石灰－钢渣－煤矸石混合料力学性能试验研究∗

孟文清 ，冀 昊 ，刘金堂 ，王 鹏 ，张亚鹏 ，崔邯龙

（1.河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸056038；2.河钢集团邯郸钢铁有限责任公司，河北 邯郸056015 ）

0 引言

随着公路工程建设的飞速发展，我国对石材的消耗日益增多，不仅耗费了大量的人力物力，且石料的开采有可能造成严重的生态破坏。煤矸石是伴随着煤炭开采产生的固体废物，大多以堆存的方式来处理，这不但占用了土地资源，影响生态环境，而且存在坍塌、滑坡、泥石流等地质灾害隐患［1］。另一方面随着钢铁工业的蓬勃发展，我国每年都要产生大量的钢渣，积存的钢渣占用土地对环境也会产生不良影响。因此，如果能将煤矸石、钢渣等工业固体废弃物应用于公路工程，不仅可以减少石材资源的开发，还可以促进工业固体废弃物的大量消纳，解决废弃物的堆存问题［2］。

近年来，国内外学者以煤矸石为研究对象，添加一定量的无机结合材料，制备成煤矸石混合料，依托工程应用实例，证明了煤矸石混合料作为路面基层材料的可行性［3－5］。钢渣作为工业固废，其密度大，强度较高，将其作为道路材料可进一步提高基层承载力，降低工程建设成本［7－9］。本文以煤矸石为主要研究对象，添加一定量的石灰和钢渣，制备成石灰－钢渣－煤矸石混合料，通过均匀设计，研究煤矸石混合料的力学性能与混合料各掺量之间的关系，旨在为工程实际应用提供理论依据和技术支撑。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1） 煤矸石： 选用邯郸市峰峰矿区自燃煤矸石，以页岩为主，外观呈红褐色，破碎过31.5 mm筛，级配曲线如图1 所示，化学组成和物理性质见表1 和表2。

图1 煤矸石级配曲线Fig.1 Grading curve of gangue

表1 煤矸石化学组成Table 1 Chemical composition of coal gangue

表2 煤矸石物理性质Table 2 Physical properties of coal gangue

由表1 可直观看出煤矸石主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主，其含量占到了90.30%，说明在适当的温度及湿度条件下，煤矸石具有很高的火山灰活性，可有效提高煤矸石混合料整体的强度。由表2 可知，所选煤矸石各项物理指标均满足（JTG／T F20－2015）《公路路面基层施工技术细则》［11］，可应用于路面基层材料。

由图1 可知，煤矸石粒径大于5 mm 的占总比重的50%左右，曲率系数Cc为2.45，在1～3 范围内，说明集料粒径齐全，连续分布。不均匀系数Cu为29.10＞5，说明粒料分布不均匀，其中大粒径颗粒较多，细颗粒较少，因此，在材料组成设计时，可选用煤矸石充当混合料的骨架。

（2） 石灰： 选用武安市钙质的石灰粉，有效氧化钙和氧化镁含量36%，低于三级钙质石灰的标准。对于等外石灰，从强度及成本考虑，研究低碱石灰煤矸石路面基层混合料。

（3） 钢渣： 钢渣选用邯郸市钢厂未陈化的细钢渣，粒径为0～5 mm，外观呈灰黑色，质地松散不黏结，表观密度2.84 g·cm－3，浸水膨胀率1.63%＜2%，满足路用钢渣稳定性要求。

1.2 配合比设计

依据均匀设计的原理［12］，对煤矸石混合料的原材料进行配合比设计。依据前期试验结果［13－16］，煤矸石作为主要原材料，占比宜大于65%； 钢渣占煤矸石混合料30%以下； 石灰质量百分比宜在3%～12%之间。混合料配合比是采用以煤矸石质量为基准的基准配合比方式，即各原材料的掺入量为相对掺入煤矸石质量的百分数（煤矸石： 石灰： 钢渣＝1：x1：x2）； 设定各掺合料的掺量范围： 石 灰x1∈ ［0.040，0.160］，钢 渣x2∈［0.100，0.450］，选用均匀设计表U∗6（64），配合比方案见表3。

表3 煤矸石混合料均匀设计配合比Table 3 Uniform design mix ratio of coal gangue mixture

1.3 试验方法与条件

按照JTG E50－2009［17］《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，根据不同的配合比设计，对煤矸石混合料进行击实试验，确定混合料的最佳含水量和最大干密度。配置各组最佳含水量条件下的煤矸石混合料，静压成型尺寸大小为Φ150 mm×150 mm 的圆柱形试件，标准养护后，进行7 d 无侧限抗压强度、180 d 抗压回弹模量及180 d 劈裂强度试验，如图2 所示，测试结果见表4。

图2 力学性能试验过程Fig.2 Test process of mechanical properties

表4 煤矸石混合料力学性能试验结果Table 4 Test results of mechanical properties of coal gangue mixture／MPa

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度试验结果分析

运用MATLAB R2020a，基于7 d 无侧限抗压强度（见表4），以石灰掺量x1、钢渣掺量x2为自变量，无侧限抗压强度Rc为因变量，进行多项式逐步回归，建立煤矸石混合料各掺量与无侧限抗压强度的回归分析模型：

煤矸石混合料各掺量对无侧限抗压强度的影响曲线如图3 所示。

图3 煤j 矸石混合料掺量对无侧限抗压强度的影响曲线Fig.3 Curve of influence of gangue mixture on unconventional compressive strength

在回归模型中，复相关系数R2＝0.9858，显著性分析结果P＝0.0211 （＜0.05）。表明在自变量x1、x2与因变量Rc之间存在很大的相关性，故回归方程显著。

由图3 可以看出，钢渣掺量x2在给定区间内，随着石灰掺量x1的增加，抗压强度Rc先增加后减小； 石灰掺量x1在给定区间内，随着钢渣掺量x2的增加，抗压强度Rc逐渐增加。

式（1） 对x1求偏导，

诗人、作家、评论家张修林在《谈文人》一文中对“文人”作如下定义：文人是指人文方面的、有着创造性的、富含思想的文章写作者（张修林2009）。文人话语的典型文本是文人所做的诗文书画，包括记录日常生活“痕迹”的日记、游记等。作为一个受中国文化影响的文人，芥川在《中国游记》的话语表述中，不乏自然风光的诗意书写。如在苏州游记中，芥川单独列出一个小节描写苏州的美丽景致，题名就叫“苏州的水”。苏州之水激发了他创作的灵感，使他写下三大段优美文字。其中一段如下：

由式 （2） 可知，钢渣掺量x2∈ ［0.100，0.450］，当石灰掺量x1∈［0.040，0.098） 时，，抗压强度Rc随着石灰掺量x1的增加由1.8 MPa 增 加 到3.5 MPa； 当 石 灰 掺 量x1∈（0.098，0.160］ 时，，抗压强度Rc随着石灰掺量x1的增加由3.5 MPa 减小到1.7 MPa。由此可见，石灰掺量过高，对混合料的无侧限抗压强度产生不利影响。这是由于过量的石灰水化反应生成的Ca （OH）2会和空气中的CO2发生碳酸化作用形成 CaCO3。该反应所提供的强度比Ca （OH）2的结晶作用和火山灰反应所提供的强度要低。

式（1） 对x2求偏导，

由式 （3） 可知，石灰掺量x1∈ ［0.040，0.160］，当钢渣掺量x2∈［0.100，0.450］时，抗压强度Rc随着钢渣掺量x2的增加由1.7 MPa 增加到3.5 MPa。这是由于钢渣密度大，硬度高，在机械压实的作用下，混合料的骨架结构更加密实，强度也随之提高。

2.2 抗压回弹模量试验结果分析

以石灰掺量x1、钢渣掺量x2为自变量，180 d抗压回弹模量Ec为因变量，进行多项式逐步回归，建立煤矸石混合料各掺量与抗压回弹模量的回归分析模型：

煤矸石混合料各掺量对抗压回弹模量的影响曲线如图4 所示。

图4 煤矸石混合料掺量对抗压回弹模量的影响曲线Fig.4 Graph of the influence of gangue mixture on compressive rebound modulus

在回归模型中，复相关系数R2＝0.9990，显著性分析结果P＝0.047 （＜0.05）。表明在自变量x1、x2与因变量Ec之间存在很大的相关性，故回归方程显著性较好。

式（4） 对x1求偏导，

2.3 劈裂强度试验结果分析

以石灰掺量x1、钢渣掺量x2为自变量，180 d劈裂抗拉强度Ri为因变量，进行多项式逐步回归，建立煤矸石混合料各掺量与劈裂强度的回归分析模型：

煤矸石混合料各掺量对劈裂强度的影响曲线如图5 所示。

图5 煤矸石混合料掺量对劈裂强度的影响曲线Fig.5 Curve of influence of gangue mixture on cleavage strength

在回归模型中，复相关系数R2＝0.9926，显著性分析结果P＝0.01 （≤0.01）。表明在自变量x1、x2与因变量Ri之间存在很大的相关性，故回归模型显著。

由图5 可以看出，钢渣掺量x2在给定区间内，随着石灰掺量x1的增加，劈裂强度Ri先增加后减小； 石灰掺量x1在给定区间内，随着钢渣掺量x2的增加，劈裂强度逐渐减小。

式（7） 对x1求偏导，

劈裂强度则降低。

2.4 力学性能综合分析

通过上述对煤矸石混合料基本力学性能试验研究，得出了混合料三项力学性能指标范围。7 d无侧限抗压强度可达到3.5 MPa，接近水泥稳定类无机结合料强度，满足重型特重型公路路面底基层使用。180 d 抗压回弹模量为900 ～1700 MPa，180 d 劈裂强度为0.4～0.7 MPa，两者均达到了石灰土和石灰土碎石材料的设计参数水平［17］。结合回归模型（1）、（4）、（7） 计算分析，得出了较合理的混合料各掺量范围： 石灰x1∈ ［0.080，0.105］，钢渣x2∈［0.100，0.195］，并针对不同等级公路，设计了不同的配合比，如表5 所示。

表5 石灰－钢渣－煤矸石混合料路用指标设计参数Table 5 Lime－steel slag－coal gangue mixture road indicators design parameters

3 结论

（1） 采用多项式逐步回归的方法，得出了混合料的无侧限抗压强度、抗压回弹模量和劈裂强度的回归方程，通过显著性检验，表明混合料各掺量与三项力学性间存在很大相关性，回归方程显著。

（2） 利用回归方程，分析得出混合料各掺量对三项力学性能的影响： 钢渣掺量在给定区间内，随着石灰掺量的增加，混合料的三项力学性能呈现先增加后减小的趋势； 石灰掺量在给定区间内，随着钢渣掺量的增加，无侧限抗压强度逐渐增加，抗压回弹模量先增加后减小，劈裂强度逐渐减小。

（3） 根据回归试验结果，得出了较合理的混合料各掺量范围，即石灰x1∈［0.080，0.105］，钢渣x2∈［0.100，0.195］，并针对不同等级公路，给出了相应的配合比范围，为工程实际应用提供了理论依据和技术支撑。