复合掺配生土改性试验及抗压性能分析

杨阳 胡爱萍 李平 李伟刚 王健

摘 要：为了推动工业固体废弃物综合利用，改善传统生土材料的力学性能，通过在生土材料中添加煤矸石粉、矿粉、石灰、粉煤灰和麦秸秆灰等5种材料复合掺料进行生土改性试验，依据《土工试验方法标准》（GBT 50123—2019）制备了96个Φ102 mm×116 mm的圆柱体试样，在室内养护28 d后不烘和烘干2种状态下进行轴心抗压试验，得到改性生土试件的荷载-位移关系，分析了复合材料对改性生土抗压强度的影响规律和复合掺料的最优配比。结果表明：煤矸石粉、矿粉、石灰、粉煤灰和秸秆灰掺量分别为0%、8%、6%、8%和2%时，复合材料改性生土试样的28 d抗压强度最大，2种状态下分别达到了3.07、5.07 MPa，与同养护条件的素土试样相比，其分别是其抗压强度的1.71、1.77倍。

关键词：工业废弃物；复合材料；改性生土；抗压；试验

中图分类号：TQ111.19

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0083-05

Experimental study on compressive properties of modified raw soil mixed with inorganic industrial waste

YANG Yang1，2，HU Aiping1，2，LI Ping1，2，LI Weigang1，WANG Jian1

（1.School of Civil Engineering，Long dong University，Qingyang 745000，Gansu China;

2.Gansu Province Gully Fixing andTableland Protection Engineering Research Center，Qingyang 745000，Gansu China）

Abstract：In order to promote the comprehensive utilization of industrial waste and improve the mechanical properties of traditional raw soil materials，the raw soil modification test was conducted by adding five kinds of admixtures such as coal gangue powder，mineral powder，lime，fly ash，and wheat straw ash to the raw soil material，and 96 cylindrical specimens of Φ102 mm×116 mm were prepared according to the Standard for soil method （GBT50123—2019）.The axial compression test was carried out in two conditions of non-drying and drying after a 28 d period of indoor maintenance.The load-displacement relationship of the modified raw soil specimens was obtained，and the influence law of the composite on the compressive strength of the modified raw soil and the optimal ratio of composite admixtures were analyzed.The test results showed that the 28 d compressive strength of the composite modified raw soil specimens was the highest when the admixtures of coal gangue powder，mineral powder，lime，fly ash and wheat straw ash were 0%，8%，6%，8% and 2%，reaching 3.07 MPa and 5.07 MPa，respectively，which were 1.71 times and 1.77 times of the compressive strength compared with the plain soil specimens with the same maintenance conditions.

Key words：industrial waste;composite materials;modified raw soil;compressive test

目前我国对固体废弃物的综合利用高度重视，2018年5月国家工信部在《工业固体废物资源综合利用评价管理暂行办法》中指出要推动工业固体废物资源综合利用，促进工业绿色发展；2019年1月国家发改委、工信部在《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》中提出要推动资源综合利用产业高质最发展，开展大宗固体废弃物综合利用基地建设；2021年2月，国务院印发了《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》，提到要建设资源综合利用基地，促进工业固体废物综合利用。由此可见，高效高质利用固体废弃物在当今时代显得尤为重要。近年来生土材料由于具有节能、绿色、环保、耗能低等优点再次受到了广大专家学者的重点关注，但传统的生土材料由于其强度低、耐水性和抗冻性差而影响其使用性能，其中力学性能更是作为影响生土材料应用重要的因素之一［1-8］。因此，使用工业废弃物改性生土原料制备出强度高的生土材料，从而同步实现工业废弃物的综合利用和生土材料的高性能應用，在“双碳”背景下更是助力“碳达峰”、“碳中和”的有效手段［9］。为此很多专家学者开展了相关的研究，其中利用钢铁厂废渣和少量无机添加剂作为无机土壤固化剂改性粘土，研究了无机土壤固化剂对生土材料强度、耐水性和抗冻性能的影响规律和机理［10］；研究了煅烧脱硫石膏和流化床固硫灰对改性生土影响［11］；利用粉煤灰、石灰-粉煤灰掺合物进行了改性膨胀土的工程特性研究［12］；进行了掺入工业废料的改性生土抗压试验，分析了不同掺合料的作用机理、研究不同掺料不同掺量对抗压强度的影响规律［13］。

本文拟探索以甘肃庆阳黄土为原材料，利用煤矸石粉、粉煤灰、石灰、麦秸秆灰和矿渣等无机工业废渣作为复合改性材料，通过简单的成型工艺和自然养护，制备改性生土试件，研究其28 d抗压强度和延性比，得到利用无机工业废弃物作为改性材料的最优配比，可为生土改性掺料的研究和工程应用提供一定的借鉴和参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

1.1.1 生土

试验所用生土为庆阳市西峰区Q3黄土，相对密度2.7，塑限18%，液限30.1%，主要化学成分：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O和Fe2O3、Na2O分别为40.31%、19.03%、17.36%、6.73%、4.5%、7.52%和2.05%。所取生土均过5 mm标准筛，拌合水为普通的自来水。

1.1.2 煤矸石粉

煤矸石粉（C）是由在煤形成过程中与煤伴生、共生的煤矸石采用机械磨碎活化所得粉料。试验所用煤矸石粉为灵寿县玖宝建材销售部提供的密度为2.3 g/cm3、比表面积为930 m2/kg的普通煤矸石粉末。普通煤矸石粉末的主要化学成分：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O和Fe2O3分别为54.21%、18.03%、3.37%、1.46%、0.98%和0.59%。

1.1.3 矿粉

矿粉（M）是用水淬高炉矿渣，经干燥，粉磨等工艺处理后得到的高细度，高活性粉料。试验所用矿粉为河南铂润铸造材料有限公司提供的S95矿粉，主要化学成分及性能指标：SO3、烧失量、碱、玻璃体和含水量分别为0.1%、0.8%、0.56%、99%和0.1%。

1.1.4 石灰

石灰（L）是一種以氧化钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料。试验采用由庆阳森鹏建材有限公司提供的石灰，主要化学成分及性能指标：CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、Al2O3和烧失量，分别为87.63%、4.57%、2.42%、1.35%、1.72%和1.89%。

1.1.5 粉煤灰

粉煤灰（F）是燃煤电厂排出的主要固体废物，也是我国当前排量较大的工业废渣之一。试验采用由河南铂润铸造材料有限公司提供的粉煤灰，主要化学成分及性能指标：SiO2、Al2O3、CaO、Cl-、碱和烧失量，分别为45.1%、24.2%、5.6%、0.015%、1.2%和2.8%。

1.1.6 麦秸秆灰

麦秸秆灰（W）是由利用庆阳当地小麦秸秆经过高温煅烧后所得的剩余非极性矿物质，主要化学成分：SiO2、K2O3、CaO、SO3、MgO、Al2O3和Fe2O3，分别为64.7%、19.2%、13.6%、1.55%、2.49%、0.61%和0.33%。

1.2 试验方案

试验在考虑材料掺配不同剂量时经济、有效范围的基础上，根据材料的具体情况设计了5因素4水平的正交试验，具体试验方案如表1所示。

1.3 试验方法

依据《土工试验方法标准》（GBT 50123—2019），将过5 mm筛的生土放入110 ℃的烘箱中烘干，按照表1所示的无机工业废弃物复合材料配比与生土充分拌和后加入自来水制备土样，采取标准击实试验，每组制作6个Φ102 mm×116 mm的圆柱体试样。制作完成后，将试样置于室温为10～20 ℃，相对湿度60%～80%的养护室内养护28 d，如图1所示。待28 d后，每组试件3个不烘，3个试件在105～110 ℃的烘箱中烘12 h后分别进行抗压试验。抗压试验采用陇东学院土木工程实验中心的WAW-1000B型微机控制万能试验机进行加载，如图2所示，加载速率为 1 mm/min，记录试件的荷载和位移。当荷载下降到峰值荷载的85%时，视为试件破坏，作为试验结束条件，如图3所示。

由于素土试样和改性土试样均为脆性材料，初步开裂时裂缝较小，关于开裂位移的取值无统一标准，受到试验条件和环境因素影响较大，故取试样极限位移与峰值位移之比为名义延性比，用以间接反映材料的塑性变形能力和能量耗散能力。

2 试验结果

2.1 自然养护28 d状态下试样抗压试验结果

表2为自然养护28 d状态下试块抗压试验结果。

由表2可知，自然养护28 d状态下无机工业废弃物复合材料的掺量对改性生土试样的抗压强度有很大影响，抗压强度变化幅度较大，与同养护状态的Z1素土试样相比，强度比介于16.7%～170.7%，Z2、Z3、Z4、Z8、Z10和Z12试样28 d抗压强度均高于Z1素土试样，其中Z3试样抗压强度最大，达到了3.07 MPa。

2.2 自然养护28 d后烘干状态下试样抗压试验结果

表3为自然养护28 d后烘干状态下试块抗压试验结果。

由表3可知，自然养护28 d后烘干状态下无机工业废弃物复合材料的掺量对改性生土试样的抗压强度有很大影响，抗压强度变化幅度较大，与同养护状态的Z1素土试样相比，强度比介于23.6%～177.2%，Z2、Z3、Z4、Z8以及Z10试样28 d抗压强度均高于Z1素土试样，其中Z3试样28 d抗压强度最大，达到了5.07 MPa。

3 结果分析

3.1 极差分析

极差为平均最大值与最小值之差，代表某因素对改性土性能的影响程度，故通过极差大小量化分析各因素对生土改性试样抗压强度的影响程度，2种不同状态下的极差分析结果如表4和表5所示。

由表4、表5可知，自然养护28 d状态下和自然养护28 d后烘干状态下，煤矸石粉、矿粉、石灰、粉煤灰和麦秸秆灰5因素对改性土抗压强度的影响程度大小依次均为：C（煤矸石粉）、L（石灰）、M（矿粉）、W（麦秸秆灰）、F（粉煤灰）。由此可看出：煤矸石粉掺量对改性土抗压性能的影响最大，石灰的掺量影响次之，煤矸石粉掺量和石灰掺量为改性土抗压强度的主要影响因素；矿粉掺量、麦秸秆灰掺量和粉煤灰掺量为次要影响因素。为提高改性土抗压强度，应适当优化煤矸石粉掺量和石灰掺量。

3.2 2种试验状态下对比分析

不同试样在自然状态下养护28 d后烘干和未烘干2种情况下的抗压强度和名义延性比对比分析结果分别如图4和图5所示。

从图4、图5可以看，所有试样在烘干状态下的抗压强度均比未烘干状态下的抗压强度要高，变化幅度较大，介于1%～69.7%，名义延性比相差幅度较小，均在8%以内，介于92.3%～101.8%。

4 结语

（1）通過无机工业废弃物复合材料改性土试验得到了合理的生土改性配比。在生土中掺入煤矸石粉、矿粉、石灰、粉煤灰和麦秸秆灰掺量分别为0%、8%、6%、8%和2%时，改性生土试样抗压强度增幅最大，分别达到了3.07、5.07 MPa，在自然状态下养护28 d后未烘和烘干2种状态下与同状态的素土试样相比是其1.71倍和1.77倍；

（2）煤矸石粉掺量对改性生土的抗压强度影响最大，当试件养护28 d后未烘干状态下，煤矸石粉掺量分别为0%、5%、10%和15%时，复合材料改性生土试件的最大强度分别为3.07、2.73、2.36和1.78 MPa；当试件养护28 d后烘干状态下，煤矸石粉掺量分别为0%、5%、10%和15%时，复合材料改性生土试件的最大强度分别为5.07、3.95、3.05和1.99 MPa；整体趋势还是随着煤矸石粉掺量的增加，复合材料改性生土试件的抗压强度在降低；

（3）通过对比分析2种养护状态下的改性土试件的抗压强度和名义延性比可知，养护28 d后烘干状态下试件的抗压强度均高于未烘干状态试件的抗压强度，Z4试件抗压强度增幅最大，达到了69.7%；2种状态对试件的名义延性比影响较小，影响幅度在-7.3%～1.8%。

【参考文献】

［1］王毅红，王春英，李先顺，等.生土结构的土料受压及受剪性能试验研究［J］.西安建筑科技大学报（ 自然科学版），2006，26（4）：469-472.

［2］ 马建飞.改性生土坯及其砌体基本力学性能试验研究［D］.西安：长安大学.2013.

［3］ DEMIR I.Effect of organic residues addition on the technological properties of clay bricks［J］.Waste Manage，2008，28：622-627.

［4］ 刘俊霞，张磊，杨久俊.生土材料国内外研究进展［J］.材料导报，2012，26（23）：1-17.

［5］ 王毅红，朴永红.杜建军，等.生土坯及生土坯砌体受力性能的试验研究［C］//全国砌体结构基本与论与工程应用学术会议论文集.上海：同济大学出版社，2005.

［6］ 陈秋雨.生土材料改性试验研究［D］.上海：上海交通大学，2017.

［7］ 周铁钢，韩睿斌，穆钧.西部地区农村危房现状调查与抗震性能统计分析［J］.自然灾害学报，2013，22（6）：70-75.

［8］ 王毅红，李丽，王冲锋，等.村镇既有生土结构房屋抗震性能现状分析［J］.土木工程学报，2010，43（Sup）：462-467.

［9］ WU X H，HE M L，CAO S C，et al.Evolution trend analysis of urban residents low-carbontravel development based on multidimensional game theory［J］.Journal of Central South University，2019，26（12）：3388-3396.

［10］ 胡明玉，付超，魏丽丽，等.无机土壤固化剂对生土材料的改性及其机理［J］.材料研究学报，2017，31（6）：445-450.

［11］ 钱觉时，王琴，贾兴文，等.燃煤电厂脱硫废弃物用于改性生土材料的研究［J］.新型建筑材料，2009，36（2）：28-31.

［12］ 查甫生，刘松玉，杜延军.石灰-粉煤灰改良膨胀土试验［J］.东南大学学报（自然科学版），2007（2）：339-344.

［13］ 王毅红，刘芳，刘亮，等.掺入工业废料的改性生土材料抗压试验［J］.土木建筑与环境工程，2016，38（6）：32-37.