煤系偏高岭土稳定土用于路面基层的试验研究_纪海军.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315029煤系偏高岭土稳定土用于路面基层的试验研究收稿日期:2023 01 17作者简介:纪海军(1982 )，男，工程师，从事城市道路与交通工程工作纪海军1，王慧媛2，王世聪2，郝红军2(1 大同市市政建设发展公司，山西 大同037000;2 山西省建筑科学研究院检测中心有限公司，山西 太原030001)摘要:从煤矸石分类处理、多元化利用的思路出发，研究由富含高岭石的煤矸石煅烧制成的煤系偏高岭土代替部分水泥对路面基层稳定土结合料力学性能的影响。通过击实试验研究发现掺入偏高岭土可有效改善水泥稳定土的水敏性;通过无侧限抗压强度试验发现采用煤系偏高岭土替代部分水泥可提高水泥稳定土的早期强度，但由于稳定土中水泥掺量较少，使得稳定土孔溶液碱性不足，煤系偏高岭土火山灰效应不能充分发挥，最终导致煤系偏高岭土水泥稳定土后期强度发挥不足。研究成果可为煤矸石用于路面基层结合料的设计提供理论参考。关键词:煤矸石;煤系偏高岭土;稳定土;力学特性中图分类号:TU521 3文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0111 041概述水泥稳定土是指将水泥和水掺入土体中，经过拌和、压实和养护使得土体中水泥水化硬化，使土的强度满足要求的增强材料。水泥稳定土具有强度发展快、稳定性能好、承载力高等优点，被广泛应用于公路的基层、底基层和铁路路基建设当中1。随着国家“力争 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和”目标的提出，我国目前对水泥的低能耗生产提出了更加严格的要求2。在公路路面基层建设领域，通常在保证水泥材料性能的基础上采用矿渣、粉煤灰、磷石膏等固废替代部分水泥熟料3，从而减少水泥用量，最终达到降低 CO2排放的目的。但是粉煤灰会影响早期强度，矿渣、磷石膏作为固体废弃物化学性质受生产工艺影响较大，因此急需找到一种性质稳定且部分替代水泥后有利于提升稳定土力学性能的材料。煤矸石是在煤炭开采、加工过程中产生的工业固体废弃物，我国目前煤矸石累计存量已经超过 70 亿 t，且每年仍以 3 0 亿 t 3 5 亿 t 的速度增加4 6。煤矸石大量堆存不仅占用土地，还存在引发滑坡、泥石流等地质灾害的风险，威胁附近居民生命财产安全7 8。研究表明，富含高岭石的煤矸石经过粉磨和高温煅烧后能得到煤系偏高岭土，其具有很好的火山灰活性9 14，替代部分水泥可加速水泥水化进程，细化孔隙结构，从而改善固化土的强度和抗渗性能15 17，然而其在水泥稳定土中的应用还有待进一步研究。本文用偏高岭土替代部分水泥，研究偏高岭土对稳定土力学性能的影响，为偏高岭土在公路基层和底基层方面的应用提供理论依据，对水泥生产节能减排和煤矸石的资源化利用具有重要意义。2试验21原材料试验材料见图 1。试验用土取自太原市潇河产业园区建筑工地，如图 1(a)所示。（a）土（b）水泥（c）煤矸石（d）偏高岭土图 1试验材料采用 Bettersize 2600 型激光粒度分析仪(湿法)测得试 验 用 土 的 粒 径 分 布，结 果 见 图 2。依 据 GB/T501232019 土工试验方法标准18，测得土的液限 W1为32 1，塑限 Wp为 16 7，塑性指数 Ip为 15 4，试验用土为低液限粉质黏土(CL)19;以塑限为参考值，分别制备大于塑限含水率，等于塑限含水率和小于塑限含水率的五组试样，进行轻型击实试验，测定每组试样对应的密度和实际含水率，计算出干密度并绘制试验用土的击实曲线，如图 3 所示。通过分析击实曲线确定土样的最优含水率为 17 3%，最大干密度为 1 72 g/cm3。本试验所使用的水泥为太原狮头水泥有限公司生产的 P O425 级普通硅酸盐水泥，如图1(b)所示。图2 中曲线 PC 为水泥的粒径分布，其与土的粒径分布基本一致。本试验所使用的煤系高岭土共有两种，一种由山西中埃科技有限公司处理大同矿区的煤矸石得到，另外一111第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug20231008060402001101001 000PC；CMK1；CMK2；土小于某粒径的颗粒质量分数/%颗粒粒径/m图 2各材料的颗粒级配曲线图 3试验用土击实曲线1.741.721.701.681.661.641.62121416182022w（水）/%干密度/（g cm-3）1.72饱和度 100%1.76种在实验室使用行星球磨机研磨大同矿区的煤矸石得到，两种方式获得的煤系高岭土区别仅在于细度不同。将两种不同细度煤系高岭土放入马弗炉中煅烧 2 h，煅烧温度为800，得到煤系偏高岭土(Coal bearing metaka-olin，简写为 CMK)，较细的偏高岭土定名为 CMK1，较粗的偏高岭土定名为 CMK2。22试样制备CMK 水泥稳定土的配比如表 1 所示。依据 JTGE512019 公路 工 程 无 机 结 合 料 稳 定 材 料 试 验 规程20要求制备试样，通过击实试验，分别得到每组配比 CMK 水泥稳定土对应的最优含水率和最大干密度，再计算出每个试块所需的湿拌试样质量，计算时圆柱形试样规格按照 H=50 mm 50 mm 考虑，将相应质量的稳定土倒入准备好的钢试模中，使用全自动液压脱模机将试样静压成型脱模，脱模完成后使用保鲜膜将试样包裹防止试样水分受到外界环境影响，钢试模规格如图 4 所示。表 1CMK 水泥稳定土配比编号总掺量/%CMK1 掺量/%CMK2 掺量/%水泥掺量/%CMK0PC66006CMK1PC61 204 8CMK2PC601 24 8CMK0PC10100010CMK1PC10208CMK2PC10028F上压柱静压成型钢模试样下压柱F混合料130404050脱模取样5050图 4试样制备过程单位：mm23试验方法击实试验:击实试验采用 DZY 多功能电动击实仪。制样前将应加的水均匀喷洒在试验用土上并拌和均匀，然后装入密闭的塑料袋中浸润 12 h，再将称量好的 CMK 与水泥加入到试验用土中并拌合均匀，分层击实。无侧限抗压强度试验:无侧限抗压强度试验采用SHT4605 电液伺服万能试验机。根据 JTG E512019 公路工程无机结合料稳定材料试验规程，加载方式选择位移控制式，下行加载速度为 1 mm/min。扫描电子显微镜试验:微观结构测试采用 ZEISSGeminiSEM 300 型扫描电子显微镜(Scanning Electron Mi-croscope，简称 SEM)。SEM 试样采用无侧限抗压强度测试结束后的碎块制作，取抗压强度完成后的碎块中部，将试样切割成 2 cm 2 cm 0 5 cm 的试块，测试前在样品表面喷金以增强样品导电性。3试验结果与分析31CMK 细度对稳定土击实特性的影响图 5 为不同结合料掺量下的击实曲线。由图 5 可知，当 CMK 和水泥的总掺量较少时结合料对稳定土击实效果影响较小，此时试样的密实程度取决于土体本身的性质，随着稳定土中 CMK 和水泥总掺量增大，CMK1PC 最大干密度与 CMK2PC，CMK0PC 相比越来越小，造成上述情况的原因可能是 CMK、水泥和土体的粒径具有差异，且 CMK 颗粒外观为不规则鳞片状，粒度越小，堆积密度越小，因此 CMK1 掺入土体击实后会造成干密度较小。121416182022干密度/（g cm-3）1.761.721.681.641.60CMK0PC6；CMK1PC6；CMK2PC6实际含水率（质量分数）/%121416182022密度/（g cm-3）1.761.721.681.641.60实际含水率（质量分数）/%（a）6%掺量（b）10%掺量图 5不同结合料掺量下的击实曲线CMK0PC10；CMK1PC10；CMK2PC10211第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑32结合料掺量对稳定土击实特性的影响图 6 为 CMK0PC，CMK1PC，CMK2PC 在 CMK 与水泥总掺量为 6%和 10%时的击实特性曲线。CMK0PC，CMK2PC 在不同掺量下的最大干密度基本相等且远大于CMK1PC 的最大干密度。随着总掺量的增加，CMK1PC最大干密度与 CMK0PC 和 CMK2PC 最大干密度的差值越来越大。上述情况说明 CMK 和水泥总掺量越大、CMK粒径越小，稳定土的最大干密度越小;同时随着总掺量的增加，相同配比下水泥稳定土最优含水率也在增大。这是由于 CMK 表面为鳞片状不规则结构，导致比表面积更大，同时 CMK 能够快速促进水泥的水解水化反应21，提高其吸水能力;此外随着 CMK 掺量的增加，击实曲线变得更加平缓，表明 CMK 可以有效改善水泥稳定土的水敏性22，有利于现场施工。图 6不同 CMK 细度下的击实曲线（a）CMK0PC（b）CMK1PC（c）CMK2PC密度/（g cm-3）1.761.721.681.641.60121416182022CMK1PC6；CMK1PC10密度/（g cm-3）实际含水率（质量分数）/%1.761.721.681.641214161820CMK0PC6；CMK0PC10密度/（g cm-3）1.761.721.681.641.60121416182022CMK2PC6；CMK2PC10实际含水率（质量分数）/%实际含水率（质量分数）/%33CMK 细度对无侧限抗压强度的影响图 7 为各配比水泥稳定土在 7 d，28 d，60 d，90 d，120 d 无侧限抗压强度。由图可知各龄期与各掺量的稳定土中 CMK1PC 的无侧限抗压强度均大于 CMK2PC，且CMK2PC 在三组稳定土中无侧限抗压强度最小。上述结果表明在结合料总掺量一定的情况下，CMK 粒径越小，等量替代水泥后稳定土早期强度越大。造成这一现象的主要原因是当 CMK 颗粒粒径越小，比表面积越大，CMK1颗粒与稳定土中的水泥水化产物接触的面积更大，生成更多的水化产物，使稳定土内部孔隙得到更加有效的填充，使 CMK1PC 无侧限抗压强度比 CMK2PC 无侧限抗压强度更高。34养护龄期对无侧限抗压强度的影响通过分析图 7 发现，各组稳定土的无侧限抗压强度均随着养护龄期的增大而增大，进一步分析不同龄期下各稳定土的强度情况发现，当养护龄期为4321无侧限抗压强度/MPa7286090120CMK0PC6；CMK1PC6；CMK2PC6龄期/d65432无侧限抗压强度/MPa7286090120龄期/dCMK0PC10；CMK1PC10；CMK2PC10（a）6%（b）10%图 7不同 CMK 水泥掺量下稳定土的抗压强度7 d 时，CMK1PC 强度大于纯水泥稳定土，当养护龄期为 90 d 时，CMK1PC 强度均小于 CMK0PC，表明在水泥稳定土中 CMK 不能等效替代水泥达到相同的力 学 性。随 着 龄 期 的 增 加，由 于 在 CMK1PC，CMK2PC 中水泥掺量较低，而掺入的粉质黏土中的黏粒含量较多，对水泥及其水化产物起到了进一步的稀释作用，土体中水泥水化产物 Ca(OH)2生成量逐渐减少，导 致 与 CMK 的 火山 灰反 应 不 能 继 续 进行，而同龄期的只掺有水泥的稳定土虽然水化反应进程相对较慢，由于掺有更多的水泥，随着水化反应的进行，生成的水化产物不断增多，产生更多的胶结材料，使得稳定土强度继续发展，最终超过同掺量下的 CMK1PC。4结论本文通过稳定土力学性能试验研究了不同细度的煤矸石锻烧形成的煤系偏高对稳定土击实特性、力学性能的影响及机理，得出了如下主要结论:1)在CMK 水泥稳定土中，随着偏高岭土与水泥掺量的增加，稳定土最大干密度减小，最优含水率增大，且掺入偏高岭土后可以有效改善水泥稳定土的水敏性，有利于现场施工。2)小粒径 CMK 与稳定土中的水泥水化产物接触的面积更大，生成更多的水化产物，使稳定土内部孔隙得到更加有效的填充，增加稳定土的无侧限抗压强度。3)添加