煤气化渣改良黄土的力学特性试验分析.pdf
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1、第 19 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2024中 国 科 技 论 文CHINA SCIENCEPAPER煤气化渣改良黄土的力学特性试验分析曹金生,武立波,孙萌萌,刘惠阳,杨嘉伟(宁夏大学土木与水利工程学院,银川 750021)摘 要:为解决煤气化渣存量逐年增多且利用率低与黄土地区路基填料缺乏的双重难题,提出用煤气化渣改良黄土作为路基填料,改良土的力学性能直接决定其是否适用。通过无侧限抗压强度试验、直剪试验、固结试验、黄土湿陷试验,分析和研究不同煤气化粗渣掺量和不同养护龄期下煤气化粗渣改良黄土的力学特性。结果表明:当煤气化粗渣掺量为6%且养护龄期为28 d时,
2、黄土的无侧限抗压强度由 364 kPa 提高到 568 kPa,增长了 56%,黄土的黏聚力由 42.1 kPa 提高至 81.8 kPa,增长了94.3%;煤气化粗渣掺量为6%时,黄土的压缩系数由0.33 MPa1降为0.11 MPa1,降低率达66.7%;煤气化粗渣改良黄土的湿陷系数随煤气化粗渣掺量的增加先降低后逐渐升高,当掺量为6%时,黄土的湿陷系数由0.035降低到0.016,降低率为55%。即在煤气化粗渣掺量为6%且养护龄期为28 d的条件下,煤气化粗渣改良黄土的无侧限抗压强度和抗剪强度得到显著提高,煤气化粗渣改良黄土的压缩系数和湿陷系数则显著降低。关键词:煤气化渣;黄土;抗压强度;
3、抗剪强度;压缩系数;湿陷系数中图分类号:TU444 文献标志码:A文章编号:2095-2783(2024)01-0023-10开放科学(资源服务)标识码(OSID):Experimental analysis of mechanical properties of loess improved by coal gasification slag CAO Jinsheng,WU Libo,SUN Mengmeng,LIU Huiyang,YANG Jiawei(School of Civil Engineering and Water Conservancy,Ningxia University
4、,Yinchuan 750021,China)Abstract:The amount of coal gasification slag increases year by year,while its utilization rate is low.In the meantime,a lack of appropriate sand and gravel and other raw materials exists in civil construction and road projects in northwest region in China.Facing this problem,
5、a countermeasure of utilizing the coal gasification slay improved loess as subgrade fill was proposed.Based on the unconfined compressive strength test,direct shear test,consolidation test and collapsibility test of loess,the mechanical properties of improved loess with different coal gasification c
6、oarse slag content and different curing ages were analyzed.The results show that,when the dosage of coarse coal gasification coarse slag is 6%and the curing age is 28 d,the compressive strength of loess increases from 364 kPa to 568 kPa,indicating a growth rate of strength up to 56%.Additionally,the
7、 cohesion of loess increases from 42.1 kPa to 81.8 kPa,and the growth rate of cohesion is up to 94.3%.When the coal gasification coarse slag content is 6%,the compressive coefficient of loess decreases from 0.33 MPa1 to 0.11 MPa1,with a decrease rate of 66.7%.With the increase of coal gasification c
8、oarse slag content,the collapsibility coefficient of the improved loess decreases first and then gradually increases.When the percentage of coal gasification coarse slag is 6%,the collapsibility coefficient of the loess decreases from 0.035 to 0.016,and it is with a decrease rate of 55%.Thus,under t
9、he condition of 6%coal gasification coarse slag content and 28 d curing period,the unconfined compressive strength and shear strength of coal gasification coarse slag modified loess are significantly increased,while the compression coefficient and collapsibility coefficient of coal gasification coar
10、se slag improved loess are significantly decreased.Keywords:coal gasification slag;loess;compressive strength;shear strength;compression coefficient;collapsibility coefficient中国黄土分布广泛,总面积达64 万km2,约占国土面积的 7%,其中原生黄土主要分布在甘肃东南部、宁夏、陕西、山西等地1。黄土由于孔隙大而具有湿陷性,一般不能直接作为地基持力层2-3。为此,诸多学者对黄土进行改良并对改良黄土的性能展开研究。综合目前的
11、研究现状,对黄土进行改良的研究概括为如下3类。1)关于用水泥、石灰等引起高碳排放的传统改良的研究主要有:王翰越等4、蒋应军等5、葛菲等6、祁晓强等7、高梦娜等8、胡再强等9、李博等10、赵天宇等11、杨雪强等12、房军等13分别就石灰改良黄土的抗冻性、水泥改良黄土的力学特性及抗冲刷性、添加石灰等混合料改良黄土沉收稿日期:2023-05-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(41961011);宁夏重点研发计划(引才专项)项目(2019BEB04010)第一作者:曹金生(1993),男,硕士研究生,主要研究方向为公路工程通信作者:武立波,副教授,主要研究方向为道路工程及煤基固废资源化利用,第
12、19 卷 中 国 科 技 论 文陷变形、渗透性及抗压强度及添加水泥混合料改良黄土抗拉压强度等领域进行了深入研究,并通过冻融循环试验、渗透试验、力学试验、湿陷试验等综合分析不同外加剂改良黄土的力学效果及工程特性,通过以上研究可知,水泥、石灰在工程实践中广泛应用,但也存在着含碳量较高、环境污染等问题。2)关于利用矿渣及工业废渣改良黄土的研究主要有:朱苗淼等14、金明亮等15、狄圣杰等16、陈瑞锋等17、高中南等18针对矿渣改良黄土、工业废渣改良黄土的力学特性,钢渣改良黄土、镁渣固化黄土及赤泥改良黄土强度等方面进行了深入研究,通过微观分析,无侧限抗压强度试验、承载力试验、水稳试验、抗剪强度、动弹性模
13、量等试验,综合分析不同外掺料改良黄土的机理变化、力学参数、强度特性及动应力方面的改良效果。3)关于用生态环保材料改良黄土的研究主要有:Li 等19、Liu 等20、南 亚 林 等21、Zhong等22、黄雨灵等23、董超凡等24通过在黄土中添加玉米秸秆、木质素纤维、不同纳米黏土等外加剂,得到玉米秸秆和黄土合成的地质聚合物,用于提高植被的成活率,进而提高黄土路基的抗压强度和稳定性,添加不同掺量木质素用于提高黄土颗粒的密实度和可塑性,改善黄土的渗透性、湿陷性、抗压强度等。综上所述,目前对黄土改良的研究主要包括用水泥、石灰、钢渣、矿渣、粉煤灰及其他一些具有环保性的材料对黄土进行改良。用石灰、水泥对黄
14、土进行改良,虽然改良后黄土的力学性能明显提高,但也存在不足,一方面成本较高,另一方面碳排放量大;利用微生物等环保性材料改良黄土,在合理的掺量范围内对黄土的力学性能改良效果较好,虽然环保性高,但成本也高;利用矿渣及工业废渣改良黄土,既能提高黄土的力学性能,又有着良好的应用前景。尤其是当前我国煤气化渣堆存量大,资源化利用率远低于发达国家,并达不到国家提出的目标标准,例如2019年我国年生产煤气化渣超过3 300万t25,并且其存量逐年增多,但其利用率仅有 8%26-27。此外,目前国内外利用煤基固废对黄土进行改良的研究成果主要集中在粉煤灰对黄土的改良、煤气化渣对水泥稳定碎石基层等的改良28,以及煤
15、气化渣的其他资源化利用29-36,将煤气化粗渣作为黄土改良材料的研究尚罕见报道。然而,由于我国大面积分布黄土,宁夏地区既是典型的黄土分布区,也是产生大量煤基固废的省份之一,同时,一方面我国堆存量巨大的煤基固废尤其是煤气化渣的资源化利用率亟待提高,另一方面当前土建行业及道路工程中砂石等原材料已十分紧缺。基于此,本研究提出用煤气化渣改良黄土作为路基填料。煤气化渣改良黄土作为路基填料是否适用,首先取决于其力学性能。因此,本文拟通过无侧限抗压强度试验、直剪试验、固结试验等探究煤气化渣改良黄土的力学性能。拟开展的上述研究工作,是对我国改良黄土的性能以及煤基固废道路资源化利用研究的有益补充和完善,对避免或
16、减轻黄土路基的病害,提高煤基固废的资源化利用率,无疑具有重要的理论与现实意义。1试验内容1.1试验材料由于宁夏地区具有代表性的黄土是宁夏同心县的黄土,所以试验用土取自宁夏同心县某公路边坡,土样颜色呈现黄色,孔隙较大,高压缩性,结构疏松,具有典型的湿陷性,黄土试样如图1(a)所示,黄土颗粒级配曲线如图2所示,物理指标见表1。试验用煤气化粗渣取自宁夏宁煤公司,煤气化粗渣的试样如图1(b)所示,化学成分见表2。1.2试验方法本试验依据 公路土工试验规程(JTG 34302020)、公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E512009)相关试验规程进行。分别对重塑黄土和掺量为2%、4%、6%、8
17、%、12%、16%的煤气化粗渣改良黄土进行室内试验和改良试验,养护龄期为7、14、28 d,压实度控制在95%以上。图2黄土颗粒级配曲线Fig.2Particle grading curve of loess图1试验用黄土和煤气化粗渣Fig.1Loess and coal gasification coarse slag used in the test24曹金生,等:煤气化渣改良黄土的力学特性试验分析第 1 期2煤气化渣改良黄土结果分析2.1无侧限抗压强度无侧限抗压强度是指对试样周围施加零压力,同时在试件轴向位置施加轴向压力,试件破裂时对应的最大压力值即为抗压强度值(图3)。试件尺寸选用 5
18、0 mm50 mm 圆柱形试件,掺量分别为 0、2%、4%、6%、8%、12%、16%,养护龄期分别设置为7、14、28 d,试验结果如图4和图5所示。由图4可知,煤气化粗渣对黄土的抗压强度具有一定的改良效果,不同煤气化粗渣掺量下改良黄土的无侧限抗压强度随龄期的增加而增加,素黄土的抗压强度随龄期增长缓慢,掺量在2%以下养护周期内增速缓慢,当掺量为4%16%时随龄期的增加增速较快,在1428 d内增长幅度较大,主要由于煤气化粗渣随龄期的增长与土颗粒固化反应充分,并在水化作用下产生团粒结构,其中掺量6%及龄期1428 d内的强度优于其他掺量。由图5可知,随煤气化粗渣掺量的增加改良黄土的强度呈先增大
19、后减小的规律,且随着龄期的增大抗压强度也增大。煤气化粗渣掺量小于6%时抗压强度增速较快,超过6%时出现缓慢下降,主要因为改良材料中的氧化物与微量元素发生水化反应并产生新的团聚体连接土颗粒,但随着掺量的增加,颗粒间孔隙增多,颗粒间产生滑移,导致抗压强度降低。图6为煤气化粗渣的电子扫描显微镜(SEM)图像,由图可知,煤气化粗渣中包含不规则小球状颗粒、疏松絮状团粒、多孔不规则球状大颗粒等。由图6(a)和图6(b)可以看出,煤气化粗渣有大量大小不均的小颗粒分布在表面,且不少小颗粒形成熔融团聚,构成不规则的大团粒,团粒表面交错布置、形状不均,形成大小不一的玻璃状体;由图6(c)可以看出,煤气化粗渣的球状
20、体表面附着大量的微珠,微珠与球状颗粒形成絮状连续的球体,表面密实光滑,也存在部分不规则球状体;由图6(d)可看出,半球体内部存在孔洞,其表面附着有细小颗粒,放大后呈现片状结构,这种疏松多孔的球状结构具有吸附性,且孔洞内的微珠也可由粗渣中的矿物质构成,共同形成非晶体状矿物颗粒。煤气化粗渣的这种结构对强度的变化有着直接的影响。2.2抗剪强度直剪试验是测量土体抵抗剪切破坏的强度指标,并通过内摩擦角及黏聚力反映改良后黄土的力表1黄土的物理性质指标Table 1Indicators of physical properties of loess天然含水量/%4.9比重(Gs)2.78天然密度/(g cm
21、3)1.88孔隙比(e)0.91压缩系数(a1-2)/MPa10.882液限(wL)/%30.16塑限(wp)/%15.12塑性指数(Ip)15.04不均匀系数6.25最大干密度(pdmax)/(g cm3)1.75最佳含水率(wopt)/%17.3图3破坏前与破坏后的试件Fig.3Photographs of the specimen before and after damage图4不同龄期与抗压强度的变化曲线Fig.4Variation curve of compressive strength at different ages图5不同掺量与抗压强度的变化曲线Fig.5Variatio
22、n curve of compressive strength with different dosing levels表2煤气化粗渣的基本化学组成Table 2Basic chemical composition of the coal gasification coarse slag%种类宁夏灵武粗渣宁煤公司粗渣质量分数SiO253.3545.78Al2O316.8215.14Fe2O310.0416.67CaO8.1211.66Na2O2.141.44MgO2.162.37烧失量1.193.3025第 19 卷 中 国 科 技 论 文学性质。该试验针对在标准养护箱内养护 7、14、28
23、d后的试件并分别在 100、200、300、400 kPa荷载下进行。试验结果如图7、图8与图9所示。图 7为直剪试验中试样剪切前后的照片。图 8为不同煤气化粗渣掺量改良黄土的抗剪强度变化规律。总的来说,由图8可以看出:煤气化粗渣改良黄土的黏聚力、内摩擦角随煤气化粗渣掺量的增大呈先增大后减小的变化趋势,并且黏聚力与内摩擦角都是在煤气化粗渣掺量为6%时达到峰值,表明在峰值前煤气化粗渣对黄土黏聚力有一定的改良效果,超过峰值后由于煤气化粗渣本身的性质加大了土颗粒间的孔隙,从而在一定程度上导致黏聚力降低。对比图8(a)与图8(b),不同之处是改良黄土的黏聚力随煤气化粗渣掺量的增加而增大或减小的幅度明显
24、大于内摩擦角的变化。并且在相同煤气化粗渣掺量条件下,养护龄期越长的改良黄土黏聚力与内摩擦角也越大。图9为不同龄期煤气化粗渣改良黄土抗剪强度变化规律,由图9(a)与图9(b)可以得出,不同煤气化粗渣掺量的改良黄土的黏聚力与内摩擦角均随着养护龄期的增长而增大,例如,当龄期为7、28 d时,素黄土的黏聚力为28.9、42.1 kPa,掺6%的煤气化粗渣后黄土的黏聚力为57.6、81.8 kPa,即掺入6%的煤气化粗渣养护 7、28 d 后黄土的黏聚力提高率分别达99.3%、94.2%。图6煤气化粗渣的SEM图像Fig.6SEM images of coal gasification coarse s
25、lag图7剪切前后的环刀试样Fig.7Ring knife specimen before and after shearing图8不同煤气化粗渣掺量改良黄土抗剪强度变化规律Fig.8Variation of shear strength for different coal gasification coarse slag blending26曹金生,等:煤气化渣改良黄土的力学特性试验分析第 1 期由公式=c+tan可知,内摩擦角()和黏聚力(c)是影响土体抗剪强度的关键因素,c主要由土体颗粒间的相互吸力和胶结力组成,由颗粒表面相对滑移产生的摩擦力和咬合力构成。图8(a)中改良土的黏聚力随改
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