煤矸石质固土材料在固化土中的应用研究

肖雪军，鞠宇飞

(常州工程职业技术学院 化学与材料工程学院,江苏 常州 213164)

煤矸石是各种工业废渣中排放量最大、占地最多、污染环境较为严重的固体废弃物。煤矸石是多种矿岩组成的混合物，属沉积岩。主要岩石种类有黏土岩类、砂岩类、碳酸盐岩类和铝质岩类。黏土岩中主要矿物组分为黏土矿物，其次为石英、长石云母和黄铁矿、碳酸盐等自生矿物，此外还含有植物化石、有机质、碳质等。煤矸石中的黏土矿物在适当温度的煅烧下，能显示火山灰活性[1-3]。将煤矸石在500 ℃下煅烧，辅以矿渣微粉，结合水泥熟料、消石灰、石膏等激发剂，能更好地激发煤矸石的火山灰活性，可以制备出性能较好的煤矸石质固土材料[4-6]。为了更好地将煤矸石质固土材料应用于铁路与道路工程，本文系统研究煤矸石质固土材料掺量、土壤含水率、施工延迟时间以及养护龄期对煤矸石质固土材料应用性能的影响。

1 试验原料及试验方案

1.1 试验原料

试验用土为校内黄土，取样深度为地表以下1 m。按照JTG E40—2007《公路土工试验规程》中的试验规范，原状土的最大干密度、最佳含水率、液限、塑限等基本性质见表1。

表1 试验土样的物理性质指标

本文以煤矸石、矿渣、石灰、水泥熟料、石膏为主要原料，制备煤矸石质固土材料。其中煤矸石取自江西吉安，矿渣取自唐山钢铁厂，水泥熟料来自河北冀东水泥厂，消石灰为工业消石灰，石膏为分析纯无水石膏。化学组成见表2。

表2 原料的化学组成

1.2 煤矸石质固土材料的配比

煤矸石质固土材料主要以煅烧煤矸石(500 ℃煅烧)为主，并辅以矿渣，以提高其火山灰活性。以水泥熟料、消石灰、石膏为激发剂，用以激发煤矸石的火山灰活性。通过研究了各组分掺量变化对固土材料力学性能的影响后，确定了力学性能最佳的一组配合比，具体见表3。

表3 煤矸石质固土材料的配合比 %

1.3 试验方案

按照JEG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，研究煤矸石质固土材料掺量从2%到14%变化时固化土强度的变化规律；根据煤矸石质固土材料掺量对固化土强度试验结果，确定煤矸石质固土材料适宜掺量，研究土壤含水率的变化对固化土抗压强度的影响；研究不同延迟时间(2,4，6 h)对固化土抗压强度的影响；研究7,28,60，90 d不同龄期对固化土抗压强度的影响。

2 试验结果与讨论

2.1 煤矸石质固土材料掺量对固化土抗压强度的影响

煤矸石质固土材料加入土后便与水发生水解和水化反应，生成各种水化产物后，有的自身继续水化凝结，有的则与土壤中的活性颗粒发生反应，生成不溶于水的稳定矿物。煤矸石质固土材料加入量的多少直接影响到固化土的无侧限抗压强度。保持土壤在最佳含水率(12.7%)下，研究煤矸石质固土材料掺量从2%到14%变化时固化土抗压强度的变化规律。试验数据见表4。

表4 固化土抗压强度与掺量的关系

由表4可知：①随着煤矸石质固土材料掺量的增加，固化土7，28 d的抗压强度呈上升趋势，这是因为随着煤矸石质固土材料掺量的增多，水化产物也随之增多，从而固化土抗压强度得到提高。②固化土抗压强度随着龄期的增长而增长。③固化土抗压强度随着煤矸石质固土材料掺量从2%到8%之间稳步增长；但是从8%～10%时抗压强度突然增长很大，增幅达68.9%；而后随着掺量的增加，抗压强度增加已不明显。由此可知固化土的抗压强度不是随着掺量的增长而线性增长，而是增加到一定量后抗压强度增幅变缓。结合GJ/T 486—2015《土壤固化外加剂》中的规定以及从经济上考虑，一般选用6%比较合适。

2.2 含水率对固化土强度的影响

水在土中是一个重要的组分，其含量的多少对固化土的性能有很大的影响。当水分过多时，黏土的承载力就比较低；水分过少时，又会影响到土壤固化剂的水化。因而本节在保持煤矸石质固土材料掺量6%不变的情况下，研究含水率的变化对固化土的性能影响。表5为试验数据。

表5 固化土抗压强度与含水率的关系

由表5可看出：①总体上固化土的抗压强度随着含水率的增加而先增加，在含水率为12.7%时达到最大，随后抗压强度急剧下降；含水率为14%的7 d抗压强度相对于12.7%下降了近34.6%。②各个含水率下的固化土强度都随着龄期的增长而持续增长。③7 d 时，含水率为8%的固化土抗压强度高于10%和12%，这是由于其开始阶段含水率少便于压实(从干密度可以看出含水率8%时其压实度要好于10%和12%)，因而其早期抗压强度较高；但是28 d抗压强度却低于含水率为10%和12%时的固化土，这是因为煤矸石质固土材料在水化凝结时需要消耗水分，而含水率只有8%时，其水分就会相对欠缺，从而影响了煤矸石质固土材料的水化凝结，抗压强度增长受到了限制；含水率为10%和12%时，由于水分较充足，便于煤矸石质固土材料的硬化凝结，抗压强度稳步增长。④固化土在最佳含水率12.7%时，其干密度最大，因而其压实度也是最高，结构最致密，同时其所含水分足够保证煤矸石质固土材料水化凝结的持续进行，所以无侧限抗压强度也最高。⑤从最佳含水率到14%的含水率时，固化土抗压强度急剧下降。这是由于随着水分的增加，固化土的干密度下降，导致固化土压实度下降，致密性下降；同时过量的水分会在黏土颗粒表面形成吸附水膜，使得黏土颗粒间相互排斥，不利于颗粒的吸附连接，从而使抗压强度急剧下降。

2.3 延迟时间对固化土抗压强度的影响

水泥类混合料的抗压强度主要来自于水泥水化所产生的CSH等水化物的胶结作用，由于水泥凝结硬化快，因此其混合料早期强度高。如果水泥类混合料固化土时延迟时间过长，成型时的压实就会破坏水泥水化产物之间的既成连结，与拌和后立即压实成型的相比，抗压强度会有所下降。因而交通部在JTJ 034—2000《公路路面基层施工技术规范》中规定：水泥稳定类材料施工时，必须严格控制从加水拌和到碾压终了的延迟时间，如用集中厂拌法时不得超过2～3 h，路拌法时不得超过3～4 h，并应该短于该水泥的终凝时间。

鉴于以上原因，对煤矸石质固土材料固化土的延迟时间对固化土的影响作了试验研究，以考察煤矸石质固土材料的施工性能。本试验在最佳含水率下，掺入6%的煤矸石质固土材料，重点研究不同延迟时间(2,4，6 h)对固化土抗压强度的影响进行分析。试验数据见表6。

表6 固化土抗压强度与延迟时间的关系

从表6可看出：①煤矸石质固土材料固化土的抗压强度随着延迟时间的延长先上升后下降，这种规律与A.凯兹迪所得到的有关延迟碾压时间对水泥固化土强度的影响规律是一致的。②在4 h时抗压强度上升到最高，比拌和后立即成型时抗压强度增加11.5%；而延迟6 h成型时抗压强度下降，但相比于拌和后立即成型时的抗压强度只下降了1.3%。由此可以看出延迟时间对煤矸石质固土材料固化土的抗压强度基本上无不利影响。这是因为土壤是一个复杂体系，煤矸石质固土材料的水化反应在土壤的作用，导致拌和成型初期水化反应进行缓慢，终凝时间长。

2.4 养护龄期对固化土抗压强度的影响

煤矸石质固土材料是个多组分复合体系，其组成中包括提供早期强度的成分和后期强度的成分，确保固化土在保证早期强度的前提下，抗压强度持续增长。煤矸石质固土材料加入土体后，高活性硅酸盐矿物自身水化反应，产生具有胶凝性的物质和Ca(OH)2，提供了早期强度，提高了体系的pH值，使煤矸石中活性硅铝发生发应，形成水合铝硅酸盐，提供了后期强度，保证了固化土抗压强度的持续增长。对掺量6%的煤矸石质固土材料固化土的强度与龄期的关系作了试验分析，详细试验数据见表7。

表7 固化土抗压强度与龄期的关系

由表7可知:①固化土抗压强度随着龄期的增长而持续增长。②固化土的早期强度比较高，7 d就能达到3.9 MPa，已经达到城市快速路和城市主干线基层的要求。③28 d时抗压强度达到5.4 MPa，比7 d时增加了1.5 MPa，增长了38.46%，增幅较大。④60，90 d时抗压强度分别达到5.90,6.45 MPa，相比于7 d抗压强度分别增长了51.28%,65.38%。可见煤矸石质固土材料的固化土抗压强度能够保持长期增长。其早期强度高和后期强度持续增长的特点能提高该固化土的应用范围。

3 结论

由上面的试验结果可以看出，煤矸石质固土材料掺量、土壤含水率、延迟时间以及养护龄期对固化土无侧限抗压强度都有一定影响。通过试验结果，总结各因素对固化土无侧限抗压强度的影响规律如下:

1)煤矸石质固土材料掺量的增加，固化土的抗压强度呈上升趋势，这是因为随着煤矸石质固土材料掺量的增多，水化产物也随之增多，从而固化土抗压强度得到提高，但是抗压强度不是线性增长的。掺量从2%到10%时，抗压强度增长很快，之后抗压强度增长变缓。煤矸石质固土材料掺量为6%时，7，28 d抗压强度分别为3.9，5.4 MPa，完全满足CJ/T 486—2015《土壤固化外加剂》中的规定。从经济上考虑，选用煤矸石质固土材料掺量6%比较经济合理。

2)煤矸石质固土材料固化土的抗压强度随着含水率的增加而先增加，在含水率为12.7%时达到最大，随后抗压强度急剧下降。含水率为14%的7 d抗压强度相对于12.7%下降了近34.6%。12.7%正好是土壤的最佳含水率，在这个含水率下固化土的干密度和压实度都是最高的，因而其结构最致密，同时其所含水分足够保证煤矸石质固土材料水化凝结的持续进行，所以其无侧限抗压强度也最高。

3)煤矸石质固土材料固化土的抗压强度随着延迟时间的延长先上升后下降，延迟4 h时的抗压强度上升到最高，比拌和后立即成型的抗压强度增加了11.5%，随后抗压强度开始下降，6 h时只比拌和后立即成型的抗压强度低了1.3%。由此看出延迟时间对煤矸石质固土材料固化土的抗压强度基本没有影响。

4)煤矸石质固土材料固化土抗压强度随着龄期的增长而持续增长，固化土的早期强度较高，7 d就能达到3.9 MPa，已经达到城市快速路和城市主干线基层的要求。并且后期能够持续增长，60,90 d时抗压强度分别能够达到5.9,6.45 MPa。由此可以看出煤矸石质固土材料有良好的固土性能。