煤矸石質(zhì)固土材料在固化土中的應(yīng)用研究

肖雪軍，鞠宇飛

(常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)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(yán)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(zhì)巖類。黏土巖中主要礦物組分為黏土礦物，其次為石英、長(zhǎng)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(jī)質(zhì)、碳質(zhì)等。煤矸石中的黏土礦物在適當(dāng)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(jié)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(zhì)固土材料[4-6]。為了更好地將煤矸石質(zhì)固土材料應(yīng)用于鐵路與道路工程，本文系統(tǒng)研究煤矸石質(zhì)固土材料摻量、土壤含水率、施工延遲時(shí)間以及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)煤矸石質(zhì)固土材料應(yīng)用性能的影響。

1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用土為校內(nèi)黃土，取樣深度為地表以下1 m。按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中的試驗(yàn)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(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

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(zhì)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(lái)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(wú)水石膏。化學(xué)組成見表2。

表2 原料的化學(xué)組成

1.2 煤矸石質(zhì)固土材料的配比

煤矸石質(zhì)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(guò)研究了各組分摻量變化對(duì)固土材料力學(xué)性能的影響后，確定了力學(xué)性能最佳的一組配合比，具體見表3。

表3 煤矸石質(zhì)固土材料的配合比 %

1.3 試驗(yàn)方案

按照J(rèn)EG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，研究煤矸石質(zhì)固土材料摻量從2%到14%變化時(shí)固化土強(qiáng)度的變化規(guī)律；根據(jù)煤矸石質(zhì)固土材料摻量對(duì)固化土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，確定煤矸石質(zhì)固土材料適宜摻量，研究土壤含水率的變化對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響；研究不同延遲時(shí)間(2,4，6 h)對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響；研究7,28,60，90 d不同齡期對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 煤矸石質(zhì)固土材料摻量對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響

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

表4 固化土抗壓強(qiáng)度與摻量的關(guān)系

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

2.2 含水率對(duì)固化土強(qiáng)度的影響

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

表5 固化土抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

由表5可看出：①總體上固化土的抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加而先增加，在含水率為12.7%時(shí)達(dá)到最大，隨后抗壓強(qiáng)度急劇下降；含水率為14%的7 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)于12.7%下降了近34.6%。②各個(gè)含水率下的固化土強(qiáng)度都隨著齡期的增長(zhǎng)而持續(xù)增長(zhǎng)。③7 d 時(shí)，含水率為8%的固化土抗壓強(qiáng)度高于10%和12%，這是由于其開始階段含水率少便于壓實(shí)(從干密度可以看出含水率8%時(shí)其壓實(shí)度要好于10%和12%)，因而其早期抗壓強(qiáng)度較高；但是28 d抗壓強(qiáng)度卻低于含水率為10%和12%時(shí)的固化土，這是因?yàn)槊喉肥|(zhì)固土材料在水化凝結(jié)時(shí)需要消耗水分，而含水率只有8%時(shí)，其水分就會(huì)相對(duì)欠缺，從而影響了煤矸石質(zhì)固土材料的水化凝結(jié)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)受到了限制；含水率為10%和12%時(shí)，由于水分較充足，便于煤矸石質(zhì)固土材料的硬化凝結(jié)，抗壓強(qiáng)度穩(wěn)步增長(zhǎng)。④固化土在最佳含水率12.7%時(shí)，其干密度最大，因而其壓實(shí)度也是最高，結(jié)構(gòu)最致密，同時(shí)其所含水分足夠保證煤矸石質(zhì)固土材料水化凝結(jié)的持續(xù)進(jìn)行，所以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也最高。⑤從最佳含水率到14%的含水率時(shí)，固化土抗壓強(qiáng)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(dǎo)致固化土壓實(shí)度下降，致密性下降；同時(shí)過(guò)量的水分會(huì)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(qiáng)度急劇下降。

2.3 延遲時(shí)間對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響

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

鑒于以上原因，對(duì)煤矸石質(zhì)固土材料固化土的延遲時(shí)間對(duì)固化土的影響作了試驗(yàn)研究，以考察煤矸石質(zhì)固土材料的施工性能。本試驗(yàn)在最佳含水率下，摻入6%的煤矸石質(zhì)固土材料，重點(diǎn)研究不同延遲時(shí)間(2,4，6 h)對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 固化土抗壓強(qiáng)度與延遲時(shí)間的關(guān)系

從表6可看出：①煤矸石質(zhì)固土材料固化土的抗壓強(qiáng)度隨著延遲時(shí)間的延長(zhǎng)先上升后下降，這種規(guī)律與A.凱茲迪所得到的有關(guān)延遲碾壓時(shí)間對(duì)水泥固化土強(qiáng)度的影響規(guī)律是一致的。②在4 h時(shí)抗壓強(qiáng)度上升到最高，比拌和后立即成型時(shí)抗壓強(qiáng)度增加11.5%；而延遲6 h成型時(shí)抗壓強(qiáng)度下降，但相比于拌和后立即成型時(shí)的抗壓強(qiáng)度只下降了1.3%。由此可以看出延遲時(shí)間對(duì)煤矸石質(zhì)固土材料固化土的抗壓強(qiáng)度基本上無(wú)不利影響。這是因?yàn)橥寥朗且粋€(gè)復(fù)雜體系，煤矸石質(zhì)固土材料的水化反應(yīng)在土壤的作用，導(dǎo)致拌和成型初期水化反應(yīng)進(jìn)行緩慢，終凝時(shí)間長(zhǎng)。

2.4 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響

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

表7 固化土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

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

3 結(jié)論

由上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，煤矸石質(zhì)固土材料摻量、土壤含水率、延遲時(shí)間以及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有一定影響。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)各因素對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如下:

1)煤矸石質(zhì)固土材料摻量的增加，固化土的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著煤矸石質(zhì)固土材料摻量的增多，水化產(chǎn)物也隨之增多，從而固化土抗壓強(qiáng)度得到提高，但是抗壓強(qiáng)度不是線性增長(zhǎng)的。摻量從2%到10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，之后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩。煤矸石質(zhì)固土材料摻量為6%時(shí)，7，28 d抗壓強(qiáng)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(jì)上考慮，選用煤矸石質(zhì)固土材料摻量6%比較經(jīng)濟(jì)合理。

2)煤矸石質(zhì)固土材料固化土的抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加而先增加，在含水率為12.7%時(shí)達(dá)到最大，隨后抗壓強(qiáng)度急劇下降。含水率為14%的7 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)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(gè)含水率下固化土的干密度和壓實(shí)度都是最高的，因而其結(jié)構(gòu)最致密，同時(shí)其所含水分足夠保證煤矸石質(zhì)固土材料水化凝結(jié)的持續(xù)進(jìn)行，所以其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也最高。

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

4)煤矸石質(zhì)固土材料固化土抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而持續(xù)增長(zhǎng)，固化土的早期強(qiáng)度較高，7 d就能達(dá)到3.9 MPa，已經(jīng)達(dá)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(zhǎng)，60,90 d時(shí)抗壓強(qiáng)度分別能夠達(dá)到5.9,6.45 MPa。由此可以看出煤矸石質(zhì)固土材料有良好的固土性能。