰按照占干混合料的4%、5%、6%进行制备试样，将石灰煤矸石与膨胀土的比例(干土质量比)按照4 ∶8 ∶88、5 ∶10 ∶85、6 ∶12 ∶82 这3组制备试样，将制备好的土样进行闷料24 h 后，采用液塑限联合测定法进行液塑限试验，结果如表5。

表5 液塑限试验结果 %

试验结果表明在掺入相同石灰量时，对于改善膨胀土的液塑限石灰土、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，降低了塑性指数，但石灰煤矸石所起到的作用要大于只掺入石灰时的膨胀土，说明在石灰中掺入煤矸石后的改良膨胀土的效果得到提升。

2.2 石灰煤矸石改良膨胀土击实试验

对掺量石灰土、石灰煤矸石土按照T－0131－2007 方法［9］进行击实试验，选取干法备料，然后将备好的土样养护24 h 后，采用重型击实法进行试验。所用击实仪器为重型电动击实仪，试筒内径为10 cm，高12.7 cm，容积997 cm3。试验所得击实曲线如图1，结果如表6 所示。

试验结果表明，在掺入石灰、石灰煤矸石后，膨胀土的最佳含水率随掺量的增大减小，最大干密度都相应的变大，但无明显规律，且在最佳含水率的改良效果上，石灰煤矸石的效果明显优于只掺入石灰。

2.3 石灰煤矸石改良膨胀土的直剪试验

2.3.1 养护龄期1 d 的直剪试验

图1 膨胀土及改良土的击实曲线

表6 击实试验结果

对不同掺量下的石灰土、石灰煤矸石土进行直剪试验，试件压实度控制在93%以上(控制方法采用质量控制，根据最大干密度和配制土样的含水率以及环刀的体积求出93%压实度下所需要的土的质量，再将两个环刀背靠背叠放在一起，将所需土样倒入叠好的环刀后，将一与环刀内径、高度相同的铁块击实打入环刀内，直到铁块顶面与环刀顶面相平为止)，将备好的土料进行养护24 h 后，制作试件，进行直剪(快剪)试验。本试验采用南京土壤仪器有限公司生产的ZJ 型应变控制式直剪仪，试验所得抗剪强度与垂直压力关系如图2 所示。

图2a ～图2g 可以发现拟合方程的相关系数均大于0.94，说明数据符合良好的线性关系，因此由抗剪强度与垂直压力关系曲线可以得到不同掺量下的强度指标:内摩擦角、粘聚力，其结果如表7 所示。

试验结果表明，在膨胀土中掺入石灰后，其内摩擦角、粘聚力随着掺入量的增加而增大;在膨胀土中掺入石灰煤矸石后，其内摩擦角较石灰土的内摩擦角有一定增大，但粘聚力先增大后减小。

2.3.2 养护龄期7 d 的直剪试验

将制作好的直剪试件密封，放在25 ℃，湿度98%以上，养护7 d，然后再做快剪试验。试验得到垂直压力为50 kPa 下的抗剪强度，结果如表8 所示。

图2 不同掺量下的抗剪强度与垂直压力关系曲线

表7 直剪试验结果

表8 抗剪强度

通过表8 试验结果可以发现，在对试件养生7 d后，石灰膨胀土和石灰煤矸石膨胀土在垂直压力为50 kPa 时所得到的抗剪强度相近，这说明在养护7 d后的改良效果相近，但石灰煤矸石在改良膨胀土的早期强度上有较好的效果。

3 结果讨论

1)在膨胀土中掺入石灰、石灰煤矸石后，其液限降低，塑限升高，这说明加入石灰、石灰煤矸石后使得膨胀土由高塑性土变为塑性较低的土，使得工程特性更加稳定。其原因是:石灰的主要成分为CaO，石灰与水接触会发生反应生成Ca(OH)2，又在水中发生电解反应，形成Ca2+，相对高价的Ca2+通过离子交换作用置换出粘土颗粒(晶格)Na+与K+。通过离子交换作用能有效降低土的塑性指数［8］;在加入煤矸石后，由于煤矸石含有一定量的CaO、MgO 成分，这也会发生离子交换作用;并且加入石灰煤矸石后，在同质量的情况下，降低了膨胀土中粘粒所占，增加了粉粒、砂粒的比例，降低了膨胀土的亲水性。

2)在掺入石灰、石灰煤矸石后，膨胀土的最佳含水率随掺量的增大而减小，其原因是:①在一定的击实功下，加入煤矸石颗粒可以改变原状土中颗粒分布，增大了膨胀土中粗颗粒的含量，使得其更容易达到密实状态，从而降低了最佳含水率;②膨胀土中掺入石灰、煤矸石，会增加孔隙水溶液中阳离子浓度，使得土颗粒表面的双电层中的阳离子浓度也相应增加，会导致双电层变薄，最终结果是土颗粒间距缩小，使其更易达到密实，最佳含水率降低。

3)掺入石灰煤矸石后，膨胀土内摩擦角和粘聚力有了很大程度的提高，其原因是有三点:①加入石灰后，会发生离子交换反应，反应的后期膨胀土中的硅胶、铝胶将与石灰进一步反应形成含水CaSiO3和CaO·Al2O3，这两种物质具有较强的粘结力;②在掺入煤矸石颗粒后，膨胀土中的粗颗粒含量增多，导致其内摩擦角增大;③煤矸石含有大量活性SiO2和Al2O3，在石灰存在的情况下，水化生成胶凝性物质、胶结膨胀土颗粒，增大了其粘聚力。

但随着煤矸石掺量的增多，导致膨胀土中的粗颗粒过多，从而粘聚力出现先增大再减小的趋势。而内摩擦角的减小则是因为其产生了胶凝性物质，将煤矸石颗粒包裹，因此在一定程度上减小了其表面粗糙度，导致了内摩擦角随煤矸石掺量增多有了一定量的减小。