復合摻配生土改性試驗及抗壓性能分析

楊陽 胡愛萍 李平 李偉剛 王健

摘 要：為了推動工業固體廢棄物綜合利用，改善傳統生土材料的力學性能，通過在生土材料中添加煤矸石粉、礦粉、石灰、粉煤灰和麥秸稈灰等5種材料復合摻料進行生土改性試驗，依據《土工試驗方法標準》（GBT 50123—2019）制備了96個Φ102 mm×116 mm的圓柱體試樣，在室內養護28 d后不烘和烘干2種狀態下進行軸心抗壓試驗，得到改性生土試件的荷載-位移關系，分析了復合材料對改性生土抗壓強度的影響規律和復合摻料的最優配比。結果表明：煤矸石粉、礦粉、石灰、粉煤灰和秸稈灰摻量分別為0%、8%、6%、8%和2%時，復合材料改性生土試樣的28 d抗壓強度最大，2種狀態下分別達到了3.07、5.07 MPa，與同養護條件的素土試樣相比，其分別是其抗壓強度的1.71、1.77倍。

關鍵詞：工業廢棄物；復合材料；改性生土；抗壓；試驗

中圖分類號：TQ111.19

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0083-05

Experimental study on compressive properties of modified raw soil mixed with inorganic industrial waste

YANG Yang1，2，HU Aiping1，2，LI Ping1，2，LI Weigang1，WANG Jian1

（1.School of Civil Engineering，Long dong University，Qingyang 745000，Gansu China;

2.Gansu Province Gully Fixing andTableland Protection Engineering Research Center，Qingyang 745000，Gansu China）

Abstract：In order to promote the comprehensive utilization of industrial waste and improve the mechanical properties of traditional raw soil materials，the raw soil modification test was conducted by adding five kinds of admixtures such as coal gangue powder，mineral powder，lime，fly ash，and wheat straw ash to the raw soil material，and 96 cylindrical specimens of Φ102 mm×116 mm were prepared according to the Standard for soil method （GBT50123—2019）.The axial compression test was carried out in two conditions of non-drying and drying after a 28 d period of indoor maintenance.The load-displacement relationship of the modified raw soil specimens was obtained，and the influence law of the composite on the compressive strength of the modified raw soil and the optimal ratio of composite admixtures were analyzed.The test results showed that the 28 d compressive strength of the composite modified raw soil specimens was the highest when the admixtures of coal gangue powder，mineral powder，lime，fly ash and wheat straw ash were 0%，8%，6%，8% and 2%，reaching 3.07 MPa and 5.07 MPa，respectively，which were 1.71 times and 1.77 times of the compressive strength compared with the plain soil specimens with the same maintenance conditions.

Key words：industrial waste;composite materials;modified raw soil;compressive test

目前我國對固體廢棄物的綜合利用高度重視，2018年5月國家工信部在《工業固體廢物資源綜合利用評價管理暫行辦法》中指出要推動工業固體廢物資源綜合利用，促進工業綠色發展；2019年1月國家發改委、工信部在《關于推進大宗固體廢棄物綜合利用產業集聚發展的通知》中提出要推動資源綜合利用產業高質最發展，開展大宗固體廢棄物綜合利用基地建設；2021年2月，國務院印發了《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》，提到要建設資源綜合利用基地，促進工業固體廢物綜合利用。由此可見，高效高質利用固體廢棄物在當今時代顯得尤為重要。近年來生土材料由于具有節能、綠色、環保、耗能低等優點再次受到了廣大專家學者的重點關注，但傳統的生土材料由于其強度低、耐水性和抗凍性差而影響其使用性能，其中力學性能更是作為影響生土材料應用重要的因素之一［1-8］。因此，使用工業廢棄物改性生土原料制備出強度高的生土材料，從而同步實現工業廢棄物的綜合利用和生土材料的高性能應用，在“雙碳”背景下更是助力“碳達峰”、“碳中和”的有效手段［9］。為此很多專家學者開展了相關的研究，其中利用鋼鐵廠廢渣和少量無機添加劑作為無機土壤固化劑改性粘土，研究了無機土壤固化劑對生土材料強度、耐水性和抗凍性能的影響規律和機理［10］；研究了煅燒脫硫石膏和流化床固硫灰對改性生土影響［11］；利用粉煤灰、石灰-粉煤灰摻合物進行了改性膨脹土的工程特性研究［12］；進行了摻入工業廢料的改性生土抗壓試驗，分析了不同摻合料的作用機理、研究不同摻料不同摻量對抗壓強度的影響規律［13］。

本文擬探索以甘肅慶陽黃土為原材料，利用煤矸石粉、粉煤灰、石灰、麥秸稈灰和礦渣等無機工業廢渣作為復合改性材料，通過簡單的成型工藝和自然養護，制備改性生土試件，研究其28 d抗壓強度和延性比，得到利用無機工業廢棄物作為改性材料的最優配比，可為生土改性摻料的研究和工程應用提供一定的借鑒和參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1.1.1 生土

試驗所用生土為慶陽市西峰區Q3黃土，相對密度2.7，塑限18%，液限30.1%，主要化學成分：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O和Fe2O3、Na2O分別為40.31%、19.03%、17.36%、6.73%、4.5%、7.52%和2.05%。所取生土均過5 mm標準篩，拌合水為普通的自來水。

1.1.2 煤矸石粉

煤矸石粉（C）是由在煤形成過程中與煤伴生、共生的煤矸石采用機械磨碎活化所得粉料。試驗所用煤矸石粉為靈壽縣玖寶建材銷售部提供的密度為2.3 g/cm3、比表面積為930 m2/kg的普通煤矸石粉末。普通煤矸石粉末的主要化學成分：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O和Fe2O3分別為54.21%、18.03%、3.37%、1.46%、0.98%和0.59%。

1.1.3 礦粉

礦粉（M）是用水淬高爐礦渣，經干燥，粉磨等工藝處理后得到的高細度，高活性粉料。試驗所用礦粉為河南鉑潤鑄造材料有限公司提供的S95礦粉，主要化學成分及性能指標：SO3、燒失量、堿、玻璃體和含水量分別為0.1%、0.8%、0.56%、99%和0.1%。

1.1.4 石灰

石灰（L）是一種以氧化鈣為主要成分的氣硬性無機膠凝材料。試驗采用由慶陽森鵬建材有限公司提供的石灰，主要化學成分及性能指標：CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、Al2O3和燒失量，分別為87.63%、4.57%、2.42%、1.35%、1.72%和1.89%。

1.1.5 粉煤灰

粉煤灰（F）是燃煤電廠排出的主要固體廢物，也是我國當前排量較大的工業廢渣之一。試驗采用由河南鉑潤鑄造材料有限公司提供的粉煤灰，主要化學成分及性能指標：SiO2、Al2O3、CaO、Cl-、堿和燒失量，分別為45.1%、24.2%、5.6%、0.015%、1.2%和2.8%。

1.1.6 麥秸稈灰

麥秸稈灰（W）是由利用慶陽當地小麥秸稈經過高溫煅燒后所得的剩余非極性礦物質，主要化學成分：SiO2、K2O3、CaO、SO3、MgO、Al2O3和Fe2O3，分別為64.7%、19.2%、13.6%、1.55%、2.49%、0.61%和0.33%。

1.2 試驗方案

試驗在考慮材料摻配不同劑量時經濟、有效范圍的基礎上，根據材料的具體情況設計了5因素4水平的正交試驗，具體試驗方案如表1所示。

1.3 試驗方法

依據《土工試驗方法標準》（GBT 50123—2019），將過5 mm篩的生土放入110 ℃的烘箱中烘干，按照表1所示的無機工業廢棄物復合材料配比與生土充分拌和后加入自來水制備土樣，采取標準擊實試驗，每組制作6個Φ102 mm×116 mm的圓柱體試樣。制作完成后，將試樣置于室溫為10～20 ℃，相對濕度60%～80%的養護室內養護28 d，如圖1所示。待28 d后，每組試件3個不烘，3個試件在105～110 ℃的烘箱中烘12 h后分別進行抗壓試驗。抗壓試驗采用隴東學院土木工程實驗中心的WAW-1000B型微機控制萬能試驗機進行加載，如圖2所示，加載速率為 1 mm/min，記錄試件的荷載和位移。當荷載下降到峰值荷載的85%時，視為試件破壞，作為試驗結束條件，如圖3所示。

由于素土試樣和改性土試樣均為脆性材料，初步開裂時裂縫較小，關于開裂位移的取值無統一標準，受到試驗條件和環境因素影響較大，故取試樣極限位移與峰值位移之比為名義延性比，用以間接反映材料的塑性變形能力和能量耗散能力。

2 試驗結果

2.1 自然養護28 d狀態下試樣抗壓試驗結果

表2為自然養護28 d狀態下試塊抗壓試驗結果。

由表2可知，自然養護28 d狀態下無機工業廢棄物復合材料的摻量對改性生土試樣的抗壓強度有很大影響，抗壓強度變化幅度較大，與同養護狀態的Z1素土試樣相比，強度比介于16.7%～170.7%，Z2、Z3、Z4、Z8、Z10和Z12試樣28 d抗壓強度均高于Z1素土試樣，其中Z3試樣抗壓強度最大，達到了3.07 MPa。

2.2 自然養護28 d后烘干狀態下試樣抗壓試驗結果

表3為自然養護28 d后烘干狀態下試塊抗壓試驗結果。

由表3可知，自然養護28 d后烘干狀態下無機工業廢棄物復合材料的摻量對改性生土試樣的抗壓強度有很大影響，抗壓強度變化幅度較大，與同養護狀態的Z1素土試樣相比，強度比介于23.6%～177.2%，Z2、Z3、Z4、Z8以及Z10試樣28 d抗壓強度均高于Z1素土試樣，其中Z3試樣28 d抗壓強度最大，達到了5.07 MPa。

3 結果分析

3.1 極差分析

極差為平均最大值與最小值之差，代表某因素對改性土性能的影響程度，故通過極差大小量化分析各因素對生土改性試樣抗壓強度的影響程度，2種不同狀態下的極差分析結果如表4和表5所示。

由表4、表5可知，自然養護28 d狀態下和自然養護28 d后烘干狀態下，煤矸石粉、礦粉、石灰、粉煤灰和麥秸稈灰5因素對改性土抗壓強度的影響程度大小依次均為：C（煤矸石粉）、L（石灰）、M（礦粉）、W（麥秸稈灰）、F（粉煤灰）。由此可看出：煤矸石粉摻量對改性土抗壓性能的影響最大，石灰的摻量影響次之，煤矸石粉摻量和石灰摻量為改性土抗壓強度的主要影響因素；礦粉摻量、麥秸稈灰摻量和粉煤灰摻量為次要影響因素。為提高改性土抗壓強度，應適當優化煤矸石粉摻量和石灰摻量。

3.2 2種試驗狀態下對比分析

不同試樣在自然狀態下養護28 d后烘干和未烘干2種情況下的抗壓強度和名義延性比對比分析結果分別如圖4和圖5所示。

從圖4、圖5可以看，所有試樣在烘干狀態下的抗壓強度均比未烘干狀態下的抗壓強度要高，變化幅度較大，介于1%～69.7%，名義延性比相差幅度較小，均在8%以內，介于92.3%～101.8%。

4 結語

（1）通過無機工業廢棄物復合材料改性土試驗得到了合理的生土改性配比。在生土中摻入煤矸石粉、礦粉、石灰、粉煤灰和麥秸稈灰摻量分別為0%、8%、6%、8%和2%時，改性生土試樣抗壓強度增幅最大，分別達到了3.07、5.07 MPa，在自然狀態下養護28 d后未烘和烘干2種狀態下與同狀態的素土試樣相比是其1.71倍和1.77倍；

（2）煤矸石粉摻量對改性生土的抗壓強度影響最大，當試件養護28 d后未烘干狀態下，煤矸石粉摻量分別為0%、5%、10%和15%時，復合材料改性生土試件的最大強度分別為3.07、2.73、2.36和1.78 MPa；當試件養護28 d后烘干狀態下，煤矸石粉摻量分別為0%、5%、10%和15%時，復合材料改性生土試件的最大強度分別為5.07、3.95、3.05和1.99 MPa；整體趨勢還是隨著煤矸石粉摻量的增加，復合材料改性生土試件的抗壓強度在降低；

（3）通過對比分析2種養護狀態下的改性土試件的抗壓強度和名義延性比可知，養護28 d后烘干狀態下試件的抗壓強度均高于未烘干狀態試件的抗壓強度，Z4試件抗壓強度增幅最大，達到了69.7%；2種狀態對試件的名義延性比影響較小，影響幅度在-7.3%～1.8%。

【參考文獻】

［1］王毅紅，王春英，李先順，等.生土結構的土料受壓及受剪性能試驗研究［J］.西安建筑科技大學報（ 自然科學版），2006，26（4）：469-472.

［2］ 馬建飛.改性生土坯及其砌體基本力學性能試驗研究［D］.西安：長安大學.2013.

［3］ DEMIR I.Effect of organic residues addition on the technological properties of clay bricks［J］.Waste Manage，2008，28：622-627.

［4］ 劉俊霞，張磊，楊久俊.生土材料國內外研究進展［J］.材料導報，2012，26（23）：1-17.

［5］ 王毅紅，樸永紅.杜建軍，等.生土坯及生土坯砌體受力性能的試驗研究［C］//全國砌體結構基本與論與工程應用學術會議論文集.上海：同濟大學出版社，2005.

［6］ 陳秋雨.生土材料改性試驗研究［D］.上海：上海交通大學，2017.

［7］ 周鐵鋼，韓睿斌，穆鈞.西部地區農村危房現狀調查與抗震性能統計分析［J］.自然災害學報，2013，22（6）：70-75.

［8］ 王毅紅，李麗，王沖鋒，等.村鎮既有生土結構房屋抗震性能現狀分析［J］.土木工程學報，2010，43（Sup）：462-467.

［9］ WU X H，HE M L，CAO S C，et al.Evolution trend analysis of urban residents low-carbontravel development based on multidimensional game theory［J］.Journal of Central South University，2019，26（12）：3388-3396.

［10］ 胡明玉，付超，魏麗麗，等.無機土壤固化劑對生土材料的改性及其機理［J］.材料研究學報，2017，31（6）：445-450.

［11］ 錢覺時，王琴，賈興文，等.燃煤電廠脫硫廢棄物用于改性生土材料的研究［J］.新型建筑材料，2009，36（2）：28-31.

［12］ 查甫生，劉松玉，杜延軍.石灰-粉煤灰改良膨脹土試驗［J］.東南大學學報（自然科學版），2007（2）：339-344.

［13］ 王毅紅，劉芳，劉亮，等.摻入工業廢料的改性生土材料抗壓試驗［J］.土木建筑與環境工程，2016，38（6）：32-37.