纳米SiO2和聚丙烯纤维对煤矸石二灰混合料改性试验研究

储安健，李英明，黄顺杰，陈莞尔

(1.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，淮南 232001； 2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，淮南 232001； 3.安徽理工大学矿业工程学院，淮南 232001；4.安徽理工大学安全科学与工程学院，淮南 232001)

0 引 言

煤矸石是采煤、洗煤过程中排放的固体废弃物，全国现有煤矸石堆积量超过40亿t[1]。用煤矸石代替碎石制备煤矸石二灰混合料应用于路面基层，对节约土地资源及保护环境具有重要的现实意义[2]。路面在使用初期，基层易受大气降水和地下渗水作用，煤矸石二灰结构层易暴露出水稳定性不良、容易产生反射裂缝等问题，从而大大降低了道路的使用寿命。因此，未进行处理的煤矸石二灰混合料并不能完全满足建设工程的要求，因此在利用煤矸石二灰混合料之前要提前进行加固处理。近年来，研究者[3-4]对纳米SiO2应用于土类和混凝土材料的可实施性与发生机制进行了大量研究；肖继强[5]研究了将不同种类、不同掺量的纳米粒子单掺或复掺对水泥的改性效果及微观作用机理；赵冬雪[6]研究了冻融循环次数对素土、纳米二氧化硅改良土的抗剪强度影响及破坏形态。聚丙烯纤维具有质轻、强度高、弹性好等特点，近年来纤维作为加筋材料的研究较为广泛。吴正光等[7]提出在二灰碎石中掺加聚丙烯纤维可以改善其物理力学性能；璩继立等[8]总结了聚乙烯纤维对黏土相关性能的影响规律；李永靖等[9]发现在水泥粉煤灰稳定煤矸石混合料中掺加聚丙烯纤维可以明显改善其路用性能。

目前，关于同时掺加纳米SiO2和聚丙烯纤维对煤矸石二灰混合料力学性能和水稳定性能影响的研究鲜有报道。本文可为该新型基层材料在实际工程中的应用和推广提供参考依据。

1 实 验

1.1 原材料

试验所用煤矸石取自淮南矿区矸石山，取回后进行破碎处理，达到级配要求后进行应用，煤矸石级配如表1所示；石灰为江西新余惠灰有限公司生产的Ⅱ级钙质消石灰，含钙(95±3)%(质量分数)；粉煤灰是郑州恒源新材料有限公司的湿排灰，各项物理化学性质指标如表2所示；聚丙烯纤维来自江西某公司，主要技术参数如表3所示，外观如图1所示；纳米SiO2来自无锡泰鹏金属材料有限公司，规格指标如表4所示，外观如图2所示。

表1 煤矸石级配Table 1 Coal gangue grading

表2 粉煤灰物理化学性质Table 2 Physical and chemical properties of fly ash

表3 聚丙烯纤维主要技术参数Table 3 Main technical parameters of polypropylene fiber

表4 纳米SiO2规格指标Table 4 Nano-SiO2 specifications

1.2 试验方案

试验采用的石灰、粉煤灰、煤矸石质量比为9 ∶14 ∶77[10-12]，压实度取95%，通过击实试验测得混合料最大干密度为1.907 g/cm3，最佳含水率是8.75%。单掺纳米SiO2时按照1.5%、2.5%、3.5%的比例等质量(下同)取代石灰，复掺时聚丙烯纤维按照0.10%、0.15%、0.20%(体积分数，下同)掺入混合料；复掺时保持纳米SiO2掺量为2.5%，聚丙烯纤维按0.10%、0.15%、0.20%掺入进行试验对比。7组配合比以Nx-Jy表示，其中：Nx代表纳米SiO2及其含量，Jy代表聚丙烯纤维及其含量。例如N2.5-J0.10的含义是2.5%的纳米SiO2等量替代石灰，聚丙烯纤维掺量为0.10%，具体试验编号及其配合比见表5。

图1 聚丙烯纤维Fig.1 Polypropylene fiber

图2 纳米SiO2Fig.2 Nano-SiO2

表5 混合料配合比Table 5 Mixture ratio

对单掺和复掺纳米SiO2与聚丙烯纤维的煤矸石二灰混合料进行相关室内试验，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)制取φ150 mm×150 mm的圆柱形试件，图3为试件制备、成型流程图。在达到规定龄期后，进行无侧限抗压强度试验、劈裂试验、干湿循环试验。试验仪器采用武汉岩土力学研究所生产的岩石力学试验机、立辰科技有限公司制造的101-3BS型电热干燥箱、AE21C声发射监测仪。根据试验结果分析纳米SiO2和聚丙烯纤维对煤矸石二灰材料性能的影响，具体试验内容和试件数量如表6所示。

图3 试件制备、成型流程图Fig.3 Sample preparation and forming flow chart

表6 试验方案表Table 6 Test schedule

2 结果与讨论

2.1 强度试验结果与分析

图4、图5分别为纳米SiO2掺量、聚丙烯纤维掺量对养护7 d、28 d试件的抗压与劈裂强度影响。图4(a)、(b)分别给出了煤矸石二灰混合料的抗压强度和劈裂强度随纳米SiO2掺量增加的变化规律。从图4(a)可以看出：与未掺加纳米颗粒的煤矸石二灰混合料相比，掺加纳米颗粒的煤矸石二灰混合料的抗压强度有所增大，且随着纳米颗粒掺量增加呈现先增大后减小的趋势；当纳米颗粒掺量为2.5%时，28 d抗压强度达到最大值2.77 MPa，相较未改性混合料抗压强度提升了14.5%。纳米SiO2能够提高煤矸石二灰试件的抗压强度主要有两个原因：一是纳米SiO2会与Ca(OH)2反应，生成C-S-H凝胶，提高了混合料的强度和密实度；另一方面，纳米SiO2能够填充混合料内的微小缝隙，使混合料内部缺陷减少，混合料整体的密实度进一步得到了提高。随着纳米SiO2掺量由2.5%继续增加至3.5%时，28 d抗压强度逐渐降低至2.53 MPa，降低了0.24 MPa。这是因为过量的纳米SiO2会消耗大量的水，在没有充足水分条件下，煤矸石、粉煤灰等成分无法充分反应，导致强度下降[13]。由图4(b)可知，在7 d、28 d时，劈裂强度整体呈现先增大后减小再增大趋势，分别在0.14 MPa、0.31 MPa上下浮动，但增减幅度非常小。总体来看，纳米SiO2的掺入对煤矸石二灰混合料的劈裂强度影响较小。

图4 纳米SiO2掺量对煤矸石二灰混合料强度的影响Fig.4 Influence of nano-SiO2 content on the strength of coal gangue lime-fly ash mixture content

图5 聚丙烯纤维掺量对掺2.5%纳米SiO2煤矸石二灰混合料的强度影响Fig.5 Influence of polypropylene fiber content on the strength of coal gangue lime-fly ash mixture with 2.5% nano-SiO2

聚丙烯纤维掺量变化对掺2.5%纳米SiO2煤矸石二灰混合料抗压强度的影响如图5(a)所示。由图5(a)可以看出，纳米煤矸石二灰混合料的抗压强度随着聚丙烯纤维掺量增加呈现先增加后降低的趋势。当聚丙烯纤维掺量从0%增长到0.15%时，7 d、28 d抗压强度分别从0.96 MPa、2.42 MPa增长到1.19 MPa、2.81 MPa，相对增长了24.0%、16.1%。当聚丙烯纤维掺量为0.15%时，强度的提升效果最优。这是因为聚丙烯纤维在水中进行预分散后加入混合料中充分拌和，拌和后聚丙烯纤维在混合料中分布均匀，可以使试件内部应力薄弱点减少，从而进一步提升试件强度。但聚丙烯纤维掺量为0.20%时，试件强度下降幅度较大，可见抗压强度与聚丙烯纤维掺量并不成正比关系，主要是聚丙烯纤维掺入过多后，容易形成小束状或团状分散，多余的筋材只会阻隔煤矸石集料颗粒，破坏试件内部整体性，导致强度降低。

图6 N0-J0和N2.5-J0.15破坏形式对比图Fig.6 Comparison diagram of failure modes of N0-J0 and N2.5-J0.15

在纳米煤矸石二灰混合料基层中掺入不同比例的聚丙烯纤维，7 d、28 d龄期时的劈裂强度的变化规律见图5(b)。由图5(b)可知，聚丙烯纤维的掺入对纳米SiO2煤矸石二灰混合料的劈裂强度总体有提升趋势。随着聚丙烯纤维掺量增加，纳米SiO2煤矸石二灰混合料的劈裂强度持续上升，在7 d、28 d龄期时，最高达到0.19 MPa、0.38 MPa，分别提升35.7%、22.6%。这是因为在混合料中，每根单丝状的聚丙烯纤维以一定的角度穿插交织，形成空间约束作用，在一定程度上增大了内部颗粒之间的摩擦力，阻止了裂缝的产生与发育，从而增强了改性混合料劈裂强度[14]，且随着龄期的延长，聚丙烯纤维与基体之间的黏结愈发明显，劈裂强度增强效果越来越好。

N0-J0、N2.5-J0.15破坏形式如图6(a)、(b)所示，N0-J0试件破坏时的变形明显比N2.5-J0.15变形小，且没有其他预兆，属于明显的脆性破坏。而N2.5-J0.15未出现贯穿整个试件的裂缝，仅出现相对较短较细的裂缝，破坏后试件的整体性保持较好，也表明试件的脆性破坏得到明显改善。表7为28 d未改性试件与复掺试件峰值应力、峰值应变试验结果。由表7可知，随着聚丙烯纤维掺量增加，试件的峰值应变整体均有所增大，增幅在3.1%～6.3%之间。

表7 28 d未改性试件与复掺试件峰值应力、峰值应变试验结果Table 7 Peak stress and peak strain test results of unmodified and mixed specimens at 28 d

2.2 干湿循环试验结果与分析

为了更好地模拟煤矸石二灰混合料基层从受雨水浸泡到高温蒸发的过程，采用φ150 mm×150 mm的圆柱形试件在标准条件下养护28 d进行干湿循环试验。首先将试件放置在提前升温到70 ℃的干燥箱内烘干20 h，然后将试件浸水4 h，水面需高于试件顶面2.5 cm，完成以上两步为一次循环。以干湿循环后的试件外观、质量差、强度变化作为评价指标来评定煤矸石二灰混合料的水稳定性能。

2.2.1 聚丙烯纤维掺量对2.5%纳米煤矸石二灰混合料试件外观、质量差、强度的影响

采用表5中试验编号为N0-J0、N2.5-J0.10、N2.5-J0.15、N2.5-J0.20四组试件进行试验。图7为N2.5-J0.10经过干湿循环后的外观变化情况，图8是四组试件在不同干湿循环次数后质量差变化图。从图7、图8可知：(1)随着干湿循环次数增加，试件表面逐渐出现掉皮现象，干湿循环15次后掉皮现象开始明显。这是因为浸水过程中，试件表面的煤矸石二灰混合料长时间接触大量水分子，在进行反复多次干湿循环过程后，导致试件外表皮开始出现脱落现象。(2)四组试件在干湿循环初期，质量差均先降低后增大再降低，最后逐渐稳定，原因是试件在循环过程中内部空隙不断进出水，使得二灰混合料内部仍能发生一系列的物理化学反应，导致水稳定性增强[15]。(3)从图8中可知，N2.5-J0.10质量差明显低于其他三组试件，其次是N2.5-J0.15。虽然N2.5-J0.20与N0-J0质量差相差不大，但N2.5-J0.20整体质量差仍低于N0-J0，表明聚丙烯纤维对煤矸石二灰混合料的水稳定性能有较好的改善作用。但随着聚丙烯纤维掺量从0.10%增加到0.20%，混合料的水稳定性能开始减弱，表明并不是聚丙烯纤维掺量越高，水稳定性能越好。聚丙烯纤维最佳掺入量为0.10%，有利于保水性能的增强。

图9为四组试件经过干湿循环前后的抗压强度变化图。由图9可知：四组试件的强度在干湿循环过程中随着循环次数的增加呈上升趋势，循环10次后强度提升分别为117%、108%、112%、132%，15次后分别提升123%、113%、119%、136%。这主要是因为浸水、烘干循环过程有利于石灰激发粉煤灰潜在的火山灰活性，从而使煤矸石混合料继续发生反应，强度上升。随着循环次数增加，强度增加趋势逐渐变缓，主要原因是升高温度有利于石灰与粉煤灰在碱性环境下发生火山灰反应，随着活性二氧化硅、活性氧化铝组分反应完全，强度逐渐趋于稳定。

图7 干湿循环次数对试件外观变化的对比Fig.7 Comparison of dry-wet cycles on the appearance changes of specimens

图8 煤矸石二灰混合料不同干湿循环次数后质量差变化图Fig.8 Mass difference change diagram of coal gangue lime-fly ash mixture with different dry-wet cycles

图9 试件干湿循环后强度变化图Fig.9 Strength change diagram of specimens after dry-wet cycles

2.2.2 改性煤矸石二灰混合料应力-时间-振铃计数率曲线分析

振铃计数作为声发射信号的主要特征参数之一，被广泛用作声发射特性评价，图10(a)～(d)为四组复掺试件的应力-时间-振铃计数率曲线。

图10 试件应力-时间-振铃计数率曲线Fig.10 Stress-time-ring counting rate curves of specimens

从图10可以看出：(1)整个作用过程可以分为试件内部微裂隙逐渐被挤压和破坏的压密阶段，伴随应力缓慢增长，振铃计数也平稳上升的弹性变形阶段，以及应力峰值附近试件开始出现明显裂缝的破坏阶段[16]。(2)N0-J0在荷载不断加大情况下，密集且非常强烈的声发射信号均出现在应力峰值之前。在应力峰值之后，试件承载力迅速下降，声发射信号随之大量减少。(3)对于N2.5-J0.10、N2.5-J0.15、N2.5-J0.20，声发射信号到达时间明显晚于N0-J0。随着聚丙烯纤维掺量增加，振铃计数率呈现减小趋势。可见聚丙烯纤维的掺入既能在试件破坏前遏制裂缝的形成、发育，又能在破坏后起到桥接作用，使改性混合料继续保持承受外荷载的能力，增强了混合料的韧性[17]。

3 结 论

(1)掺加纳米SiO2对煤矸石二灰混合料劈裂强度影响较小，但对抗压强度提升显著，试验表明，掺加2.5%时改善效果最佳。

(2)与单掺纳米SiO2相比，纳米SiO2和聚丙烯纤维复掺对煤矸石二灰混合料抗压强度的提升效果更明显，随着聚丙烯纤维掺量增加，混合料劈裂强度增加。掺加2.5%纳米SiO2和0.15%的聚丙烯纤维，改善效果最佳。

(3)干湿循环次数增加会导致试件表皮脱落，质量差均先降低后增大再降低，最后逐渐稳定，强度前期提升显著，后期增长缓慢且趋于稳定。掺加0.10%聚丙烯纤维对2.5%纳米SiO2煤矸石二灰混合料基层水稳定性能的改善作用最好。