煤矸石改良路基土的強度特性試驗研究

尚曉麗

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

煤矸石是煤礦開采過程產生的廢棄渣料。我國是煤矸石儲量大國，每年有近億萬噸的煤矸石產生，占據了大量土地，同時對環境造成了較為嚴重的污染。因此，煤矸石的處治措施成為當前研究的熱門課題之一。

1 煤矸石的應用研究

近年來，學者對煤矸石的使用進行了大量研究，并取得了較為豐碩的成果。白金玲等[1]對煤矸石粗集料混凝土的耐腐蝕進行了研究。王長龍等[2]采用粉煤灰和煤矸石作為主要材料來制備加氣混凝土，分析了煤矸石的最佳活化溫度及其對加氣混凝土力學特性的影響。李強等[3]通過對煤矸石的煅燒，研究了煤矸石的活性的內在機理，并對煤矸石受煅燒溫度的影響進行了分析。邱繼生等[4]研究了煤矸石混凝土在凍融循環下的損傷演化規律，并建立了煤矸石混凝土的損傷演化方程。李永靖等[5]基于正交試驗對不同煤矸石摻量、粉煤灰摻量、水灰比等對混凝土的徐變性能進行了研究。

綜上分析可知，煤矸石在室內試驗中已經得到廣泛采用。在前人研究的基礎上，對煤矸石改良路基土進行了三軸固結不排水試驗，分析了煤矸石摻量對路基土力學性質的影響，為煤矸石在公路工程中的應用打下基礎。

研究結果表明：隨著煤矸石摻量的逐漸增加，改良后的路基土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角均得到顯著增強。其中，煤矸石摻量從0%至16%，路基土的抗剪強度提升了38.87%、黏聚力提升了26.49%、內摩擦角提升了8.48%。隨著煤矸石摻量的增加，抗剪強度、黏聚力和內摩擦角的增長速率均逐漸趨緩。

2 試驗部分

2.1 試樣制備

試驗所使用的風積砂取自京沈客運專線阜新段，采用篩分法對選取的風積砂樣品進行顆粒級配分析，級配曲線如圖1 所示。可以看出，試驗用風積砂級配良好。

試驗用煤矸石取自阜新艾友煤礦矸石山，粒徑分布范圍較廣，最大粒徑可達到1 m 左右。考慮到試驗用的試件尺寸，需要對煤矸石進行破碎處理。選取直徑在（0～2.36）mm 內的煤矸石粉末備用，堆積密度約為874 kg/m3，主要化學成分為氧化硅和氧化鋁，另外還含有少量氧化鐵、氧化鈣及氧化鎂等。

圖1 風積砂的級配曲線

試驗用水泥為市面上普遍銷售的普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），其初始凝固時間約為150 min，終止凝固時間約為230 min，標準抗壓強度和抗折強度分別為51.4 MPa 和9.4 MPa（28 d）。

將風積砂、煤矸石、水泥和水按表1 配合比攪拌均勻。在攪拌過程中，加入的水量通常高于最優含水率0.5%左右，原因是攪拌過程中會有水分蒸發。混合料拌和完成后分5 層裝入直徑39.1 mm、高80 mm 的標準土樣模具中振搗擊實，每層擊實次數不少于25 次。擊實完成后，在試樣表面進行拉毛處理，以此來緩解分層導致的誤差。制樣過程中，煤矸石改良土的壓實度控制為0.95。制備好的試樣采用保鮮膜包裹密實，然后放在養護箱中恒溫恒濕養護，養護齡期分28 d。

表1 煤矸石改良路基土配合比設計

2.2 試驗方法

為研究煤矸石改良后路基土的強度特性，對養護完成后的路基土進行三軸固結不排水試驗，即CU 試驗。試驗設備為英國進口的GDS多功能三軸動、靜加載試驗系統。根據實際路基土埋深情況，取圍壓分別為20 kPa、40 kPa、60 kPa 和80 kPa，加載速率為0.5 mm/min。試樣的峰值強度取應力—應變曲線峰值點；若無明顯峰值點，則取軸向應變為15%時對應的強度作為峰值強度。具體試驗方案見表2。

表2 試驗方案

3 試驗結果分析

3.1 抗剪強度分析

圖2 為改良路基土試樣的抗剪強度與煤矸石的摻量、圍壓之間的關系曲線。從圖2a）中可以看出，隨著煤矸石摻量的逐漸增加，不同圍壓下試樣的抗剪強度呈逐漸增大變化趨勢。可解釋為煤矸石摻量的增加使試樣內部的活性氧化硅、氧化鋁的含量顯著提升，二者與水反應后產生的膠結物質逐漸增多，致使試樣的整體抗剪強度逐漸增大。從圖2a）中還可以看出，煤矸石摻量大于一定值后，試樣的抗剪強度逐漸趨于穩定。從圖2b）中可以看出，隨著圍壓的逐漸增大，改良路基土試樣的抗剪強度逐漸增長，且在圍壓較低時抗剪強度增長較快，此后抗剪強度的增長速率逐漸減小，二者近似滿足指數函數分布。

圖2 抗剪強度與煤矸石摻量、圍壓之間關系

3.2 抗剪強度參數分析

黏聚力和內摩擦角作為土體抗剪強度參數，對分析土體的力學特性具有重要作用。采用繪制莫爾應力圓的方法來計算不同摻量下煤矸石改良路基土的黏聚力和內摩擦角。圖3 為煤矸石改良路基土的黏聚力、內摩擦角隨煤矸石摻量的分布曲線。

從圖3 中可以看出，煤矸石摻量對路基土的抗剪強度參數具有顯著影響。隨著煤矸石摻量的逐漸增加，黏聚力和內摩擦角均出現逐漸增大變化，且增長速率均逐漸趨緩。隨著養護齡期的逐漸增加，煤矸石改良路基土試樣的黏聚力和內摩擦角同樣呈逐漸遞增趨勢，且增長速率逐漸趨緩。可解釋為煤矸石的增加使改良后的土樣內部水化反應加劇，膠結物質增多，抗剪強度參數增大，但水泥摻量固定，水化反應逐漸減弱，致使抗剪強度參數逐漸穩定。表3 為不同煤矸石摻量、不同圍壓下煤矸石改良路基土的力學參數統計結果。

圖3 抗剪強度參數與煤矸石摻量之間關系

表3 煤矸石改良路基土力學參數統計結果

由表3 可知，以圍壓20 kPa 為例，當路基土中未摻加煤矸石時，土樣的抗剪強度為762.1 kPa；當煤矸石摻量分別4%、8%、12%和16%時，路基土的抗剪強度分別為835.7 kPa、937.9 kPa、1040.3 kPa 和1058.3 kPa，與未摻加煤矸石土樣的抗剪強度相比分別提升了9.66%、23.07%、36.50%和38.87%。可見煤矸石改良后的路基土的抗剪強度得到了有效提升。對于抗剪強度參數，當路基土中未摻加煤矸石時，土樣的黏聚力為249.1 kPa，內摩擦角為28.3°；當煤矸石摻量為16%時，路基土的黏聚力提升了26.49%，內摩擦角提升了8.48%。可見，煤矸石的摻量對土體的黏聚力影響較大，對內摩擦角的影響則相對較弱。

4 結束語

（1）隨著煤矸石摻量的逐漸增加，路基土試樣的抗剪強度逐漸增大，但增幅逐漸減小；隨著圍壓的逐漸增大，路基土試樣的抗剪強度逐漸增大。

（2）隨著煤矸石摻量的逐漸增加，路基土試樣的抗剪強度參數逐漸增大。其中，黏聚力增幅為26.49%，內摩擦角增幅為8.48%。煤矸石摻量對黏聚力影響較大。

（3）煤矸石對對路基土的力學特性具有明顯的提升作用，可作為公路工程路基填料。