煤矸石改性膨胀土胀缩行为的孔隙特征分析

张 雁,陈向前，殷潇潇,2

(1.内蒙古农业大学能源与交通工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.城发投资集团有限公司，山东 青岛 266555)

膨胀土具有显著的吸水膨胀、失水收缩并在外界干湿交替的环境中反复胀缩变形等特性，可使膨胀土路基边坡失稳、沉陷，农田水利设施损坏，水土流失加重，影响农业生态环境，从而引发严重的安全事故和巨大的经济损失[1-2]。为了确保膨胀土路基的稳定性，国内外学者对膨胀土路基病害机理及防治措施进行了大量研究。如魏星等[3]研究了击实膨胀土在干湿循环条件下产生胀缩变形的规律；Cokca等[4]研究发现，掺加粒化高炉矿渣和水泥粒化高炉矿渣可降低膨胀土的膨胀性；Nalbantoglu等[5]研究发现，掺加橄榄树余渣可降低膨胀土的黏性，并能增加膨胀土的无侧限抗压强度；Rao等[6]研究发现，利用水泥稳定粉煤灰作为垫层材料可抑制膨胀土的胀缩性；刘宇翼等[7]对掺加塑料颗粒改性膨胀土的胀缩性进行了研究，发现塑料颗粒对膨胀土的膨胀性具有显著的改良作用；孙树林等[8-10]研究发现，在膨胀土中掺入粗颗粒碱渣、高炉矿渣、废旧橡胶颗粒，可提高膨胀土的强度，降低其膨胀性；杨俊等[11]对风化砂改良膨胀土的回弹模量进行了研究，发现掺砂比例和初始干密度均对改良膨胀土的回弹模量有显著的影响；Estabragh等[12]利用石灰、水泥、粉煤灰改良膨胀土，研究了膨胀土在干湿循环作用下的胀缩行为；刘晓义等[13]研究发现，石灰可有效地改良膨胀土的工程性质；Guney等[14]研究了经石灰处理的黏性土在经历多次干湿循环作用下的胀缩行为。已有研究表明，膨胀土的强度变形、胀缩衰减等工程特征在很大程度上取决于其微观特征[15]。如徐丹等[16]研究了干湿循环作用对非饱和膨胀土抗剪强度的影响，发现干湿循环作用可使膨胀土的脆性明显增加，其抗剪强度的变化与其微观结构和裂隙发育有关；曾召田等[17]研究了膨胀土在干湿循环作用过程中的孔隙结构，发现随着干湿循环次数的增加，膨胀土的孔隙率、总孔体积等均有所增加；王顺等[18]采用离子土壤强化剂对膨胀土进行改性,发现离子土壤强化剂可以有效地改善膨胀土的微结构。还有学者[19-22]采用压汞试验对膨胀土孔隙微观结构在脱湿、冻融等条件下的变化特征进行了研究。如Stoltz等[23]对干燥收缩状态下石灰改良膨胀土的微观孔隙构造进行了压汞试验研究；Pedarla等[24]利用压汞试验检测了膨胀土的微观孔隙分布；刘通等[25]研究了煤矸石粉改良膨胀土的收缩性及其失水收缩前后孔隙结构的变化规律，发现煤矸石粉可以降低膨胀土的收缩性，并能减小膨胀土的收缩空间。

综上所述，目前从宏观和微观层面对改良膨胀土的研究较多，利用石灰作为膨胀土改性剂的研究较多，而利用煤矸石粉等废弃物作为改良剂的相关研究较少。有研究表明，在煤矸石中掺加黏性土或者用黏性土覆盖煤矸石堆可控制煤矸石中重金属的溶出量，减少煤矸石对环境的污染[26-31]。本文在综合前人对膨胀土改性和孔隙特征等方面研究的基础上，结合当前气候骤变的特点，模拟极端剧烈干湿循环条件下煤矸石粉的掺入对膨胀土胀缩性的影响，利用固结仪对煤矸石改性膨胀土试样进行干湿循环试验，检测试样随干湿循环次数的增加其轴向膨胀变形、收缩变形和含水率的变化，探讨煤矸石固化膨胀土的影响因素，并通过压汞仪测定脱湿状态下试样的孔隙分布特征，从细观孔隙体积变化揭示宏观胀缩变形机理，对掺入煤矸石解决膨胀土的工程问题和合理利用煤矸石减少环境污染具有重要的工程实用及理论指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

(1) 膨胀土：试验所用膨胀土样取自国道208线集宁至白音查干段K301处，取样深度为地表以下2 m，该膨胀土试样呈深棕色，碎粒状，混有钙质结核，有滑腻感；经风干碾碎，过0.5 mm筛。按照《公路土工试验规程》中的方法，对膨胀土试样分别进行自由膨胀率试验、液限和塑限联合测定、击实试验，测得膨胀土试样的基本物理力学指标见表1，并通过颗粒分析试验得到的土颗粒组成分析结果，见图1。

表1 膨胀土试样的基本物理力学指标

图1 膨胀土试样的土颗粒组成分析结果Fig.1 Analysis results of soil particle composition of expansive soil samples

由表1和图1可见，该膨胀土试样属于弱膨胀土，不均匀系数Cu=2.5<5，为匀粒土，颗粒级配不良。

(2) 煤矸石：试验所用煤矸石样取自乌海市神五煤矿公乌素煤矿4号采区，该煤矸石试样较坚硬，呈固体片状，表面油脂光泽，属于炭质页岩，其基本化学成分[32]和物理指标，见表2和表3。

表2 煤矸石试样的基本化学成分含量(%)

表3 煤矸石试样的基本物理指标

由表2和表3可知，该煤矸石试样中SiO2、Al2O3的含量占主要部分；煤矸石试样的吸水率较小，其压碎值小于30%，满足公路路基设计规范的要求。

1.2 试验方法

将取回的膨胀土和煤矸石试样碾碎过2 mm筛，在膨胀土试样中分别掺加0%、4%、8%、12%的煤矸石，按照最佳含水率22.00%拌合形成混合料，平行制作26个直径61.8 mm、高20 mm的试件。

(1) 干湿循环试验：将试件置于GDG-4S型三联高压固结仪中，施加垂直压力为20 kPa，采用先干燥然后浸水的方法，即先使试件在25 ℃环境中干燥失水，然后在试验水槽内加水浸泡，记录试样24 h的浸水膨胀和失水收缩的轴向变形，待试样变形稳定后，将固结仪中的水排出，至此试样经历第一次干湿循环，参照文献[17]做6次干湿循环试验。

(2) 压汞试验：采用美国麦克公司生产的Auto Pore IV 9500型全自动压汞仪对试件进行压汞试验，压汞仪的粒径测量范围为0.005～360 μm。取试件在中间部位切出5 mm×5 mm×15 mm的长方体压汞试样，对压汞试样进行冷冻干燥处理，测定试样的孔隙密度和孔隙体积。

2 结果与分析

2.1 掺入煤矸石膨胀土试样的含水率随干湿循环次数的变化

膨胀土试样的初始含水率设定为22.00%，按照先干燥后浸水的干湿循环进行试验，掺入煤矸石膨胀土试样的含水率随干湿循环次数的变化，见表4。

表4 掺入煤矸石膨胀土试样的含水率随干湿循环次数的变化

由表4可知：与未掺入煤矸石的膨胀土试样相比，掺入4%、8%、12%煤矸石的膨胀土试样的干燥含水率增大，增湿含水率降低；经过第1次干湿循环作用后，膨胀土试样的含水率变化剧烈，之后几个干湿循环作用后，膨胀土试样的含水率变化较小；第1次干湿循环作用后0%煤矸石掺量的膨胀土试样的干燥含水率和增湿含水率从22.00%分别降到3.27%和20.8%，8%煤矸石掺量的膨胀土试样对应的含水率分别降到6.61%和18.20%；第1～6次干湿循环作用后，8%煤矸石掺量的膨胀土试样相比4%和12%煤矸石掺量的膨胀土试样含水率的变化幅度小，表明掺入煤矸石粉的膨胀土试样的吸水能力受到制约，尤其是煤矸石掺量为8%的膨胀土试样更为明显。

2.2 掺入煤矸石膨胀土试样的轴向应变随干湿循环次数的变化

试样先干燥然后浸水的过程中，掺入煤矸石膨胀土试样浸水膨胀和失水收缩的轴向变形随干湿循环次数的变化，见表5。

表5 掺入煤矸石膨胀土试样的轴向变形随干湿循环次数的变化

由表5可知：随着干湿循环次数的增加，膨胀土试样的轴向变形是不可逆的且逐渐减小，第1次干湿循环作用后其轴向变形较大，第2次干湿循环作用后其轴向变形逐渐趋于平缓；与未掺入煤矸石的膨胀土试样相比，掺入煤矸石膨胀土试样失水收缩的轴向变形增大，浸水膨胀的轴向变形降低；第1～6次干湿循环作用后，8%煤矸石掺量的膨胀土试样较其他煤矸石掺量的膨胀土试样的轴向变形小，表明掺入煤矸石粉可较明显地约束膨胀土的轴向变形，尤其是煤矸石掺量为8%的膨胀土试样更为明显。

2.3 掺入煤矸石膨胀土试样的膨胀率随干湿循环次数的变化

掺入煤矸石膨胀土试样的膨胀率(δ)随干湿循环次数的变化，见图2。

图2 掺入煤矸石膨胀土试样的膨胀率随干湿循环次数的 变化Fig.2 Variation of the expansion rate of expansive soil samples mixed with coal gangue with the number of dry-wet cycles

由图2可见：掺加不同比例煤矸石的膨胀土试样的膨胀率随干湿循环次数的变化规律基本一致；各煤矸石掺量下膨胀土试样在第1次干湿循环作用后其膨胀率达到最大值，第2次和第3次干湿循环作用后其膨胀率较第1次有所减小，第3次干湿循环作用后其膨胀率变化平缓；煤矸石的掺入降低了膨胀土试样的膨胀率，以煤矸石掺量为8%膨胀土计算，3次干湿循环作用后，掺加煤矸石膨胀土试样的膨胀率比素膨胀土试样(即未掺加煤矸石的膨胀土试样)的膨胀率分别降低了约14%和30%。

2.4 掺入煤矸石膨胀土试样的收缩率随干湿循环次数的变化

掺入煤矸石膨胀土试样的收缩率(λ)随干湿循环次数的变化，见图3。

图3 掺入煤矸石膨胀土试样的收缩率随干湿循环次数的 变化Fig.3 Variation of the shrinkage rate of expansive soil samples mixed with coal gangue with the number of dry-wet cycles

由图3可见：掺加不同比例煤矸石的膨胀土试样的收缩率随干湿循环次数的变化规律基本一致；各煤矸石掺量下膨胀土试样的收缩率在第1次干湿循环作用后达到最大值，此后逐渐降低，到第3次干湿循环作用后变化较为平缓；掺加8%煤矸石膨胀土试样的收缩率比未掺加煤矸石膨胀土样的收缩率分别降低了约26%和43%。

综上所述，在干湿循环作用下，经过第1次干湿循环作用后的膨胀土试样的含水率、轴向变形、膨胀率、收缩率的变化剧烈，第3次干湿循环作用后其变化较为平缓；煤矸石的掺入均能抑制膨胀土试样的膨胀率和收缩率，不同煤矸石掺量的膨胀土试样的膨胀率比素膨胀土试样的膨胀率和收缩率都有较显著的降低；煤矸石掺量为8%的膨胀土试样的轴向变形、膨胀率和收缩率的变化较其他煤矸石掺量的膨胀土试样小，因此煤矸石的最佳掺量为8%。

2.5 掺入煤矸石膨胀土试样的孔隙特征分析

根据上述试验结果，选取前3次干湿循环、8%煤矸石掺量的膨胀土试样进行孔隙密度和孔隙体积检测。根据Shear等[33]的孔径划分理论，可将膨胀土的微观结构孔径划分为如表6所示的五类，用以分析胀缩变形对膨胀土试样的内部孔隙特征的影响。

表6 膨胀土内部孔隙类型划分

2.5.1 孔隙密度

对素膨胀土和8%煤矸石掺量的膨胀土试样进行压汞试验，得到试样的累计孔隙密度变化曲线，见图4。

图4 膨胀土试样的累计孔隙密度变化曲线Fig.4 Variation curves of cumulative pore density of expansive soil samples mixed with coal gangue

由图4可见：素膨胀土试样的孔隙密度随着干湿循环次数的增加，在超微孔范围内集中，逐渐经过微孔及小孔过渡，在中孔及大孔区域再次集中[见图4(a)]；相比于0次干湿循环时，8%煤矸石掺量的膨胀土试样经干湿循环作用后其孔隙密度在大孔范围内集中分布情况更为严重，表明受到干湿循环作用后，膨胀土试样发生了膨胀，导致孔隙直径增大从而加剧了其在大孔范围的集中分布。

2.5.2 孔隙体积

对素膨胀土和8%煤矸石掺量的膨胀土试样进行压泵试验，得到试样的累计孔隙体积变化曲线，见图5。

图5 掺煤矸石膨胀土样的累计孔隙体积曲线Fig.5 Accumulated pore volume curves of expansive soil samples mixed with coal gangue

由图5可见:随着干湿循环作用次数的增加其累计孔隙体积逐渐增大；在同一干湿循环作用次数下煤矸石的掺入使膨胀土试样的孔隙体积减小，这是因为干湿循环对膨胀土孔隙体积的增长有促进作用，但是煤矸石的掺入可限制膨胀土孔隙体积的扩张，尤其对微、小、中孔的生成有较为明显的抑制作用。

2.6 分析与讨论

冷挺等[34]通过对国内外学者关于膨胀土工程地质特性的研究总结，得出黏土颗粒与水相互作用时，黏土矿物颗粒表面带负电，水分子在电场力作用下会吸附在黏土矿物颗粒周围并形成一层水膜，而水膜的厚度受黏土矿物成分和微观结构等因素的影响，干湿循环作用下水膜厚度也会发生改变，黏土颗粒间的黏结力会随之变化。煤矸石粉的掺入使膨胀土试样中的粗颗粒含量增大，改变了膨胀土的颗粒组成，其最佳含水率增大而最大干密度减小，使膨胀土的胀缩性得到抑制。

脱湿初期，土样中大量自由水排出导致其含水率快速减小；脱湿中期，土样中少量自由水和弱结合水排出使其含水率继续减少；脱湿后期，土粒表面主要包裹少量弱结合水和强结合水，由于土粒对结合水的吸附作用较强，导致水的排出困难，所以其含水率的变化较小，对应的收缩率减小缓慢，孔隙变化减少。增湿过程中土样短时间内大量吸水，引起其含水率快速增加，水的嵌入破坏了土样内部颗粒间连接，增大了土粒间的孔隙，引起其孔隙体积增加，随着土样的吸水量越来越少，水的嵌入越来越弱，其增湿含水率的变化越来越小，其膨胀率和孔隙体积随之减小，这一结论与文献[35]的结果一致。

通过对素膨胀土和8%煤矸石掺量的膨胀土试样的孔隙密度和孔隙体积进行对比分析后发现，试样的孔隙类型以超微孔为主，随着干湿循环作用次数的增加，试样的孔隙类型进行重分布，并逐渐向小孔、中孔和大孔集中；掺入煤矸石的膨胀土试样的超微孔密度比素膨胀土试样的小；试样的孔隙体积随着干湿循环作用次数的增加而增加，掺入煤矸石的膨胀土试样，各类孔的孔隙体积较素膨胀土试样小。可见，掺入煤矸石后膨胀土试样在干湿循环作用下，由于试样内部的孔隙类型进行了重新分布，其孔隙密度和孔隙体积受到制约，因此膨胀土的胀缩性得到了抑制。

3 结 论

在干湿循环条件下，通过对影响膨胀土胀缩性的因素及其微观孔隙特征的分析，得出如下结论：

(1) 干湿循环作用下膨胀土样的胀缩性能与土样的含水率有关，含水率大小的变化反映膨胀土样的吸水能力；掺入煤矸石对膨胀土的吸水含水率和干燥含水率有所控制，减弱了膨胀土的吸水能力。经过6次干湿循环作用，膨胀土试样吸水膨胀后的含水率随干湿循环次数的增加而降低，干燥收缩后的含水率随干湿循环次数的增加而增加；掺入煤矸石的膨胀土试样的轴向应变随干湿循环次数的增加逐渐减小，其变化规律与含水率一致。

(2) 在干湿循环作用下，膨胀土试样内部的孔隙类型进行了重新分布，其孔隙密度和孔隙体积降低，因此膨胀土的胀缩性受到了抑制。膨胀土试样的膨胀率和收缩率在第1次干湿循环作用中达到最大值，此后逐渐趋于稳定；煤矸石的掺入降低了膨胀土的膨胀率和收缩率,掺入8%的煤矸石可有效抑制膨胀土的胀缩率。

本研究成果可为解释煤矸石改性膨胀土的胀缩性机理和工程应用提供支撑。