黄土具有孔隙大、 浸水后易发生沉陷等特点,在宁夏回族自治区分布较广。宁夏位于我国西北地区,属于典型的季节性冻土区,黄土在冻融循环作用下力学性质易发生改变,对土体强度及稳定性造成严重影响[1]。
在我国,每生产35～40亿t原煤至少排放5亿t煤矸石,煤矸石是堆存量和排放量最大的工业固体废弃物之一,不仅占用大量土地,还对大气和水体造成污染[2]。目前,我国煤矸石综合利用率约为70%,而欧美发达国家的则高达90%,存在较大的差距。在对煤矸石的综合利用中,资源回收过程繁琐,工程应用工艺不成熟,煤矸石在工程建设上应有更多的应用价值和推广前景[3-4]。
在季节性冻土区,常用石灰、 水泥、 粉煤灰等传统改良剂对黄土进行改良[5-7],但利用煤矸石对黄土进行改良时,既可降低成本,又可以解决煤矸石堆量大、 分布广、 污染环境等问题。Zhang等[8]、 南益聪等[9]通过对煤矸石的结构特征及元素组成进行分析发现,煤矸石能够改变新构土壤水分和团聚体结构的稳定性;贺建清等[4]、 黄道军等[10]分别对煤矸石改良黏土、 粉土进行研究;张雁等[11-12]对煤矸石改良膨胀土的最佳掺量、 击实特性、 强度特性及耐久性进行了研究;Lyv等[13]发现合理配比的工业废渣和黄土混合物能够作为地基绿色回填材料进行使用;许天驰等[14]、 董超凡等[15]分别对微生物、 木质素纤维改良黄土进行研究,发现环保性新型材料可以改善黄土的渗透特性和强度特性。
综上,目前对黄土进行改良的材料主要包括水泥、 石灰、 工业废渣、 粉煤灰以及其他一些环保材料,对煤矸石改良土的研究多集中在对膨胀土的改良上,但对煤矸石改良黄土的力学性能及抗冻融性能的相关研究鲜见报道。利用煤矸石改良黄土,既能够实现工业固废的资源化利用,又能降低工程建设成本,还能够兼顾环境保护问题。
力学性能和抗冻融性能是衡量土体能否作为季节性冻土区地基材料的重要指标。本文中首先测试黄土和煤矸石的粒径和组分,分析煤矸石改良黄土的反应原理;然后以不同掺量的煤矸石改良黄土为试件,分别对试件进行无侧限抗压强度试验、 直剪试验、 固结压缩试验和湿陷性试验,通过分析煤矸石改良黄土试件的无侧限抗压强度、 抗剪强度、 黏聚力、 内摩擦角、 压缩系数和湿陷系数等力学性能指标确定煤矸石的最优掺量;最后,以黄土原料为对照组,将最优掺量的煤矸石改良黄土最优试件进行冻融循环试验,再次进行无侧限抗压强度试验和直剪试验,分析冻融循环后最优试件的力学性能,确定煤矸石改良黄土的抗冻融性能。
1 材料与方法
1.1 材料
试验用黄土取自宁夏回族自治区同心县, 为典型的浅黄色湿陷性黄土。 黄土的液限为32.31%, 黄土的塑限为16.56%, 黄土的含水率为16.93%。 黄土颗粒的粒径分布如图1所示。 由图可看出,黄土颗粒的粒径为0.001～2 mm,其中,粒径小于0.005 mm的黏粒的质量分数约为5.61%, 粒径为0.005～0.075 mm的粉粒的质量分数约为55.86%, 粒径大于0.075 mm的砂粒的质量分数约为38.55%。
图1 黄土颗粒的粒径分布
Fig.1 Particle size distribution of loess particles
试验用煤矸石取自宁夏回族自治区灵武市羊场湾煤矿厂, 煤矸石的吸水率为8.14%, 烧失量(质量分数,下同)为15.41%, 液限为31.12%, 塑限为18.91%, 有机质质量分数为14.22%。煤矸石呈黑灰色, 比煤坚硬, 采用PANalytical Axios型X射线荧光光谱仪(富瑞博国际有限公司)对煤矸石进行光谱分析, 发现煤矸石含有铝、 钙、 镁等氧化物。 对煤矸石进行破碎和筛分, 使煤矸石颗粒的粒径小于2 mm,筛分后的煤矸石颗粒可更好地与黄土结合和反应。煤矸石的化学组分见表1。由表可知,煤矸石主要成分为SiO2、 Al2O3和Fe2O3。
表1 煤矸石的化学组分
Tab.1 Chemical components of coal gangue
组分SiO2Al2O3Fe2O3K2OCaOMgOTiO质量分数/%58.8622.406.263.832.641.921.47
1.2 煤矸石改良黄土的基本原理
采用Sigma 300型扫描电子显微镜(卡尔蔡司(上海)管理有限公司)对煤矸石颗粒进行电镜扫描分析,对煤矸石SEM图像中选取2种颗粒进行能谱分析。在SEM图像中,2种不同微观形貌的煤矸石颗粒的能谱图如图2所示。由图可知,煤矸石中主要包含了富含钙、 铁的球形粒子和富含硅、 铝、 碳的多孔粒子,还含有一些晶体不规则粒子;富含钙的球形粒子表面附着了细小的微珠颗粒,黏连紧密,含钙的球形粒子越多,煤矸石的活性越高;富含钙的球形粒子可以与水反应生成新的游离氢氧化物,这种氢氧化物随着时间的推移与空气中的CO2反应生成沉淀结晶[7]。
(a)SEM图像(b)点1处颗粒的能谱图(c)点2处颗粒的能谱图图2 2种不同微观形貌的煤矸石颗粒的能谱图Fig.2 Energy spectrum of two kinds of coal gangue particles with different micromorphologies
粒径较小的煤矸石吸水静置后会发生一系列化学反应, SiO2、 Al2O3和Fe2O3引起的主要化学反应为
Al2O3+6H+
2Al3++3H2O,
Al2O3+2OH-
,
4Al(OH)3↓,
Al3++4OH-
,
Fe2O3+6H+2Fe3++3H2O,
SiO2+2HaOHNa2SiO3+3H2O。
黄土中含有大量的长石,其中钙长石(CaAl2Si2O8)、 钠长石(NaAlSi3O8)和钾长石(KAlSi3O8)在吸水静置后发生溶解脱去表面阳离子,化学方程式为
CaAl2Si2O2+2H++H2OAl2Si2O5(OH)4+Ca2+,
2NaAlSi3O8+2H++H2OAl2Si2O5(OH)4+2Na++4SiO2,
2KAlSi3O8+2H++H2OAl2Si2O5(OH)4+2K++4SiO2。
在黄土中掺入煤矸石后,煤矸石中的活性高价阳离子(Al3+、 Fe3+)会与黄土中的低价阳离子(Ca2+、 Na+、 K+)发生离子交换作用。
1.3 方法
1.3.1 无侧限抗压强度试验
无侧限抗压强度是衡量土体能否作为地基材料的重要指标之一。土体的无侧限抗压强度越大,表明土体的承载能力越大。在无侧限抗压强度试验中,圆柱形试件尺寸为φ50 mm×50 mm(直径×高度),养护龄期分别设为7、 14、 28 d;试验时采用位移控制法,加载速率为1 mm/min。
1.3.2 直剪试验
抗剪强度可用来衡量土体抵抗剪切破坏的能力。根据抗剪强度和施加压强之间的关系方程可计算出土体的黏聚力和内摩擦角,土体的黏聚力越大,表明土体颗粒间分子引力越大,土体的抗剪强度也就越大;土体的内摩擦角越大,表明土体颗粒之间的表面摩擦力和咬合力越大。在直剪试验中,试验仪器采用ZJ型应变控制式直剪仪(南京土壤仪器厂),环刀尺寸为φ61.8 mm×20 mm(直径×高度),垂直压强分别设为100、 200、 300、 400 kPa,剪切速率为0.8 mm/s,试验时间约为3～5 min。
1.3.3 固结压缩试验
土体的压缩特性直接影响地基的抗变形能力。 土体的压缩系数越小, 表明土体的抗体积变形能力越强。 在固结压缩试验中, 试验仪器采用WG型单杠杆固结仪(南京土壤仪器厂), 环刀尺寸为φ79.8 mm×20 mm(直径×高度), 试验中分级施加压强, 垂直压强分别设为50、 100、 200、 300、 400、 600 kPa, 共6个等级。 压缩系数α的计算公式为
(1)
式中： p1、 p2为施加的垂直压强; s1、 s2分别为垂直压强为p1、 p2时试件的沉降量; e0为初始孔隙比,取为0.624。一般情况下,选取垂直压强p1、 p2分别为100、 200 kPa时对应的压缩系数αv1-2来评价改良黄土的压缩特性,以每小时沉降量(试件高度的变化量)≤0.01 mm为稳定标准。
1.3.4 湿陷性试验
湿陷性是黄土特有的性质,湿陷系数小,表明黄土浸水后湿陷变形越小,适合作为地基承载材料。湿陷系数δs的计算公式为
(2)
式中： h1为施加一定的垂直压强后, 试件变形稳定后的高度; h2为试件浸水湿陷变形稳定后的高度; h0为试件初始高度。
在一定压强条件下,黄土的湿陷系数δs根据室内浸水压缩试验测定的结果进行判定：当0.015≤δs≤0.03时湿陷性轻微, 当0.03<δs≤0.07时湿陷性中等,当δs>0.07时湿陷性严重。在湿陷性试验中,环刀尺寸为φ79.8 mm×20 mm(直径×高度),垂直压强分别设为50、 100、 150、 200 kPa,共4个等级,以每小时沉降量≤0.01 mm为稳定标准,待试件在最后一级压强下变形稳定后向容器内注入纯水,令水面高出试件顶面,并保持该水面直至试件变形稳定为止,记录最终沉降量。
1.3.5 冻融循环试验
土体的抗冻融性能可由经过冻融循环试验后土体的强度损失率衡量。在冻融循环试验中,试件养护7 d后,需放入高低温湿热交变箱内进行冻融循环试验。根据宁夏冬季的气温情况,设定冻、 融温度分别为-20、 20 ℃,冻结时间为12 h,融化时间为12 h。根据文献[16]可知,经7～10个冻融循环周期后试件的力学性能趋于稳定,因此将冻融试验循环次数设定为1、 3、 5、 7、 9、 11,并将经过冻融循环后的试件进行无侧限抗压强度试验和直剪试验,测试最优试件的力学性能和抗冻融性能。
1.3.6 试件制备
将黄土和煤矸石进行风干、 破碎、 过筛后充分混合搅拌5 min,使混合料混合均匀。湿陷性试验所用试件的压实度设为85%,无侧限抗压强度试验、 直剪试验和固结压缩试验所用试件的压实度设为95%,试件的含水率均设为17%。严格按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》和JTGE 51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行试验。
为研究煤矸石掺量对改良黄土力学性能的影响,煤矸石质量分数分别设为0、 5%、 10%、 15%、 20%、 25%、 30%、 35%、 40%,制得的对应试件编号分别为C1、 C2、 …、 C9,通过进行无侧限抗压强度试验、直剪试验、固结压缩试验和湿陷性试验,确定煤矸石的最优掺量;将黄土试件作为对照组,分析最优掺量的煤矸石改良黄土试件的力学性能和抗冻融性能。
2 结果与分析
2.1 力学性能
2.1.1 无侧限抗压强度
试件C1,C2,…,C9的无侧限抗压强度随养护龄期的变化如图3所示。由图可以看出,试件C5的无侧限抗压强度最大,说明煤矸石最佳质量分数为20% ;随着养护龄期的增大,C1、 C2、 …、 C9的无侧限抗压强度均逐渐增大,养护龄期为7、 14 d时增幅较大,养护龄期为28 d时抗压强度趋于稳定。综上,当煤矸石质量分数为20%,养护龄期28 d时,改良黄土的无侧限抗压强度达到585 kPa,此时煤矸石与土体反应充分,反应产物与土体颗粒之间胶结作用得到加强,而且反应产物可填充黄土的孔隙使得土体结构更加密实。另外,由于煤矸石本身强度高,因此煤矸石和黄土混合能够提高混合料的强度[17]。
图3 试件C1、 C2、 …、 C9的无侧限抗压强度随养护龄期的变化
Fig.3 Changes of unconfined compressive strength of specimen C1, C2, … and C9 with curing age
2.1.2 抗剪性能
在直剪试验中,试件C1、 C2、 …、 C9的抗剪强度随施加的垂直压强的变化如图4所示。由图可以看出,试件C5的抗剪强度最大为287 kPa,抗剪强度和垂直压强的关系曲线接近于直线方程,试件C1、 C2、 …、 C9的抗剪强度与垂直压强的关系式为
图4 试件C1、 C2、 …、 C9的抗剪强度随施加的垂直压强的变化
Fig.4 Changes of shear strength of specimen C1, C2, … and C9 with applied vertical pressure
(3)
式中： y1、 y2、 …、 y9分别为C1、 C2、 …、 C9的抗剪强度; x1、 x2、 …、 x9分别为施加在C1、 C2、 …、 C9的垂直压强;纵坐标上的截距为黏聚力,直线的倾角为内摩擦角。由图4可知,C1、 C2、 …、 C9的黏聚力分别为27.601、 31.877、 46.417、 56.680、 63.755、 51.704、 42.840、 37.709、 20.371 kPa,内摩擦角分别为27.900、 28.763、 29.077、 29.125、 29.646、 29.002、 28.824、 28.591、 28.516 °。
煤矸石的掺量对改良黄土的黏聚力和内摩擦角的影响如图5所示。 由图可看出, 随着煤矸石掺量的增大, 煤矸石改良黄土的黏聚力和内摩擦角先增大后减小, 原因可能在于, 煤矸石中含有多孔、 黏性较大且具有较高吸水性的不规则颗粒, 将黄土与煤矸石混合后, 混合料中的黏粒含量增加, 增大了混合料的结构团聚性[18], 但当煤矸石质量分数大于20%时, 煤矸石大量替代混合料中的黄土, 致使混合料中粉性颗粒含量减小, 颗粒之间的咬合、 镶嵌作用减弱, 土体的咬合摩擦力与滑动摩擦力减小, 所以减弱了混合料的抗剪强度; 当煤矸石质量分数从0增大到20%时,黏聚力增大了131.0%, 内摩擦角增大了6.3%, 黏聚力增幅较大,内摩擦角变化不大; 当煤矸石质量分数大于20%时, 煤矸石改良黄土的黏聚力和内摩擦角反而逐渐减小, 因此,当煤矸石质量分数为20%时,改良黄土的黏聚力最大为63.755 kPa,内摩擦角为29.646 °。
(a)黏聚力(b)内摩擦角图5 煤矸石的掺量对改良黄土的黏聚力和内摩擦角的影响Fig.5 Effect of dosage of coal gangue on cohesion and internal friction angle of improved loess
2.1.3 压缩特性
煤矸石的掺量对改良黄土的压缩系数的影响如图6所示。由图可以看出,随着煤矸石掺量的增大,改良黄土的压缩系数逐渐减小;煤矸石改良黄土的压缩系数为0.1～0.24 MPa-1,属于中压缩性土体。当煤矸石掺量较小时,煤矸石和黄土发生离子交换并具有结晶作用,产生的凝胶物质在水和空气中逐渐硬化,填充了土样的孔隙,阻止了土样的变形,煤矸石质量分数≤20%时,改良黄土的压缩系数下降幅度最大;当煤矸石质量分数>20%时,土体内的大颗粒增加,此时煤矸石粗颗粒比较细的土颗粒更难压缩[19],导致后期煤矸石改良黄土压缩系数下降幅度变缓,因此,煤矸石质量分数为20%时,煤矸石改良黄土的压缩系数约为0.19 MPa-1。
图6 煤矸石的掺量对改良黄土的压缩系数的影响
Fig.6 Effect of dosage of coal gangue on compressibility of improved loess
2.1.4 湿陷性
煤矸石的掺量对改良黄土的湿陷系数的影响如图7所示。由图可以看出,随着煤矸石掺量的增大,改良黄土的湿陷系数逐渐减小;当煤矸石质量分数小于15%时,对试件C1、 C2、 C3、 C4的湿陷性影响较大;当煤矸石质量分数大于20%时,对试件C5、 C6、 C7、 C8、 C9的湿陷性影响较小;当煤矸石质量分数大于10%时改良黄土的湿陷性由中等湿陷性变为轻微湿陷性,煤矸石质量分数大于15%时改良黄土的湿陷性基本消除,煤矸石质量分数为20%时改良黄土的湿陷性完全消除。主要原因在于： 煤矸石与黄土反应形成黏粒-结晶水化物的复合颗粒,能够增强颗粒间的胶结连接;煤矸石可以有效地填塞黄土孔隙,减小黄土孔隙率,从而抑制湿陷现象的发生;煤矸石具有吸水后膨胀的特点,对黄土的湿陷性有一定的抑制作用[20],因此,掺加了煤矸石的黄土的湿陷性被削弱或消除。
图7 煤矸石的掺量对改良黄土的湿陷系数的影响
Fig.7 Effect of dosage of coal gangue on collapsibility coefficient of improved loess
综上,煤矸石改良黄土存在较优掺量。当煤矸石质量分数为20%时,改良黄土的无侧限抗压强度、 抗剪强度、 压缩特性和湿陷性最佳。
2.2 抗冻融性能
以黄土试件C1为对照组,将掺入质量分数为20%的煤矸石的最优试件C5以及C1进行冻融循环试验,然后将经历多次冻融循环后的试件再次进行无侧限抗压强度试验和直剪试验,分析试件C1、 C5冻融循环后的力学性能,确定掺入煤矸石对改良黄土的抗冻融性能的影响。
2.2.1 无侧限抗压强度
试件C1和C5的无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化如图8所示。由图可以看出,随着冻融循环次数的增加,试件C1、 C5的无侧限抗压强度逐渐减小。这是因为,冻融初期受冻胀作用和原有微观裂缝的影响,水分还未均匀分布,发生原位冻结使原有孔隙膨大,造成早期强度下降较快;随着的冻融循环次数的增加,土体内裂缝和孔隙不断衍生,土体中的水分重新分布,强度下降变缓[21],说明冻融循环改变了黄土和煤矸石改良黄土的土体的结构,降低了土体的强度;冻融循环次数为11时,试件C1的无侧限抗压强度损失率为35.8%,试件C5的无侧限抗压强度损失率为26.9%,说明煤矸石改良黄土的抗冻融性能更好。
图8 试件C1和C5的无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化
Fig.8 Changes of unconfined compressive strength of specimen C1 and C5 with number of freeze-thaw cycles
2.2.2 抗剪性能
每次冻融循环后对试件C1、 C5施加的垂直压强分别为100、 200、 300、 400 kPa,需将施加不同垂直压强时试件的抗剪强度进行加权处理,再以加权平均抗剪强度作为试件的抗剪强度进行分析。加权平均抗剪强度[22]的计算公式为
(4)
式中：τf为加权平均抗剪强度; τi为第i次加载后的抗剪强度; σi为第i次加载时的垂直压强。试件C1和C5的抗剪强度随冻融循环次数的变化如图9所示。由图可以看出,随着冻融循环次数的增加,试件C1、 C5的抗剪强度逐渐减小,前5次冻融循环对试件C1、 C5的抗剪强度影响最大;第1次冻融循环后,试件C1、 C5的抗剪强度损失分别占总损失的48.8%、 42.2%,说明试件C1、 C5在第1次冻融循环后抗剪强度损失最大;经过11次冻融循环后,试件C1、 C5的抗剪强度损失率分别为9.6%、 7.4%,C5的抗剪强度损失率小于C1,说明煤矸石改良黄土的抗冻融性能优于黄土的。
图9 试件C1和C5的抗剪强度随冻融循环次数的变化
Fig.9 Changes of shear strength of specimen C1 and C5 with number of freeze-thaw cycles
试件C1和C5的黏聚力和内摩擦角随冻融循环次数的变化如图10所示。由图可以看出,随着冻融循环次数的增加,试件C1、 C5的黏聚力逐渐减小,内摩擦角先减小后增大;经过11次冻融循环后,试件C1、 C5的黏聚力损失率分别为24.3%、18.6%,C5的黏聚力损失率小于C1,说明煤矸石改良黄土的抗冻融性能优与黄土的;经过11次冻融循环后,试件C1、 C5的内摩擦角分别增大了3.3%、2.3%,C5的内摩擦角增大幅度略低于黄土的,但增幅小于1°,可认为冻融循环作用对煤矸石改良黄土的内摩擦角的影响不明显。
(a)黏聚力
(b)内摩擦角
图10 试件C1和C5的黏聚力和内摩擦角随冻融循环次数的变化
Fig.10 Changes of cohesion and internal friction angle of specimen C1 and C5 with number of freeze-thaw cycles
常见的石灰、水泥等改良材料,可以有效地提高土体强度,但同时也使土体的脆性增强,在固化土体过程中易产生较多的孔隙,不利于抑制冻融循环作用对土体的劣化过程[23]。不同于水泥、石灰等主要利用化学方法改良黄土,在煤矸石改良黄土过程中物理改良也起了很大作用。煤矸石活性较低,改良后的黄土强度虽然提升较慢,但却能明显改善黄土的湿陷性和抗冻融性能,因此,煤矸石改良黄土适合作为季节性冻土区黄土的地基材料。
3 结论
本文中测试了黄土和煤矸石的粒径和组分, 分析煤矸石改良黄土的反应原理; 以不同掺量的煤矸石改良黄土为试件, 分别对试件进行了无侧限抗压强度试验、 直剪试验、 固结压缩试验和湿陷性试验, 通过分析煤矸石改良黄土试件的无侧限抗压强度、 抗剪强度、 黏聚力、 内摩擦角、 压缩系数和湿陷系数等力学性能指标确定煤矸石的最优掺量; 以黄土原料为对照组, 将最优掺量的煤矸石改良黄土最优试件进行冻融循环试验, 再次进行无侧限抗压强度试验和直剪试验, 分析冻融循环后最优试件的力学性能。
1)当煤矸石质量分数为20%,养护龄期28 d时,改良黄土的无侧限抗压强度为585 kPa,抗剪强度为287 kPa,压缩系数约为0.19 MPa-1,改良黄土的黏聚力为63.755 kPa,内摩擦角为29.646 °,湿陷性完全消除,煤矸石与黄土反应充分,反应产物与土体颗粒之间的胶结作用得到加强,反应产物填充了黄土的孔隙,使得土体结构更加密实。
2)在对掺入质量分数为20%的煤矸石的最优试件进行冻融循环试验中,随着冻融循环次数的增大,最优试件的无侧限抗压强度逐渐减小,冻融循环次数为11时的无侧限抗压强度、抗剪强度、黏聚力损失率分别为26.9%、 7.4%、 18.6%,而未改良黄土的无侧限抗压强度、 抗剪强度、 黏聚力损失率分别为35.8%、 9.6%、 24.3%,冻融循环对内摩擦角的影响较小,煤矸石改良黄土的抗冻融性能较好。
3)煤矸石活性较低,改良后的黄土强度虽然提升较慢,但能明显改善黄土的湿陷性和抗冻融性能,因此,煤矸石改良黄土适合作为季节性冻土区黄土的地基材料。
利益冲突声明(Conflict of Interests)
所有作者声明不存在利益冲突。
All authors disclose no relevant conflict of interests.
作者贡献(Author’s Contributions)
孙萌萌、 武立波、 刘惠阳和杨嘉伟进行了方案设计,孙萌萌和武立波参与了论文的写作和修改,杨秋宁和李宏波对试验过程给予帮助。所有作者均阅读并同意了最终稿件的提交。
The study was designed by SUN Mengmeng、 WU Libo、 LIU Huiyang and YANG Jiawei. The manuscript was written and revised by SUN Mengmeng and WU Libo. The experiment was helped by YANG Qiuning and LI Hongbo. All authors have read the last version of paper and consented for submission.
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