煤矸石粉掺量对花岗岩残积土的抗压性能研究

俞旺新，张恩

(1.中山大学 地球科学与地质工程学院， 广东 广州 510275；2.广东地质过程与矿产资源勘查重点实验室， 广东 广州 510275)

0 引言

花岗岩残积土的分布范围广，其主要特征之一为表层厚度大[1-2]，不同地区花岗岩残积土的工程特性差异较大[3]，具有一定的区域性[4]，花岗岩残积土天然状态下具有较好的力学特性，不过在遇水后容易出现崩解、软化相关的变化，且表现出易扰动、扰动后结构性较差等特点[5-7]。因此花岗岩残积土工程特性较差，为提高其工程特性，可采用水泥、土壤固化剂、石灰等材料来改善。

煤矸石属于一种常见的固体废弃物，在煤矿开采中会大量出现，化学成分主要为SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3等氧化物以及微量的稀有金属元素。其含有很多Ca2 +、Al3 +、Mg2 +等高价离子，化学成分与石灰相似，具有一定的活性。因此可以参考石灰改良不良土体的机理[8-11]，将磨细煤矸石粉作为一种外加剂按不同的掺量掺到不良土体中，以期达到改善不良土体的效果[12],提高花岗岩残积土的抗压强度[13-16]。

在工程领域，煤矸石粉在花岗岩残积土改良方面应用较少。本文以煤矸石粉为掺合料代替传统的水泥、石灰等进行花岗岩残积土的改良试验，研究不同煤矸石粉掺入量与不同龄期下的花岗岩残积土无侧限抗压强度，探讨煤矸石粉掺量与养护龄期对花岗岩残积土的影响，以期促进煤矸石粉的工程实际应用[17]。

1 试样采集与试验方案

1.1 试验材料

试验用土选取中山地区坦洲快速公路施工试验段的花岗岩残积土，样品为棕黄色，稍湿，有一定塑性，有砂感。按照《土工试验方法标准》 (GB/T 50123—1999)[18]进行了天然含水率、天然密度、孔隙比、液塑限以及压缩等试验， 土料的主要物理参数见表1所示。

表1 花岗岩残积土基本参数

试验用煤矸石粉为某掺和料厂提供过筛300目的磨细煤矸石粉。

1.2 试验方案

为了能定量研究煤矸石粉改良花岗岩残积土的抗压强度特性，对不同煤矸石粉掺量的花岗岩残积土试样进行了无侧限抗压试验。在试验过程中改变龄期和煤矸石粉掺量等参数，而开展平行试验，煤矸石粉掺入比分为9 %、12 %、15 %、18 %，养护龄期为14、21、28、35 d。

1.3 试验方法

取花岗岩残积土样置于烘箱连续烘干时间超过8 h，碾碎、过5 mm筛。进行制样过程中应用了击样法，进行5层击实，各层样品量保持一致，基于相应的掺入比，控制含水率为20 %，制备的样品高100 mm，直径50 mm，试样质量控制在400 g左右。试样做好后马上用保鲜膜与锡纸包裏覆盖，然后放入到标准养护室进行养护。

选择万能试验机测试样品的性能，在实验过程中设置升降板速率为2.0 mm/min，八分钟内结束实验。

2 试验结果与分析

为了研究煤矸石粉掺量对花岗岩残积土无侧限抗压强度的影响，分别对煤矸石粉掺量为9 %、12 %、15 %和18 %的花岗岩残积土进行无侧限抗压强度试验，取其抗压强度峰值为无侧限抗压强度，试验结果如表2所示。

表2 不同掺入量、养护天数条件下无侧限抗压峰值强度数据

2.1 应力应变曲线

不同掺量、养护天数条件下花岗岩残积土应力应变曲线如图1所示，试样由于在轴向应力的加载下，除开始时有少量体积压缩外，发生明显的体胀，土体颗粒相互位置发生变化，土体偏差应力增加而引起轴向应变的增加，使土体颗粒间间隙缩小或增加，应力应变曲线呈应变弱化型。14 d龄期时，9 %、12 %与18 %掺量条件下，对应的抗压强度差异不明显，与15 %掺量残积土应力应变曲线间隔较大；21 d龄期时，9 %与18 %掺量残积土应力应变曲线几乎重合，两者强度接近，而与12 %、18 %的相差较大；28 d龄期时，应变前期18 %掺量残积土强度增长较快，其次为9 %掺量残积土，其它两者较接近，四者应力应变曲线间隔较大；35 d龄期时，前期9 %掺量残积土增长最快，15 %掺量残积土后期增长强劲。

(a) 不同煤矸石粉掺量的花岗岩残积土14 d应力应变曲线

(b) 不同煤矸石粉掺量的花岗岩残积土21 d应力应变曲线

(c) 不同煤矸石粉掺量的花岗岩残积土28 d应力应变曲线

(d) 不同煤矸石粉掺量的花岗岩残积土35 d应力应变曲线

图1 不同掺入量、养护天数条件下花岗岩残积土应力应变曲线

Fig.1 Stress and strain curves of granite residual soil under different mixing and curing days

同掺入量、养护天数条件下花岗岩残积土应力应变关系拟合曲线如图2所示，花岗岩残积土在含水率与干密度相同的条件下，随着养护天数的增加不同煤矸石粉掺量的花岗岩残积土无侧限抗压强度随着应变的增加先增加后减小，无侧限抗压强度与这两个参数关系接近二次函数式。

表3具体显示了无侧限抗压强度和二者的相关性拟合关系式，其中x为应变，Wu1为无侧限抗压强度。

(a) 养护天数14 d应力应变关系曲线

(b) 养护天数21 d应力应变关系曲线

(c) 养护天数28 d应力应变关系曲线

(d) 养护天数35 d应力应变关系曲线

图2 不同掺入量、养护天数条件下花岗岩残积土应力应变关系拟合曲线

Fig.2 Fitting curve of stress-strain relationship of granite residual soil under the conditions of blending amount and curing days

表3 应力应变拟合参数取值

具体分析上表结果可知，上述的各拟合方程的相关系数R2都高于0.97，相关性强，取得较高的拟合结果。

2.2 煤矸石粉掺量的影响

图3显示了煤矸石粉掺量与此抗压强度相关性结果，分析此图可知，在保持含水率与初始干密度不变情况下，煤矸石粉掺量从9 %增加到12 %时，不同养护时间的无侧限抗压强度同比降低了1.6 %、10 %，18.2 %，13.8 %；掺量从12 %增加到15 %时，养护时间为35 d的无侧限抗压强度最先开始增长，同比增长了14.6 %，其它不同养护时间的无侧限抗压强度则同比降低了8.1 %，14.3 %，11.2 %；掺量从15 %增加到18 %时，同养护时间的无侧限抗压强度同比增长了11 %，28.7 %，25.9 %，16.6 %。由此可见，煤矸石粉最优掺量为18 %，其次为9 %。花岗岩残积土中含有的胶状Al2O3与SiO2与煤矸石粉中含有的CaO反应生成铝酸钙与硅酸钙等水合物，这些水合物除了为试样中的土体颗粒提供粘结力提高土体强度外，还生成一层保护膜在土体颗粒周围降低花岗岩残积土的亲水性。煤矸石粉含有数量较多的Ca2+、Mg2+、Al3+等高价阳离子与土体颗粒中的Li+、K+、Na+等低价阳离子发生交换作用，使土体颗粒的双电子层变薄，降低了花岗岩残积土中的亲水性，土体颗粒间起到凝聚作用，提高了花岩残积土的抗剪强度。无侧限抗压强度随着煤矸石粉掺量的增加先减小后增大，与煤矸石粉掺量近似呈二次多项式关系，通过二次多项式拟合得到其关系如图4所示。煤矸石粉掺量与无侧限抗压强度的关系式如下：

Wu2=a1m2+b1m+c1，

(1)

式中，Wu2为无侧限抗压强度；m为煤矸石粉掺入量；a2、b1、c1为试验参数。

式(1)中煤矸石粉掺入量与无侧限抗压强度拟合参数取值如表4所示。

图3 煤矸石掺入量与无侧限抗压强度关系曲线

Fig.3 Relationship between coal gangue incorporation and unconfined compressive strength

图4 煤矸石掺入量与无侧限抗压强度关系拟合曲线

Fig.4 Fitting curve of coal gangue incorporation and unconfined compressive strength

表4 不同掺入量条件下无侧限抗压强度拟合参数取值

从表4中可以看出当煤矸石粉掺入量为9 %时，煤矸石粉掺入量与无侧限抗压强度拟合表达式的相关系数较低，拟合效果较差，呈非线性相关；煤矸石粉掺入量为12 %时，拟合表达式的相关性为显著相关。煤矸石粉掺入量为15 %、18 %时，两者的相关性系数都高于0.93，可满足拟合要求。

2.3 养护天数的影响

图5显示了养护天数与无侧限抗压强度的相关性，在其他两个参数固定条件下，提高龄期，也就是养护天数由14 d提高到21 d，除煤矸石粉掺量为15 %的残积土无侧限抗压强度同比降低了6 %，其它分别同比增长了10.2 %、0.7 %、9 %；养护天数由21 d到28 d，不同煤矸石粉掺量的残积土无侧限抗压强度同比增长了10.8 %、0.8 %、4.4 %、2.1 %；养护天数由28 d到35 d，煤矸石粉掺量为9 %、12 %的残积土无侧限抗压强度分别同比降低了9.2 %、4.3 %，掺量为15 %、18 %的残积土无侧限抗压强度分别同比增长了23.5 %、14.3 %。随着养护天数的增加，掺量为9 %、12 %的残积土无侧限抗压强度先增大后减小，掺量为15 %的残积土无侧限抗压强度先减小后增大，掺量为18 %的残积土无侧限抗压强度逐渐增强。随着养护天数的增加，煤矸石粉与花岗岩残积土中土体颗粒间发生阳离子交换、凝聚作用、灰结作用以及胶结作用。这些反应的时间一般比较长，所以随着养护天数的增加，土体的抗压强度普遍越大。无侧限抗压强度与养护天数近似呈二次多项式关系，进行拟合确定出二者的相关性曲线图如图6，而数学分析确定出二者的相关性表达式为：

Wu3=a2t2+b2t+c2，

(2)

式中，Wu3为无侧限抗压强度；t为养护天数；a2、b2、c2为试验参数。

式(2)中养护天数与无侧限抗压强度拟合参数取值如表5所示。

图5 养护天数与无侧限抗压强度关系曲线

Fig.5 Relationship between curing days and unconfined compressive strength

图6 养护天数与无侧限抗压强度关系拟合曲线

Fig.6 Fitting curve of relationship between curing days and unconfined compressive strength

表5 不同养护天数条件下无侧限抗压强度拟合参数取值

从表5中可以看出：不同养护天数条件下无侧限抗压强度拟合表达式的相关系数均大于0.87，为显著性相关，各参数拟合效果较好。

综合考虑，养护龄期为35d且掺入比为18 %条件下，样品的无侧限抗压强度达到峰值，不过从经济角度分析，掺入比为9 %条件下经济性能最优，建议煤矸石粉改良花岗岩残积土最优掺量为9 %，养护龄期与煤矸石粉掺量对无侧限抗压强度的影响具体如下图7，进行统计分析而确定出如下拟合方程[19]。

Wu=-0.591 11m2+0.091 15t2+0.091 15mt+13.716 66m-1.971 9t+15.238 71，

(3)

式中，Wu为无侧限抗压强度；m为煤矸石粉掺入量，t为养护天数；相关系数R2=-0.896 1。

从图7中可以看出养护龄期与煤矸石粉掺量对无侧限抗压强度与拟合曲面方程呈负相关，无侧限抗压强度随养护龄期与煤矸石粉掺量的增大先减小后增大，与上述规律一致。

图7 掺入量、养护天数和无侧限抗压强度关系

3 结论

本文通过对不同煤矸石粉掺量和养护天数的花岗岩残积土改良试样进行无侧限抗压试验和相关性分析，得出以下结论：

① 不同煤矸石粉掺量与养护天数的花岗岩残积土在试验过程中土体结构破坏，发生明显的体胀，应力应变曲线呈应变弱化型。

② 各煤矸石粉掺入量、养护天数条件下花岗岩残积土应力应变之间呈二次多项式关系，无侧限抗压强度与养护天数近似呈二次多项式关系。

③ 随着养护天数的增加，煤矸石粉含有的活性因子与花岗岩残积土中土体颗粒间发生阳离子交换、凝聚、灰结以及胶结等作用，土体的抗压强度普遍越大。

④ 煤矸石粉掺量与养护天数的无侧限抗压强度呈曲面相关。建议煤矸石粉改良路填花岗岩残积土最优掺量为9 %，最优养护龄期为28 d。