肖雪軍，鞠宇飛

(常州工程職業(yè)技術學院 化學與材料工程學院,江蘇 常州 213164)

煤矸石是各種工業(yè)廢渣中排放量最大、占地最多、污染環(huán)境較為嚴重的固體廢棄物。煤矸石是多種礦巖組成的混合物，屬沉積巖。主要巖石種類有黏土巖類、砂巖類、碳酸鹽巖類和鋁質巖類。黏土巖中主要礦物組分為黏土礦物，其次為石英、長石云母和黃鐵礦、碳酸鹽等自生礦物，此外還含有植物化石、有機質、碳質等。煤矸石中的黏土礦物在適當溫度的煅燒下，能顯示火山灰活性[1-3]。將煤矸石在500 ℃下煅燒，輔以礦渣微粉，結合水泥熟料、消石灰、石膏等激發(fā)劑，能更好地激發(fā)煤矸石的火山灰活性，可以制備出性能較好的煤矸石質固土材料[4-6]。為了更好地將煤矸石質固土材料應用于鐵路與道路工程，本文系統(tǒng)研究煤矸石質固土材料摻量、土壤含水率、施工延遲時間以及養(yǎng)護齡期對煤矸石質固土材料應用性能的影響。

1 試驗原料及試驗方案

1.1 試驗原料

試驗用土為校內黃土，取樣深度為地表以下1 m。按照JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》中的試驗規(guī)范，原狀土的最大干密度、最佳含水率、液限、塑限等基本性質見表1。

表1 試驗土樣的物理性質指標

本文以煤矸石、礦渣、石灰、水泥熟料、石膏為主要原料，制備煤矸石質固土材料。其中煤矸石取自江西吉安，礦渣取自唐山鋼鐵廠，水泥熟料來自河北冀東水泥廠，消石灰為工業(yè)消石灰，石膏為分析純無水石膏?；瘜W組成見表2。

表2 原料的化學組成

1.2 煤矸石質固土材料的配比

煤矸石質固土材料主要以煅燒煤矸石(500 ℃煅燒)為主，并輔以礦渣，以提高其火山灰活性。以水泥熟料、消石灰、石膏為激發(fā)劑，用以激發(fā)煤矸石的火山灰活性。通過研究了各組分摻量變化對固土材料力學性能的影響后，確定了力學性能最佳的一組配合比，具體見表3。

表3 煤矸石質固土材料的配合比 %

1.3 試驗方案

按照JEG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，研究煤矸石質固土材料摻量從2%到14%變化時固化土強度的變化規(guī)律；根據(jù)煤矸石質固土材料摻量對固化土強度試驗結果，確定煤矸石質固土材料適宜摻量，研究土壤含水率的變化對固化土抗壓強度的影響；研究不同延遲時間(2,4，6 h)對固化土抗壓強度的影響；研究7,28,60，90 d不同齡期對固化土抗壓強度的影響。

2 試驗結果與討論

2.1 煤矸石質固土材料摻量對固化土抗壓強度的影響

煤矸石質固土材料加入土后便與水發(fā)生水解和水化反應，生成各種水化產物后，有的自身繼續(xù)水化凝結，有的則與土壤中的活性顆粒發(fā)生反應，生成不溶于水的穩(wěn)定礦物。煤矸石質固土材料加入量的多少直接影響到固化土的無側限抗壓強度。保持土壤在最佳含水率(12.7%)下，研究煤矸石質固土材料摻量從2%到14%變化時固化土抗壓強度的變化規(guī)律。試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 固化土抗壓強度與摻量的關系

由表4可知：①隨著煤矸石質固土材料摻量的增加，固化土7，28 d的抗壓強度呈上升趨勢，這是因為隨著煤矸石質固土材料摻量的增多，水化產物也隨之增多，從而固化土抗壓強度得到提高。②固化土抗壓強度隨著齡期的增長而增長。③固化土抗壓強度隨著煤矸石質固土材料摻量從2%到8%之間穩(wěn)步增長；但是從8%～10%時抗壓強度突然增長很大，增幅達68.9%；而后隨著摻量的增加，抗壓強度增加已不明顯。由此可知固化土的抗壓強度不是隨著摻量的增長而線性增長，而是增加到一定量后抗壓強度增幅變緩。結合GJ/T 486—2015《土壤固化外加劑》中的規(guī)定以及從經(jīng)濟上考慮，一般選用6%比較合適。

2.2 含水率對固化土強度的影響

水在土中是一個重要的組分，其含量的多少對固化土的性能有很大的影響。當水分過多時，黏土的承載力就比較低；水分過少時，又會影響到土壤固化劑的水化。因而本節(jié)在保持煤矸石質固土材料摻量6%不變的情況下，研究含水率的變化對固化土的性能影響。表5為試驗數(shù)據(jù)。

表5 固化土抗壓強度與含水率的關系

由表5可看出：①總體上固化土的抗壓強度隨著含水率的增加而先增加，在含水率為12.7%時達到最大，隨后抗壓強度急劇下降；含水率為14%的7 d抗壓強度相對于12.7%下降了近34.6%。②各個含水率下的固化土強度都隨著齡期的增長而持續(xù)增長。③7 d 時，含水率為8%的固化土抗壓強度高于10%和12%，這是由于其開始階段含水率少便于壓實(從干密度可以看出含水率8%時其壓實度要好于10%和12%)，因而其早期抗壓強度較高；但是28 d抗壓強度卻低于含水率為10%和12%時的固化土，這是因為煤矸石質固土材料在水化凝結時需要消耗水分，而含水率只有8%時，其水分就會相對欠缺，從而影響了煤矸石質固土材料的水化凝結，抗壓強度增長受到了限制；含水率為10%和12%時，由于水分較充足，便于煤矸石質固土材料的硬化凝結，抗壓強度穩(wěn)步增長。④固化土在最佳含水率12.7%時，其干密度最大，因而其壓實度也是最高，結構最致密，同時其所含水分足夠保證煤矸石質固土材料水化凝結的持續(xù)進行，所以無側限抗壓強度也最高。⑤從最佳含水率到14%的含水率時，固化土抗壓強度急劇下降。這是由于隨著水分的增加，固化土的干密度下降，導致固化土壓實度下降，致密性下降；同時過量的水分會在黏土顆粒表面形成吸附水膜，使得黏土顆粒間相互排斥，不利于顆粒的吸附連接，從而使抗壓強度急劇下降。

2.3 延遲時間對固化土抗壓強度的影響

水泥類混合料的抗壓強度主要來自于水泥水化所產生的CSH等水化物的膠結作用，由于水泥凝結硬化快，因此其混合料早期強度高。如果水泥類混合料固化土時延遲時間過長，成型時的壓實就會破壞水泥水化產物之間的既成連結，與拌和后立即壓實成型的相比，抗壓強度會有所下降。因而交通部在JTJ 034—2000《公路路面基層施工技術規(guī)范》中規(guī)定：水泥穩(wěn)定類材料施工時，必須嚴格控制從加水拌和到碾壓終了的延遲時間，如用集中廠拌法時不得超過2～3 h，路拌法時不得超過3～4 h，并應該短于該水泥的終凝時間。

鑒于以上原因，對煤矸石質固土材料固化土的延遲時間對固化土的影響作了試驗研究，以考察煤矸石質固土材料的施工性能。本試驗在最佳含水率下，摻入6%的煤矸石質固土材料，重點研究不同延遲時間(2,4，6 h)對固化土抗壓強度的影響進行分析。試驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 固化土抗壓強度與延遲時間的關系

從表6可看出：①煤矸石質固土材料固化土的抗壓強度隨著延遲時間的延長先上升后下降，這種規(guī)律與A.凱茲迪所得到的有關延遲碾壓時間對水泥固化土強度的影響規(guī)律是一致的。②在4 h時抗壓強度上升到最高，比拌和后立即成型時抗壓強度增加11.5%；而延遲6 h成型時抗壓強度下降，但相比于拌和后立即成型時的抗壓強度只下降了1.3%。由此可以看出延遲時間對煤矸石質固土材料固化土的抗壓強度基本上無不利影響。這是因為土壤是一個復雜體系，煤矸石質固土材料的水化反應在土壤的作用，導致拌和成型初期水化反應進行緩慢，終凝時間長。

2.4 養(yǎng)護齡期對固化土抗壓強度的影響

煤矸石質固土材料是個多組分復合體系，其組成中包括提供早期強度的成分和后期強度的成分，確保固化土在保證早期強度的前提下，抗壓強度持續(xù)增長。煤矸石質固土材料加入土體后，高活性硅酸鹽礦物自身水化反應，產生具有膠凝性的物質和Ca(OH)2，提供了早期強度，提高了體系的pH值，使煤矸石中活性硅鋁發(fā)生發(fā)應，形成水合鋁硅酸鹽，提供了后期強度，保證了固化土抗壓強度的持續(xù)增長。對摻量6%的煤矸石質固土材料固化土的強度與齡期的關系作了試驗分析，詳細試驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 固化土抗壓強度與齡期的關系

由表7可知:①固化土抗壓強度隨著齡期的增長而持續(xù)增長。②固化土的早期強度比較高，7 d就能達到3.9 MPa，已經(jīng)達到城市快速路和城市主干線基層的要求。③28 d時抗壓強度達到5.4 MPa，比7 d時增加了1.5 MPa，增長了38.46%，增幅較大。④60，90 d時抗壓強度分別達到5.90,6.45 MPa，相比于7 d抗壓強度分別增長了51.28%,65.38%。可見煤矸石質固土材料的固化土抗壓強度能夠保持長期增長。其早期強度高和后期強度持續(xù)增長的特點能提高該固化土的應用范圍。

3 結論

由上面的試驗結果可以看出，煤矸石質固土材料摻量、土壤含水率、延遲時間以及養(yǎng)護齡期對固化土無側限抗壓強度都有一定影響。通過試驗結果，總結各因素對固化土無側限抗壓強度的影響規(guī)律如下:

1)煤矸石質固土材料摻量的增加，固化土的抗壓強度呈上升趨勢，這是因為隨著煤矸石質固土材料摻量的增多，水化產物也隨之增多，從而固化土抗壓強度得到提高，但是抗壓強度不是線性增長的。摻量從2%到10%時，抗壓強度增長很快，之后抗壓強度增長變緩。煤矸石質固土材料摻量為6%時，7，28 d抗壓強度分別為3.9，5.4 MPa，完全滿足CJ/T 486—2015《土壤固化外加劑》中的規(guī)定。從經(jīng)濟上考慮，選用煤矸石質固土材料摻量6%比較經(jīng)濟合理。

2)煤矸石質固土材料固化土的抗壓強度隨著含水率的增加而先增加，在含水率為12.7%時達到最大，隨后抗壓強度急劇下降。含水率為14%的7 d抗壓強度相對于12.7%下降了近34.6%。12.7%正好是土壤的最佳含水率，在這個含水率下固化土的干密度和壓實度都是最高的，因而其結構最致密，同時其所含水分足夠保證煤矸石質固土材料水化凝結的持續(xù)進行，所以其無側限抗壓強度也最高。

3)煤矸石質固土材料固化土的抗壓強度隨著延遲時間的延長先上升后下降，延遲4 h時的抗壓強度上升到最高，比拌和后立即成型的抗壓強度增加了11.5%，隨后抗壓強度開始下降，6 h時只比拌和后立即成型的抗壓強度低了1.3%。由此看出延遲時間對煤矸石質固土材料固化土的抗壓強度基本沒有影響。

4)煤矸石質固土材料固化土抗壓強度隨著齡期的增長而持續(xù)增長，固化土的早期強度較高，7 d就能達到3.9 MPa，已經(jīng)達到城市快速路和城市主干線基層的要求。并且后期能夠持續(xù)增長，60,90 d時抗壓強度分別能夠達到5.9,6.45 MPa。由此可以看出煤矸石質固土材料有良好的固土性能。