煤矸石改良路基土的强度特性试验研究

2021-05-21尚晓丽

设备管理与维修 2021年8期

关键词：黏聚力摩擦角煤矸石

尚晓丽

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

煤矸石是煤矿开采过程产生的废弃渣料。我国是煤矸石储量大国，每年有近亿万吨的煤矸石产生，占据了大量土地，同时对环境造成了较为严重的污染。因此，煤矸石的处治措施成为当前研究的热门课题之一。

1 煤矸石的应用研究

近年来，学者对煤矸石的使用进行了大量研究，并取得了较为丰硕的成果。白金玲等[1]对煤矸石粗集料混凝土的耐腐蚀进行了研究。王长龙等[2]采用粉煤灰和煤矸石作为主要材料来制备加气混凝土，分析了煤矸石的最佳活化温度及其对加气混凝土力学特性的影响。李强等[3]通过对煤矸石的煅烧，研究了煤矸石的活性的内在机理，并对煤矸石受煅烧温度的影响进行了分析。邱继生等[4]研究了煤矸石混凝土在冻融循环下的损伤演化规律，并建立了煤矸石混凝土的损伤演化方程。李永靖等[5]基于正交试验对不同煤矸石掺量、粉煤灰掺量、水灰比等对混凝土的徐变性能进行了研究。

综上分析可知，煤矸石在室内试验中已经得到广泛采用。在前人研究的基础上，对煤矸石改良路基土进行了三轴固结不排水试验，分析了煤矸石掺量对路基土力学性质的影响，为煤矸石在公路工程中的应用打下基础。

研究结果表明：随着煤矸石掺量的逐渐增加，改良后的路基土的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均得到显著增强。其中，煤矸石掺量从0%至16%，路基土的抗剪强度提升了38.87%、黏聚力提升了26.49%、内摩擦角提升了8.48%。随着煤矸石掺量的增加，抗剪强度、黏聚力和内摩擦角的增长速率均逐渐趋缓。

2 试验部分

2.1 试样制备

试验所使用的风积砂取自京沈客运专线阜新段，采用筛分法对选取的风积砂样品进行颗粒级配分析，级配曲线如图1 所示。可以看出，试验用风积砂级配良好。

试验用煤矸石取自阜新艾友煤矿矸石山，粒径分布范围较广，最大粒径可达到1 m 左右。考虑到试验用的试件尺寸，需要对煤矸石进行破碎处理。选取直径在（0～2.36）mm 内的煤矸石粉末备用，堆积密度约为874 kg/m3，主要化学成分为氧化硅和氧化铝，另外还含有少量氧化铁、氧化钙及氧化镁等。

图1 风积砂的级配曲线

试验用水泥为市面上普遍销售的普通硅酸盐水泥（P·O42.5），其初始凝固时间约为150 min，终止凝固时间约为230 min，标准抗压强度和抗折强度分别为51.4 MPa 和9.4 MPa（28 d）。

将风积砂、煤矸石、水泥和水按表1 配合比搅拌均匀。在搅拌过程中，加入的水量通常高于最优含水率0.5%左右，原因是搅拌过程中会有水分蒸发。混合料拌和完成后分5 层装入直径39.1 mm、高80 mm 的标准土样模具中振捣击实，每层击实次数不少于25 次。击实完成后，在试样表面进行拉毛处理，以此来缓解分层导致的误差。制样过程中，煤矸石改良土的压实度控制为0.95。制备好的试样采用保鲜膜包裹密实，然后放在养护箱中恒温恒湿养护，养护龄期分28 d。

表1 煤矸石改良路基土配合比设计

2.2 试验方法

为研究煤矸石改良后路基土的强度特性，对养护完成后的路基土进行三轴固结不排水试验，即CU 试验。试验设备为英国进口的GDS多功能三轴动、静加载试验系统。根据实际路基土埋深情况，取围压分别为20 kPa、40 kPa、60 kPa 和80 kPa，加载速率为0.5 mm/min。试样的峰值强度取应力—应变曲线峰值点；若无明显峰值点，则取轴向应变为15%时对应的强度作为峰值强度。具体试验方案见表2。

表2 试验方案

3 试验结果分析

3.1 抗剪强度分析

图2 为改良路基土试样的抗剪强度与煤矸石的掺量、围压之间的关系曲线。从图2a）中可以看出，随着煤矸石掺量的逐渐增加，不同围压下试样的抗剪强度呈逐渐增大变化趋势。可解释为煤矸石掺量的增加使试样内部的活性氧化硅、氧化铝的含量显著提升，二者与水反应后产生的胶结物质逐渐增多，致使试样的整体抗剪强度逐渐增大。从图2a）中还可以看出，煤矸石掺量大于一定值后，试样的抗剪强度逐渐趋于稳定。从图2b）中可以看出，随着围压的逐渐增大，改良路基土试样的抗剪强度逐渐增长，且在围压较低时抗剪强度增长较快，此后抗剪强度的增长速率逐渐减小，二者近似满足指数函数分布。

图2 抗剪强度与煤矸石掺量、围压之间关系

3.2 抗剪强度参数分析

黏聚力和内摩擦角作为土体抗剪强度参数，对分析土体的力学特性具有重要作用。采用绘制莫尔应力圆的方法来计算不同掺量下煤矸石改良路基土的黏聚力和内摩擦角。图3 为煤矸石改良路基土的黏聚力、内摩擦角随煤矸石掺量的分布曲线。

从图3 中可以看出，煤矸石掺量对路基土的抗剪强度参数具有显著影响。随着煤矸石掺量的逐渐增加，黏聚力和内摩擦角均出现逐渐增大变化，且增长速率均逐渐趋缓。随着养护龄期的逐渐增加，煤矸石改良路基土试样的黏聚力和内摩擦角同样呈逐渐递增趋势，且增长速率逐渐趋缓。可解释为煤矸石的增加使改良后的土样内部水化反应加剧，胶结物质增多，抗剪强度参数增大，但水泥掺量固定，水化反应逐渐减弱，致使抗剪强度参数逐渐稳定。表3 为不同煤矸石掺量、不同围压下煤矸石改良路基土的力学参数统计结果。

图3 抗剪强度参数与煤矸石掺量之间关系

表3 煤矸石改良路基土力学参数统计结果

由表3 可知，以围压20 kPa 为例，当路基土中未掺加煤矸石时，土样的抗剪强度为762.1 kPa；当煤矸石掺量分别4%、8%、12%和16%时，路基土的抗剪强度分别为835.7 kPa、937.9 kPa、1040.3 kPa 和1058.3 kPa，与未掺加煤矸石土样的抗剪强度相比分别提升了9.66%、23.07%、36.50%和38.87%。可见煤矸石改良后的路基土的抗剪强度得到了有效提升。对于抗剪强度参数，当路基土中未掺加煤矸石时，土样的黏聚力为249.1 kPa，内摩擦角为28.3°；当煤矸石掺量为16%时，路基土的黏聚力提升了26.49%，内摩擦角提升了8.48%。可见，煤矸石的掺量对土体的黏聚力影响较大，对内摩擦角的影响则相对较弱。