納米SiO2和聚丙烯纖維對煤矸石二灰混合料改性試驗研究

儲安健，李英明，黃順杰，陳莞爾

(1.安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，淮南 232001； 2.安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，淮南 232001； 3.安徽理工大學礦業工程學院，淮南 232001；4.安徽理工大學安全科學與工程學院，淮南 232001)

0 引 言

煤矸石是采煤、洗煤過程中排放的固體廢棄物，全國現有煤矸石堆積量超過40億t[1]。用煤矸石代替碎石制備煤矸石二灰混合料應用于路面基層，對節約土地資源及保護環境具有重要的現實意義[2]。路面在使用初期，基層易受大氣降水和地下滲水作用，煤矸石二灰結構層易暴露出水穩定性不良、容易產生反射裂縫等問題，從而大大降低了道路的使用壽命。因此，未進行處理的煤矸石二灰混合料并不能完全滿足建設工程的要求，因此在利用煤矸石二灰混合料之前要提前進行加固處理。近年來，研究者[3-4]對納米SiO2應用于土類和混凝土材料的可實施性與發生機制進行了大量研究；肖繼強[5]研究了將不同種類、不同摻量的納米粒子單摻或復摻對水泥的改性效果及微觀作用機理；趙冬雪[6]研究了凍融循環次數對素土、納米二氧化硅改良土的抗剪強度影響及破壞形態。聚丙烯纖維具有質輕、強度高、彈性好等特點，近年來纖維作為加筋材料的研究較為廣泛。吳正光等[7]提出在二灰碎石中摻加聚丙烯纖維可以改善其物理力學性能；璩繼立等[8]總結了聚乙烯纖維對黏土相關性能的影響規律；李永靖等[9]發現在水泥粉煤灰穩定煤矸石混合料中摻加聚丙烯纖維可以明顯改善其路用性能。

目前，關于同時摻加納米SiO2和聚丙烯纖維對煤矸石二灰混合料力學性能和水穩定性能影響的研究鮮有報道。本文可為該新型基層材料在實際工程中的應用和推廣提供參考依據。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗所用煤矸石取自淮南礦區矸石山，取回后進行破碎處理，達到級配要求后進行應用，煤矸石級配如表1所示；石灰為江西新余惠灰有限公司生產的Ⅱ級鈣質消石灰，含鈣(95±3)%(質量分數)；粉煤灰是鄭州恒源新材料有限公司的濕排灰，各項物理化學性質指標如表2所示；聚丙烯纖維來自江西某公司，主要技術參數如表3所示，外觀如圖1所示；納米SiO2來自無錫泰鵬金屬材料有限公司，規格指標如表4所示，外觀如圖2所示。

表1 煤矸石級配Table 1 Coal gangue grading

表2 粉煤灰物理化學性質Table 2 Physical and chemical properties of fly ash

表3 聚丙烯纖維主要技術參數Table 3 Main technical parameters of polypropylene fiber

表4 納米SiO2規格指標Table 4 Nano-SiO2 specifications

1.2 試驗方案

試驗采用的石灰、粉煤灰、煤矸石質量比為9 ∶14 ∶77[10-12]，壓實度取95%，通過擊實試驗測得混合料最大干密度為1.907 g/cm3，最佳含水率是8.75%。單摻納米SiO2時按照1.5%、2.5%、3.5%的比例等質量(下同)取代石灰，復摻時聚丙烯纖維按照0.10%、0.15%、0.20%(體積分數，下同)摻入混合料；復摻時保持納米SiO2摻量為2.5%，聚丙烯纖維按0.10%、0.15%、0.20%摻入進行試驗對比。7組配合比以Nx-Jy表示，其中：Nx代表納米SiO2及其含量，Jy代表聚丙烯纖維及其含量。例如N2.5-J0.10的含義是2.5%的納米SiO2等量替代石灰，聚丙烯纖維摻量為0.10%，具體試驗編號及其配合比見表5。

圖1 聚丙烯纖維Fig.1 Polypropylene fiber

圖2 納米SiO2Fig.2 Nano-SiO2

表5 混合料配合比Table 5 Mixture ratio

對單摻和復摻納米SiO2與聚丙烯纖維的煤矸石二灰混合料進行相關室內試驗，按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)制取φ150 mm×150 mm的圓柱形試件，圖3為試件制備、成型流程圖。在達到規定齡期后，進行無側限抗壓強度試驗、劈裂試驗、干濕循環試驗。試驗儀器采用武漢巖土力學研究所生產的巖石力學試驗機、立辰科技有限公司制造的101-3BS型電熱干燥箱、AE21C聲發射監測儀。根據試驗結果分析納米SiO2和聚丙烯纖維對煤矸石二灰材料性能的影響，具體試驗內容和試件數量如表6所示。

圖3 試件制備、成型流程圖Fig.3 Sample preparation and forming flow chart

表6 試驗方案表Table 6 Test schedule

2 結果與討論

2.1 強度試驗結果與分析

圖4、圖5分別為納米SiO2摻量、聚丙烯纖維摻量對養護7 d、28 d試件的抗壓與劈裂強度影響。圖4(a)、(b)分別給出了煤矸石二灰混合料的抗壓強度和劈裂強度隨納米SiO2摻量增加的變化規律。從圖4(a)可以看出：與未摻加納米顆粒的煤矸石二灰混合料相比，摻加納米顆粒的煤矸石二灰混合料的抗壓強度有所增大，且隨著納米顆粒摻量增加呈現先增大后減小的趨勢；當納米顆粒摻量為2.5%時，28 d抗壓強度達到最大值2.77 MPa，相較未改性混合料抗壓強度提升了14.5%。納米SiO2能夠提高煤矸石二灰試件的抗壓強度主要有兩個原因：一是納米SiO2會與Ca(OH)2反應，生成C-S-H凝膠，提高了混合料的強度和密實度；另一方面，納米SiO2能夠填充混合料內的微小縫隙，使混合料內部缺陷減少，混合料整體的密實度進一步得到了提高。隨著納米SiO2摻量由2.5%繼續增加至3.5%時，28 d抗壓強度逐漸降低至2.53 MPa，降低了0.24 MPa。這是因為過量的納米SiO2會消耗大量的水，在沒有充足水分條件下，煤矸石、粉煤灰等成分無法充分反應，導致強度下降[13]。由圖4(b)可知，在7 d、28 d時，劈裂強度整體呈現先增大后減小再增大趨勢，分別在0.14 MPa、0.31 MPa上下浮動，但增減幅度非常小。總體來看，納米SiO2的摻入對煤矸石二灰混合料的劈裂強度影響較小。

圖4 納米SiO2摻量對煤矸石二灰混合料強度的影響Fig.4 Influence of nano-SiO2 content on the strength of coal gangue lime-fly ash mixture content

圖5 聚丙烯纖維摻量對摻2.5%納米SiO2煤矸石二灰混合料的強度影響Fig.5 Influence of polypropylene fiber content on the strength of coal gangue lime-fly ash mixture with 2.5% nano-SiO2

聚丙烯纖維摻量變化對摻2.5%納米SiO2煤矸石二灰混合料抗壓強度的影響如圖5(a)所示。由圖5(a)可以看出，納米煤矸石二灰混合料的抗壓強度隨著聚丙烯纖維摻量增加呈現先增加后降低的趨勢。當聚丙烯纖維摻量從0%增長到0.15%時，7 d、28 d抗壓強度分別從0.96 MPa、2.42 MPa增長到1.19 MPa、2.81 MPa，相對增長了24.0%、16.1%。當聚丙烯纖維摻量為0.15%時，強度的提升效果最優。這是因為聚丙烯纖維在水中進行預分散后加入混合料中充分拌和，拌和后聚丙烯纖維在混合料中分布均勻，可以使試件內部應力薄弱點減少，從而進一步提升試件強度。但聚丙烯纖維摻量為0.20%時，試件強度下降幅度較大，可見抗壓強度與聚丙烯纖維摻量并不成正比關系，主要是聚丙烯纖維摻入過多后，容易形成小束狀或團狀分散，多余的筋材只會阻隔煤矸石集料顆粒，破壞試件內部整體性，導致強度降低。

圖6 N0-J0和N2.5-J0.15破壞形式對比圖Fig.6 Comparison diagram of failure modes of N0-J0 and N2.5-J0.15

在納米煤矸石二灰混合料基層中摻入不同比例的聚丙烯纖維，7 d、28 d齡期時的劈裂強度的變化規律見圖5(b)。由圖5(b)可知，聚丙烯纖維的摻入對納米SiO2煤矸石二灰混合料的劈裂強度總體有提升趨勢。隨著聚丙烯纖維摻量增加，納米SiO2煤矸石二灰混合料的劈裂強度持續上升，在7 d、28 d齡期時，最高達到0.19 MPa、0.38 MPa，分別提升35.7%、22.6%。這是因為在混合料中，每根單絲狀的聚丙烯纖維以一定的角度穿插交織，形成空間約束作用，在一定程度上增大了內部顆粒之間的摩擦力，阻止了裂縫的產生與發育，從而增強了改性混合料劈裂強度[14]，且隨著齡期的延長，聚丙烯纖維與基體之間的黏結愈發明顯，劈裂強度增強效果越來越好。

N0-J0、N2.5-J0.15破壞形式如圖6(a)、(b)所示，N0-J0試件破壞時的變形明顯比N2.5-J0.15變形小，且沒有其他預兆，屬于明顯的脆性破壞。而N2.5-J0.15未出現貫穿整個試件的裂縫，僅出現相對較短較細的裂縫，破壞后試件的整體性保持較好，也表明試件的脆性破壞得到明顯改善。表7為28 d未改性試件與復摻試件峰值應力、峰值應變試驗結果。由表7可知，隨著聚丙烯纖維摻量增加，試件的峰值應變整體均有所增大，增幅在3.1%～6.3%之間。

表7 28 d未改性試件與復摻試件峰值應力、峰值應變試驗結果Table 7 Peak stress and peak strain test results of unmodified and mixed specimens at 28 d

2.2 干濕循環試驗結果與分析

為了更好地模擬煤矸石二灰混合料基層從受雨水浸泡到高溫蒸發的過程，采用φ150 mm×150 mm的圓柱形試件在標準條件下養護28 d進行干濕循環試驗。首先將試件放置在提前升溫到70 ℃的干燥箱內烘干20 h，然后將試件浸水4 h，水面需高于試件頂面2.5 cm，完成以上兩步為一次循環。以干濕循環后的試件外觀、質量差、強度變化作為評價指標來評定煤矸石二灰混合料的水穩定性能。

2.2.1 聚丙烯纖維摻量對2.5%納米煤矸石二灰混合料試件外觀、質量差、強度的影響

采用表5中試驗編號為N0-J0、N2.5-J0.10、N2.5-J0.15、N2.5-J0.20四組試件進行試驗。圖7為N2.5-J0.10經過干濕循環后的外觀變化情況，圖8是四組試件在不同干濕循環次數后質量差變化圖。從圖7、圖8可知：(1)隨著干濕循環次數增加，試件表面逐漸出現掉皮現象，干濕循環15次后掉皮現象開始明顯。這是因為浸水過程中，試件表面的煤矸石二灰混合料長時間接觸大量水分子，在進行反復多次干濕循環過程后，導致試件外表皮開始出現脫落現象。(2)四組試件在干濕循環初期，質量差均先降低后增大再降低，最后逐漸穩定，原因是試件在循環過程中內部空隙不斷進出水，使得二灰混合料內部仍能發生一系列的物理化學反應，導致水穩定性增強[15]。(3)從圖8中可知，N2.5-J0.10質量差明顯低于其他三組試件，其次是N2.5-J0.15。雖然N2.5-J0.20與N0-J0質量差相差不大，但N2.5-J0.20整體質量差仍低于N0-J0，表明聚丙烯纖維對煤矸石二灰混合料的水穩定性能有較好的改善作用。但隨著聚丙烯纖維摻量從0.10%增加到0.20%，混合料的水穩定性能開始減弱，表明并不是聚丙烯纖維摻量越高，水穩定性能越好。聚丙烯纖維最佳摻入量為0.10%，有利于保水性能的增強。

圖9為四組試件經過干濕循環前后的抗壓強度變化圖。由圖9可知：四組試件的強度在干濕循環過程中隨著循環次數的增加呈上升趨勢，循環10次后強度提升分別為117%、108%、112%、132%，15次后分別提升123%、113%、119%、136%。這主要是因為浸水、烘干循環過程有利于石灰激發粉煤灰潛在的火山灰活性，從而使煤矸石混合料繼續發生反應，強度上升。隨著循環次數增加，強度增加趨勢逐漸變緩，主要原因是升高溫度有利于石灰與粉煤灰在堿性環境下發生火山灰反應，隨著活性二氧化硅、活性氧化鋁組分反應完全，強度逐漸趨于穩定。

圖7 干濕循環次數對試件外觀變化的對比Fig.7 Comparison of dry-wet cycles on the appearance changes of specimens

圖8 煤矸石二灰混合料不同干濕循環次數后質量差變化圖Fig.8 Mass difference change diagram of coal gangue lime-fly ash mixture with different dry-wet cycles

圖9 試件干濕循環后強度變化圖Fig.9 Strength change diagram of specimens after dry-wet cycles

2.2.2 改性煤矸石二灰混合料應力-時間-振鈴計數率曲線分析

振鈴計數作為聲發射信號的主要特征參數之一，被廣泛用作聲發射特性評價，圖10(a)～(d)為四組復摻試件的應力-時間-振鈴計數率曲線。

圖10 試件應力-時間-振鈴計數率曲線Fig.10 Stress-time-ring counting rate curves of specimens

從圖10可以看出：(1)整個作用過程可以分為試件內部微裂隙逐漸被擠壓和破壞的壓密階段，伴隨應力緩慢增長，振鈴計數也平穩上升的彈性變形階段，以及應力峰值附近試件開始出現明顯裂縫的破壞階段[16]。(2)N0-J0在荷載不斷加大情況下，密集且非常強烈的聲發射信號均出現在應力峰值之前。在應力峰值之后，試件承載力迅速下降，聲發射信號隨之大量減少。(3)對于N2.5-J0.10、N2.5-J0.15、N2.5-J0.20，聲發射信號到達時間明顯晚于N0-J0。隨著聚丙烯纖維摻量增加，振鈴計數率呈現減小趨勢。可見聚丙烯纖維的摻入既能在試件破壞前遏制裂縫的形成、發育，又能在破壞后起到橋接作用，使改性混合料繼續保持承受外荷載的能力，增強了混合料的韌性[17]。

3 結 論

(1)摻加納米SiO2對煤矸石二灰混合料劈裂強度影響較小，但對抗壓強度提升顯著，試驗表明，摻加2.5%時改善效果最佳。

(2)與單摻納米SiO2相比，納米SiO2和聚丙烯纖維復摻對煤矸石二灰混合料抗壓強度的提升效果更明顯，隨著聚丙烯纖維摻量增加，混合料劈裂強度增加。摻加2.5%納米SiO2和0.15%的聚丙烯纖維，改善效果最佳。

(3)干濕循環次數增加會導致試件表皮脫落，質量差均先降低后增大再降低，最后逐漸穩定，強度前期提升顯著，后期增長緩慢且趨于穩定。摻加0.10%聚丙烯纖維對2.5%納米SiO2煤矸石二灰混合料基層水穩定性能的改善作用最好。