油頁巖廢渣—粉煤灰復合改良黏土力學特性試驗研究

（信陽市平橋區公路管理局，河南 信陽 464000）

我國作為油頁巖儲量大國[1-5]，卻隨著油頁巖開采和利用量逐漸增大，導致產生的廢渣不斷增加。由于廢渣附加利用價值低，常將廢渣棄置于附近土地，不僅占用大量土地、污染土地與地下水，也不利于實現經濟可持續發展[4-5]。而路基填筑過程中需要大量良好工程性能的石料或改良土，對此若將油頁巖廢渣與土合理結合并填筑路基，既減少了油頁巖廢渣對生態環境的破壞，又緩解了路基填料供應問題，創造了良好的生態效益與經濟效益。目前，對于粉煤灰應用于路基土已取得了較多研究成果和實踐經驗[6-11]，對于油頁巖廢渣摻入路基土中研究較少。鑒于此，筆者依托吉林某地區路基工程，以油頁巖廢渣-粉煤灰復合改良黏土（簡稱“復合改良土”）為研究對象，采用平行試驗設計方法，分析油頁巖廢渣、粉煤灰摻量對改良黏土CBR、7d無側限抗壓強度的影響規律，選定復合改良土最優配合比；按最優配合比成型試件，對復合改良土抗剪強度和抗壓強度進行研究。

1 原材料與研究方案

1.1 原材料

黏土取自松原某路基取土場，其物理性質見表1。油頁巖廢渣和粉煤灰分別取自汪清縣羅子溝和松原某熱電廠，化學成分見表2。油頁巖廢渣顆粒組成見表3。

表1 黏土物理性質Table 1 Physical properties of clay

表2 油頁巖廢渣和粉煤灰化學成分Table 2 Chemical constituents of oil shale waste residue and f ly ash

圖1 油頁巖廢渣摻量～復合改良土CBR關系Fig. 1 CBR relation of oil shale waste residue to composite modif ied soil

表3 油頁巖廢渣顆粒組成Table 3 Particle composition of oil shale waste residue

1.2 研究方案

（1）復合改良土配合比設計

采用平行試驗設計方法，研究油頁巖廢渣摻量A、粉煤灰摻量B對復合改良土CBR和7d無側限抗壓強度影響規律，并選定油頁巖廢渣-粉煤灰改良土最優配合比。油頁巖廢渣摻量為油頁巖廢渣干質量與黏土干質量百分比，粉煤灰摻量為粉煤灰干質量與黏土干質量百分比。按《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）重型擊實試驗法確定的最佳含水率和壓實度90%的要求，采用擊實法成型CBR試樣，尺寸為Φ100×h127mm，試驗前試樣泡水4晝夜，每組實驗采用3個平行試件；采用靜壓法成型尺寸為Φ100×h100mm無側限抗壓強度試樣，試樣成型完畢后，放入溫度（20±2）℃，濕度95%的標準養護室養生，養生最后一天放入清水中浸泡一晝夜，儀器采用液壓伺服萬能試驗機WAW-100，每組試驗采用6個平行試件。

（2）復合改良土力學特性

結合現場路基壓實水平，按最優配合比成型試件，研究含水率對復合改良土力學強度影響規律，提出施工含水率指導意見。擬含水率為10.8%、11.8%、12.8%、13.8%、14.8%，壓實度為90%、93%、96%、98%，三軸壓縮試樣養生齡期為7d，無側限抗壓強度試樣養生齡期為7d、14d、28d、60d、90d。三軸壓縮試驗中，采用擊實法成型試件，尺寸為Φ61.8×h125mm，擬采用不固結不排水試驗方法，圍壓分別為100KPa、200KPa、300KPa，儀器選用應變控制式三軸壓縮儀；試驗中，擬剪切速率為0.8mm/min，當測力計讀數出現峰值或剪切位移達到軸向應變的15%～20%后，停止試驗。無側限抗壓強度試驗方法同上。

2 試驗結果及分析

2.1 配合比設計

2.1.1 CBR試驗

復合改良土CBR試驗結果見圖1～圖2所示。

圖2 粉煤灰摻量～復合改良土CBR關系Fig. 2 CBR relation of f ly ash content to composite modif ied soil

由圖1～圖2可知：

（1）黏土摻入適量油頁巖廢渣和粉煤灰后，其CBR得到顯著改善，且滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）路基填料設計要求。

（2）粉煤灰摻量一定時，復合改良土CBR隨油頁巖廢渣摻量增加呈線性增長。當油頁巖廢渣摻量每增加5%，改良土CBR平均提高20%。另外，粉煤灰摻量25%、油頁巖廢渣摻量25%的改良土CBR與粉煤灰摻量20%、油頁巖廢渣摻量30%改良土CBR相當，且粉煤灰摻量25%、油頁巖廢渣摻量30%的改良土CBR與粉煤灰摻量20%、油頁巖廢渣摻量35%改良土CBR相當，說明一定范圍的油頁巖廢渣、粉煤灰摻量對復合改良土CBR改善效果相近。

（3）油頁巖廢渣摻量一定時，復合改良土CBR隨粉煤灰摻量增加拋物線趨勢變化。當粉煤灰摻量為25%時，CBR取得峰值；當粉煤灰摻量從15%增加到25%，改良土CBR平均提高37%，而25%、30%油頁巖廢渣摻量改良土CBR分別提高61%、42%；粉煤灰摻量從25%增加到30%，改良土CBR平均降低4%，說明粉煤灰摻量30%的復合改良土CBR大于同一油頁巖廢渣摻量的粉煤灰摻量20%改良土CBR。

2.1.2 7d無側限抗壓強度試驗

復合改良土7d無側限抗壓強度試驗結果如圖3～圖4所示。

圖3 油頁巖廢渣摻量～復合改良土抗壓強度關系Fig. 3 Compressive strength relationship between oil shale residue content and composite improved soil

圖4 粉煤灰摻量～復合改良土抗壓強度關系Fig. 4 The relationship between f ly ash content and compressive strength of composite improved soil

由圖3～圖4可知：

（1）粉煤灰摻量一定時，復合改良土抗壓強度隨油頁巖廢渣摻量增加呈線性增長，且抗壓強度增長明顯。當油頁巖廢渣摻量每增加5%，各粉煤灰摻量改良土抗壓強度分別約提高14%、12%、13%、13%，說明油頁巖廢渣摻量對各粉煤灰摻量改良土抗壓強度影響作用基本一致。

（2）油頁巖廢渣摻量一定時，復合改良土抗壓強度隨粉煤灰摻量增加呈拋物線趨勢變化，先增大后減小。當粉煤灰摻量為25%時，改良土抗壓強度最大，當粉煤灰摻量從15%增加到25%，改良土抗壓強度平均提高25%；當粉煤灰摻量從25%增加到30%，改良土抗壓強度平均降低6%。說明適量粉煤灰摻量有利于改良土抗壓強度提高。

對此，結合工程造價及改良土配合比設計結果，建議油頁巖廢渣摻量為30%，粉煤灰摻量為25%。

2.2 力學特性

2.2.1 三軸壓縮試驗

油頁巖廢渣摻量30%、粉煤灰摻量25%改良土三軸壓縮試驗結果如圖5所示。

圖5 含水量～復合改良土抗剪強度參數關系Fig. 5 Shear strength parameter relation of moisture content to composite modif ied soil

由圖5可知，壓實度一定時，復合改良土內摩擦角隨含水率提高呈拋物線趨勢變化，先增大后減小，內摩擦角在含水率11.8%處取得峰值；粘聚力隨含水率提高逐漸降低，且降低速率不斷減小，說明施工含水率大于室內最佳含水率，改良土抗剪性能下降。當含水率從11.8%增加到14.8%，改良土內摩擦角約平均降低了16%，含水率10.8%、12.8%改良土內摩擦角分別約為含水率11.8%改良土內摩擦角的96%、95%；含水率從10.8%增加到12.8%，改良土粘聚力約降低了50%，對此，考慮改良土填筑路基過程中水分損失及施工工藝，建議施工含水率為12.8%～13.8%。

2.2.2 無側限抗壓強度

油頁巖廢渣摻量30%、粉煤灰摻量25%改良土無側限抗壓強度試驗結果如圖6所示。

圖6 含水率～改良土無側限抗壓強度關系Fig. 6 The relationship between water content and unconf ined compressive strength of improved soil

由圖6可知：

（1）一定壓實度的復合改良土養生至規定齡期，其抗壓強度隨含水率增加呈線性降低，且含水率對改良土抗壓強度影響顯著。當含水率每增加1%，各齡期抗壓強度平均降低23%，且含水率12.8%、14.8%改良土抗壓強度分別約為含水率10.8%改良土抗壓強度的66%、37%。另外，壓實度90%改良土抗壓強度降低速率明顯大于其他壓實度改良土。

（2）壓實度與含水率一定時，復合改良土早期強度增長速度明顯快于后期，其7d抗壓強度分別約為28d、90d抗壓強度的75%、62%，28d抗壓強度約為90d抗壓強度的84%。對此，路基壓實過程中應嚴格控制路基壓實水平，并加強路基土早期養護。

3 結論

（1）一定粉煤灰摻量復合改良土CBR、無側限抗壓強度隨油頁巖廢渣摻量增加呈線性增長，每增加5%油頁巖廢渣摻量，CBR、抗壓強度平均提高20%、13%；一定油頁巖廢渣摻量復合改良土CBR、無側限抗壓強度隨粉煤灰摻量增加拋物線趨勢變化，均在粉煤灰摻量25%處取得峰值，且粉煤灰摻量30%的復合改良土CBR大于同一油頁巖廢渣摻量的粉煤灰摻量20%改良土CBR。對此，建議油頁巖廢渣摻量為30%，粉煤灰摻量為25%。

（2）油頁巖廢渣摻量30%、粉煤灰摻量25%改良土內摩擦角在含水率11.8%處取得峰值，含水率10.8%、12.8%改良土內摩擦角分別約為含水率11.8%改良土內摩擦角的96%、95%，且含水率從10.8%增加到12.8%，改良土粘聚力約降低了50%。對此，建議施工含水率為12.8%～13.8%。

（3）含水率對油頁巖廢渣摻量30%、粉煤灰摻量25%改良土抗壓強度影響顯著，抗壓強度隨含水率增加呈線性降低，含水率每增加1%，各齡期抗壓強度平均降低23%，且壓實度90%改良土抗壓強度降低速率大于改良土抗壓強度降低速率平均水平；復合改良土早期強度增長速度明顯快于后期，7d、28d抗壓強度分別約為90d抗壓強度75%、84%。對此，建議加強路基早期養護。