煤矸石改性膨脹土脹縮行為的孔隙特征分析

張 雁,陳向前，殷瀟瀟,2

(1.內蒙古農業大學能源與交通工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.城發投資集團有限公司，山東 青島 266555)

膨脹土具有顯著的吸水膨脹、失水收縮并在外界干濕交替的環境中反復脹縮變形等特性，可使膨脹土路基邊坡失穩、沉陷，農田水利設施損壞，水土流失加重，影響農業生態環境，從而引發嚴重的安全事故和巨大的經濟損失[1-2]。為了確保膨脹土路基的穩定性，國內外學者對膨脹土路基病害機理及防治措施進行了大量研究。如魏星等[3]研究了擊實膨脹土在干濕循環條件下產生脹縮變形的規律；Cokca等[4]研究發現，摻加粒化高爐礦渣和水泥粒化高爐礦渣可降低膨脹土的膨脹性；Nalbantoglu等[5]研究發現，摻加橄欖樹余渣可降低膨脹土的黏性，并能增加膨脹土的無側限抗壓強度；Rao等[6]研究發現，利用水泥穩定粉煤灰作為墊層材料可抑制膨脹土的脹縮性；劉宇翼等[7]對摻加塑料顆粒改性膨脹土的脹縮性進行了研究，發現塑料顆粒對膨脹土的膨脹性具有顯著的改良作用；孫樹林等[8-10]研究發現，在膨脹土中摻入粗顆粒堿渣、高爐礦渣、廢舊橡膠顆粒，可提高膨脹土的強度，降低其膨脹性；楊俊等[11]對風化砂改良膨脹土的回彈模量進行了研究，發現摻砂比例和初始干密度均對改良膨脹土的回彈模量有顯著的影響；Estabragh等[12]利用石灰、水泥、粉煤灰改良膨脹土，研究了膨脹土在干濕循環作用下的脹縮行為；劉曉義等[13]研究發現，石灰可有效地改良膨脹土的工程性質；Guney等[14]研究了經石灰處理的黏性土在經歷多次干濕循環作用下的脹縮行為。已有研究表明，膨脹土的強度變形、脹縮衰減等工程特征在很大程度上取決于其微觀特征[15]。如徐丹等[16]研究了干濕循環作用對非飽和膨脹土抗剪強度的影響，發現干濕循環作用可使膨脹土的脆性明顯增加，其抗剪強度的變化與其微觀結構和裂隙發育有關；曾召田等[17]研究了膨脹土在干濕循環作用過程中的孔隙結構，發現隨著干濕循環次數的增加，膨脹土的孔隙率、總孔體積等均有所增加；王順等[18]采用離子土壤強化劑對膨脹土進行改性,發現離子土壤強化劑可以有效地改善膨脹土的微結構。還有學者[19-22]采用壓汞試驗對膨脹土孔隙微觀結構在脫濕、凍融等條件下的變化特征進行了研究。如Stoltz等[23]對干燥收縮狀態下石灰改良膨脹土的微觀孔隙構造進行了壓汞試驗研究；Pedarla等[24]利用壓汞試驗檢測了膨脹土的微觀孔隙分布；劉通等[25]研究了煤矸石粉改良膨脹土的收縮性及其失水收縮前后孔隙結構的變化規律，發現煤矸石粉可以降低膨脹土的收縮性，并能減小膨脹土的收縮空間。

綜上所述，目前從宏觀和微觀層面對改良膨脹土的研究較多，利用石灰作為膨脹土改性劑的研究較多，而利用煤矸石粉等廢棄物作為改良劑的相關研究較少。有研究表明，在煤矸石中摻加黏性土或者用黏性土覆蓋煤矸石堆可控制煤矸石中重金屬的溶出量，減少煤矸石對環境的污染[26-31]。本文在綜合前人對膨脹土改性和孔隙特征等方面研究的基礎上，結合當前氣候驟變的特點，模擬極端劇烈干濕循環條件下煤矸石粉的摻入對膨脹土脹縮性的影響，利用固結儀對煤矸石改性膨脹土試樣進行干濕循環試驗，檢測試樣隨干濕循環次數的增加其軸向膨脹變形、收縮變形和含水率的變化，探討煤矸石固化膨脹土的影響因素，并通過壓汞儀測定脫濕狀態下試樣的孔隙分布特征，從細觀孔隙體積變化揭示宏觀脹縮變形機理，對摻入煤矸石解決膨脹土的工程問題和合理利用煤矸石減少環境污染具有重要的工程實用及理論指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1) 膨脹土：試驗所用膨脹土樣取自國道208線集寧至白音查干段K301處，取樣深度為地表以下2 m，該膨脹土試樣呈深棕色，碎粒狀，混有鈣質結核，有滑膩感；經風干碾碎，過0.5 mm篩。按照《公路土工試驗規程》中的方法，對膨脹土試樣分別進行自由膨脹率試驗、液限和塑限聯合測定、擊實試驗，測得膨脹土試樣的基本物理力學指標見表1，并通過顆粒分析試驗得到的土顆粒組成分析結果，見圖1。

表1 膨脹土試樣的基本物理力學指標

圖1 膨脹土試樣的土顆粒組成分析結果Fig.1 Analysis results of soil particle composition of expansive soil samples

由表1和圖1可見，該膨脹土試樣屬于弱膨脹土，不均勻系數Cu=2.5<5，為勻粒土，顆粒級配不良。

(2) 煤矸石：試驗所用煤矸石樣取自烏海市神五煤礦公烏素煤礦4號采區，該煤矸石試樣較堅硬，呈固體片狀，表面油脂光澤，屬于炭質頁巖，其基本化學成分[32]和物理指標，見表2和表3。

表2 煤矸石試樣的基本化學成分含量(%)

表3 煤矸石試樣的基本物理指標

由表2和表3可知，該煤矸石試樣中SiO2、Al2O3的含量占主要部分；煤矸石試樣的吸水率較小，其壓碎值小于30%，滿足公路路基設計規范的要求。

1.2 試驗方法

將取回的膨脹土和煤矸石試樣碾碎過2 mm篩，在膨脹土試樣中分別摻加0%、4%、8%、12%的煤矸石，按照最佳含水率22.00%拌合形成混合料，平行制作26個直徑61.8 mm、高20 mm的試件。

(1) 干濕循環試驗：將試件置于GDG-4S型三聯高壓固結儀中，施加垂直壓力為20 kPa，采用先干燥然后浸水的方法，即先使試件在25 ℃環境中干燥失水，然后在試驗水槽內加水浸泡，記錄試樣24 h的浸水膨脹和失水收縮的軸向變形，待試樣變形穩定后，將固結儀中的水排出，至此試樣經歷第一次干濕循環，參照文獻[17]做6次干濕循環試驗。

(2) 壓汞試驗：采用美國麥克公司生產的Auto Pore IV 9500型全自動壓汞儀對試件進行壓汞試驗，壓汞儀的粒徑測量范圍為0.005～360 μm。取試件在中間部位切出5 mm×5 mm×15 mm的長方體壓汞試樣，對壓汞試樣進行冷凍干燥處理，測定試樣的孔隙密度和孔隙體積。

2 結果與分析

2.1 摻入煤矸石膨脹土試樣的含水率隨干濕循環次數的變化

膨脹土試樣的初始含水率設定為22.00%，按照先干燥后浸水的干濕循環進行試驗，摻入煤矸石膨脹土試樣的含水率隨干濕循環次數的變化，見表4。

表4 摻入煤矸石膨脹土試樣的含水率隨干濕循環次數的變化

由表4可知：與未摻入煤矸石的膨脹土試樣相比，摻入4%、8%、12%煤矸石的膨脹土試樣的干燥含水率增大，增濕含水率降低；經過第1次干濕循環作用后，膨脹土試樣的含水率變化劇烈，之后幾個干濕循環作用后，膨脹土試樣的含水率變化較小；第1次干濕循環作用后0%煤矸石摻量的膨脹土試樣的干燥含水率和增濕含水率從22.00%分別降到3.27%和20.8%，8%煤矸石摻量的膨脹土試樣對應的含水率分別降到6.61%和18.20%；第1～6次干濕循環作用后，8%煤矸石摻量的膨脹土試樣相比4%和12%煤矸石摻量的膨脹土試樣含水率的變化幅度小，表明摻入煤矸石粉的膨脹土試樣的吸水能力受到制約，尤其是煤矸石摻量為8%的膨脹土試樣更為明顯。

2.2 摻入煤矸石膨脹土試樣的軸向應變隨干濕循環次數的變化

試樣先干燥然后浸水的過程中，摻入煤矸石膨脹土試樣浸水膨脹和失水收縮的軸向變形隨干濕循環次數的變化，見表5。

表5 摻入煤矸石膨脹土試樣的軸向變形隨干濕循環次數的變化

由表5可知：隨著干濕循環次數的增加，膨脹土試樣的軸向變形是不可逆的且逐漸減小，第1次干濕循環作用后其軸向變形較大，第2次干濕循環作用后其軸向變形逐漸趨于平緩；與未摻入煤矸石的膨脹土試樣相比，摻入煤矸石膨脹土試樣失水收縮的軸向變形增大，浸水膨脹的軸向變形降低；第1～6次干濕循環作用后，8%煤矸石摻量的膨脹土試樣較其他煤矸石摻量的膨脹土試樣的軸向變形小，表明摻入煤矸石粉可較明顯地約束膨脹土的軸向變形，尤其是煤矸石摻量為8%的膨脹土試樣更為明顯。

2.3 摻入煤矸石膨脹土試樣的膨脹率隨干濕循環次數的變化

摻入煤矸石膨脹土試樣的膨脹率(δ)隨干濕循環次數的變化，見圖2。

圖2 摻入煤矸石膨脹土試樣的膨脹率隨干濕循環次數的 變化Fig.2 Variation of the expansion rate of expansive soil samples mixed with coal gangue with the number of dry-wet cycles

由圖2可見：摻加不同比例煤矸石的膨脹土試樣的膨脹率隨干濕循環次數的變化規律基本一致；各煤矸石摻量下膨脹土試樣在第1次干濕循環作用后其膨脹率達到最大值，第2次和第3次干濕循環作用后其膨脹率較第1次有所減小，第3次干濕循環作用后其膨脹率變化平緩；煤矸石的摻入降低了膨脹土試樣的膨脹率，以煤矸石摻量為8%膨脹土計算，3次干濕循環作用后，摻加煤矸石膨脹土試樣的膨脹率比素膨脹土試樣(即未摻加煤矸石的膨脹土試樣)的膨脹率分別降低了約14%和30%。

2.4 摻入煤矸石膨脹土試樣的收縮率隨干濕循環次數的變化

摻入煤矸石膨脹土試樣的收縮率(λ)隨干濕循環次數的變化，見圖3。

圖3 摻入煤矸石膨脹土試樣的收縮率隨干濕循環次數的 變化Fig.3 Variation of the shrinkage rate of expansive soil samples mixed with coal gangue with the number of dry-wet cycles

由圖3可見：摻加不同比例煤矸石的膨脹土試樣的收縮率隨干濕循環次數的變化規律基本一致；各煤矸石摻量下膨脹土試樣的收縮率在第1次干濕循環作用后達到最大值，此后逐漸降低，到第3次干濕循環作用后變化較為平緩；摻加8%煤矸石膨脹土試樣的收縮率比未摻加煤矸石膨脹土樣的收縮率分別降低了約26%和43%。

綜上所述，在干濕循環作用下，經過第1次干濕循環作用后的膨脹土試樣的含水率、軸向變形、膨脹率、收縮率的變化劇烈，第3次干濕循環作用后其變化較為平緩；煤矸石的摻入均能抑制膨脹土試樣的膨脹率和收縮率，不同煤矸石摻量的膨脹土試樣的膨脹率比素膨脹土試樣的膨脹率和收縮率都有較顯著的降低；煤矸石摻量為8%的膨脹土試樣的軸向變形、膨脹率和收縮率的變化較其他煤矸石摻量的膨脹土試樣小，因此煤矸石的最佳摻量為8%。

2.5 摻入煤矸石膨脹土試樣的孔隙特征分析

根據上述試驗結果，選取前3次干濕循環、8%煤矸石摻量的膨脹土試樣進行孔隙密度和孔隙體積檢測。根據Shear等[33]的孔徑劃分理論，可將膨脹土的微觀結構孔徑劃分為如表6所示的五類，用以分析脹縮變形對膨脹土試樣的內部孔隙特征的影響。

表6 膨脹土內部孔隙類型劃分

2.5.1 孔隙密度

對素膨脹土和8%煤矸石摻量的膨脹土試樣進行壓汞試驗，得到試樣的累計孔隙密度變化曲線，見圖4。

圖4 膨脹土試樣的累計孔隙密度變化曲線Fig.4 Variation curves of cumulative pore density of expansive soil samples mixed with coal gangue

由圖4可見：素膨脹土試樣的孔隙密度隨著干濕循環次數的增加，在超微孔范圍內集中，逐漸經過微孔及小孔過渡，在中孔及大孔區域再次集中[見圖4(a)]；相比于0次干濕循環時，8%煤矸石摻量的膨脹土試樣經干濕循環作用后其孔隙密度在大孔范圍內集中分布情況更為嚴重，表明受到干濕循環作用后，膨脹土試樣發生了膨脹，導致孔隙直徑增大從而加劇了其在大孔范圍的集中分布。

2.5.2 孔隙體積

對素膨脹土和8%煤矸石摻量的膨脹土試樣進行壓泵試驗，得到試樣的累計孔隙體積變化曲線，見圖5。

圖5 摻煤矸石膨脹土樣的累計孔隙體積曲線Fig.5 Accumulated pore volume curves of expansive soil samples mixed with coal gangue

由圖5可見:隨著干濕循環作用次數的增加其累計孔隙體積逐漸增大；在同一干濕循環作用次數下煤矸石的摻入使膨脹土試樣的孔隙體積減小，這是因為干濕循環對膨脹土孔隙體積的增長有促進作用，但是煤矸石的摻入可限制膨脹土孔隙體積的擴張，尤其對微、小、中孔的生成有較為明顯的抑制作用。

2.6 分析與討論

冷挺等[34]通過對國內外學者關于膨脹土工程地質特性的研究總結，得出黏土顆粒與水相互作用時，黏土礦物顆粒表面帶負電，水分子在電場力作用下會吸附在黏土礦物顆粒周圍并形成一層水膜，而水膜的厚度受黏土礦物成分和微觀結構等因素的影響，干濕循環作用下水膜厚度也會發生改變，黏土顆粒間的黏結力會隨之變化。煤矸石粉的摻入使膨脹土試樣中的粗顆粒含量增大，改變了膨脹土的顆粒組成，其最佳含水率增大而最大干密度減小，使膨脹土的脹縮性得到抑制。

脫濕初期，土樣中大量自由水排出導致其含水率快速減小；脫濕中期，土樣中少量自由水和弱結合水排出使其含水率繼續減少；脫濕后期，土粒表面主要包裹少量弱結合水和強結合水，由于土粒對結合水的吸附作用較強，導致水的排出困難，所以其含水率的變化較小，對應的收縮率減小緩慢，孔隙變化減少。增濕過程中土樣短時間內大量吸水，引起其含水率快速增加，水的嵌入破壞了土樣內部顆粒間連接，增大了土粒間的孔隙，引起其孔隙體積增加，隨著土樣的吸水量越來越少，水的嵌入越來越弱，其增濕含水率的變化越來越小，其膨脹率和孔隙體積隨之減小，這一結論與文獻[35]的結果一致。

通過對素膨脹土和8%煤矸石摻量的膨脹土試樣的孔隙密度和孔隙體積進行對比分析后發現，試樣的孔隙類型以超微孔為主，隨著干濕循環作用次數的增加，試樣的孔隙類型進行重分布，并逐漸向小孔、中孔和大孔集中；摻入煤矸石的膨脹土試樣的超微孔密度比素膨脹土試樣的小；試樣的孔隙體積隨著干濕循環作用次數的增加而增加，摻入煤矸石的膨脹土試樣，各類孔的孔隙體積較素膨脹土試樣小。可見，摻入煤矸石后膨脹土試樣在干濕循環作用下，由于試樣內部的孔隙類型進行了重新分布，其孔隙密度和孔隙體積受到制約，因此膨脹土的脹縮性得到了抑制。

3 結 論

在干濕循環條件下，通過對影響膨脹土脹縮性的因素及其微觀孔隙特征的分析，得出如下結論：

(1) 干濕循環作用下膨脹土樣的脹縮性能與土樣的含水率有關，含水率大小的變化反映膨脹土樣的吸水能力；摻入煤矸石對膨脹土的吸水含水率和干燥含水率有所控制，減弱了膨脹土的吸水能力。經過6次干濕循環作用，膨脹土試樣吸水膨脹后的含水率隨干濕循環次數的增加而降低，干燥收縮后的含水率隨干濕循環次數的增加而增加；摻入煤矸石的膨脹土試樣的軸向應變隨干濕循環次數的增加逐漸減小，其變化規律與含水率一致。

(2) 在干濕循環作用下，膨脹土試樣內部的孔隙類型進行了重新分布，其孔隙密度和孔隙體積降低，因此膨脹土的脹縮性受到了抑制。膨脹土試樣的膨脹率和收縮率在第1次干濕循環作用中達到最大值，此后逐漸趨于穩定；煤矸石的摻入降低了膨脹土的膨脹率和收縮率,摻入8%的煤矸石可有效抑制膨脹土的脹縮率。

本研究成果可為解釋煤矸石改性膨脹土的脹縮性機理和工程應用提供支撐。