石灰－鋼渣－煤矸石混合料力學性能試驗研究?

孟文清 ，冀 昊 ，劉金堂 ，王 鵬 ，張亞鵬 ，崔邯龍

（1.河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲056038；2.河鋼集團邯鄲鋼鐵有限責任公司，河北 邯鄲056015 ）

0 引言

隨著公路工程建設的飛速發展，我國對石材的消耗日益增多，不僅耗費了大量的人力物力，且石料的開采有可能造成嚴重的生態破壞。煤矸石是伴隨著煤炭開采產生的固體廢物，大多以堆存的方式來處理，這不但占用了土地資源，影響生態環境，而且存在坍塌、滑坡、泥石流等地質災害隱患［1］。另一方面隨著鋼鐵工業的蓬勃發展，我國每年都要產生大量的鋼渣，積存的鋼渣占用土地對環境也會產生不良影響。因此，如果能將煤矸石、鋼渣等工業固體廢棄物應用于公路工程，不僅可以減少石材資源的開發，還可以促進工業固體廢棄物的大量消納，解決廢棄物的堆存問題［2］。

近年來，國內外學者以煤矸石為研究對象，添加一定量的無機結合材料，制備成煤矸石混合料，依托工程應用實例，證明了煤矸石混合料作為路面基層材料的可行性［3－5］。鋼渣作為工業固廢，其密度大，強度較高，將其作為道路材料可進一步提高基層承載力，降低工程建設成本［7－9］。本文以煤矸石為主要研究對象，添加一定量的石灰和鋼渣，制備成石灰－鋼渣－煤矸石混合料，通過均勻設計，研究煤矸石混合料的力學性能與混合料各摻量之間的關系，旨在為工程實際應用提供理論依據和技術支撐。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1） 煤矸石： 選用邯鄲市峰峰礦區自燃煤矸石，以頁巖為主，外觀呈紅褐色，破碎過31.5 mm篩，級配曲線如圖1 所示，化學組成和物理性質見表1 和表2。

圖1 煤矸石級配曲線Fig.1 Grading curve of gangue

表1 煤矸石化學組成Table 1 Chemical composition of coal gangue

表2 煤矸石物理性質Table 2 Physical properties of coal gangue

由表1 可直觀看出煤矸石主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3為主，其含量占到了90.30%，說明在適當的溫度及濕度條件下，煤矸石具有很高的火山灰活性，可有效提高煤矸石混合料整體的強度。由表2 可知，所選煤矸石各項物理指標均滿足（JTG／T F20－2015）《公路路面基層施工技術細則》［11］，可應用于路面基層材料。

由圖1 可知，煤矸石粒徑大于5 mm 的占總比重的50%左右，曲率系數Cc為2.45，在1～3 范圍內，說明集料粒徑齊全，連續分布。不均勻系數Cu為29.10＞5，說明粒料分布不均勻，其中大粒徑顆粒較多，細顆粒較少，因此，在材料組成設計時，可選用煤矸石充當混合料的骨架。

（2） 石灰： 選用武安市鈣質的石灰粉，有效氧化鈣和氧化鎂含量36%，低于三級鈣質石灰的標準。對于等外石灰，從強度及成本考慮，研究低堿石灰煤矸石路面基層混合料。

（3） 鋼渣： 鋼渣選用邯鄲市鋼廠未陳化的細鋼渣，粒徑為0～5 mm，外觀呈灰黑色，質地松散不黏結，表觀密度2.84 g·cm－3，浸水膨脹率1.63%＜2%，滿足路用鋼渣穩定性要求。

1.2 配合比設計

依據均勻設計的原理［12］，對煤矸石混合料的原材料進行配合比設計。依據前期試驗結果［13－16］，煤矸石作為主要原材料，占比宜大于65%； 鋼渣占煤矸石混合料30%以下； 石灰質量百分比宜在3%～12%之間?；旌狭吓浜媳仁遣捎靡悦喉肥|量為基準的基準配合比方式，即各原材料的摻入量為相對摻入煤矸石質量的百分數（煤矸石： 石灰： 鋼渣＝1：x1：x2）； 設定各摻合料的摻量范圍： 石 灰x1∈ ［0.040，0.160］，鋼 渣x2∈［0.100，0.450］，選用均勻設計表U?6（64），配合比方案見表3。

表3 煤矸石混合料均勻設計配合比Table 3 Uniform design mix ratio of coal gangue mixture

1.3 試驗方法與條件

按照JTG E50－2009［17］《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》，根據不同的配合比設計，對煤矸石混合料進行擊實試驗，確定混合料的最佳含水量和最大干密度。配置各組最佳含水量條件下的煤矸石混合料，靜壓成型尺寸大小為Φ150 mm×150 mm 的圓柱形試件，標準養護后，進行7 d 無側限抗壓強度、180 d 抗壓回彈模量及180 d 劈裂強度試驗，如圖2 所示，測試結果見表4。

圖2 力學性能試驗過程Fig.2 Test process of mechanical properties

表4 煤矸石混合料力學性能試驗結果Table 4 Test results of mechanical properties of coal gangue mixture／MPa

2 試驗結果分析

2.1 無側限抗壓強度試驗結果分析

運用MATLAB R2020a，基于7 d 無側限抗壓強度（見表4），以石灰摻量x1、鋼渣摻量x2為自變量，無側限抗壓強度Rc為因變量，進行多項式逐步回歸，建立煤矸石混合料各摻量與無側限抗壓強度的回歸分析模型：

煤矸石混合料各摻量對無側限抗壓強度的影響曲線如圖3 所示。

圖3 煤j 矸石混合料摻量對無側限抗壓強度的影響曲線Fig.3 Curve of influence of gangue mixture on unconventional compressive strength

在回歸模型中，復相關系數R2＝0.9858，顯著性分析結果P＝0.0211 （＜0.05）。表明在自變量x1、x2與因變量Rc之間存在很大的相關性，故回歸方程顯著。

由圖3 可以看出，鋼渣摻量x2在給定區間內，隨著石灰摻量x1的增加，抗壓強度Rc先增加后減??； 石灰摻量x1在給定區間內，隨著鋼渣摻量x2的增加，抗壓強度Rc逐漸增加。

式（1） 對x1求偏導，

詩人、作家、評論家張修林在《談文人》一文中對“文人”作如下定義：文人是指人文方面的、有著創造性的、富含思想的文章寫作者（張修林2009）。文人話語的典型文本是文人所做的詩文書畫，包括記錄日常生活“痕跡”的日記、游記等。作為一個受中國文化影響的文人，芥川在《中國游記》的話語表述中，不乏自然風光的詩意書寫。如在蘇州游記中，芥川單獨列出一個小節描寫蘇州的美麗景致，題名就叫“蘇州的水”。蘇州之水激發了他創作的靈感，使他寫下三大段優美文字。其中一段如下：

由式 （2） 可知，鋼渣摻量x2∈ ［0.100，0.450］，當石灰摻量x1∈［0.040，0.098） 時，，抗壓強度Rc隨著石灰摻量x1的增加由1.8 MPa 增 加 到3.5 MPa； 當 石 灰 摻 量x1∈（0.098，0.160］ 時，，抗壓強度Rc隨著石灰摻量x1的增加由3.5 MPa 減小到1.7 MPa。由此可見，石灰摻量過高，對混合料的無側限抗壓強度產生不利影響。這是由于過量的石灰水化反應生成的Ca （OH）2會和空氣中的CO2發生碳酸化作用形成 CaCO3。該反應所提供的強度比Ca （OH）2的結晶作用和火山灰反應所提供的強度要低。

式（1） 對x2求偏導，

由式 （3） 可知，石灰摻量x1∈ ［0.040，0.160］，當鋼渣摻量x2∈［0.100，0.450］時，抗壓強度Rc隨著鋼渣摻量x2的增加由1.7 MPa 增加到3.5 MPa。這是由于鋼渣密度大，硬度高，在機械壓實的作用下，混合料的骨架結構更加密實，強度也隨之提高。

2.2 抗壓回彈模量試驗結果分析

以石灰摻量x1、鋼渣摻量x2為自變量，180 d抗壓回彈模量Ec為因變量，進行多項式逐步回歸，建立煤矸石混合料各摻量與抗壓回彈模量的回歸分析模型：

煤矸石混合料各摻量對抗壓回彈模量的影響曲線如圖4 所示。

圖4 煤矸石混合料摻量對抗壓回彈模量的影響曲線Fig.4 Graph of the influence of gangue mixture on compressive rebound modulus

在回歸模型中，復相關系數R2＝0.9990，顯著性分析結果P＝0.047 （＜0.05）。表明在自變量x1、x2與因變量Ec之間存在很大的相關性，故回歸方程顯著性較好。

式（4） 對x1求偏導，

2.3 劈裂強度試驗結果分析

以石灰摻量x1、鋼渣摻量x2為自變量，180 d劈裂抗拉強度Ri為因變量，進行多項式逐步回歸，建立煤矸石混合料各摻量與劈裂強度的回歸分析模型：

煤矸石混合料各摻量對劈裂強度的影響曲線如圖5 所示。

圖5 煤矸石混合料摻量對劈裂強度的影響曲線Fig.5 Curve of influence of gangue mixture on cleavage strength

在回歸模型中，復相關系數R2＝0.9926，顯著性分析結果P＝0.01 （≤0.01）。表明在自變量x1、x2與因變量Ri之間存在很大的相關性，故回歸模型顯著。

由圖5 可以看出，鋼渣摻量x2在給定區間內，隨著石灰摻量x1的增加，劈裂強度Ri先增加后減??； 石灰摻量x1在給定區間內，隨著鋼渣摻量x2的增加，劈裂強度逐漸減小。

式（7） 對x1求偏導，

劈裂強度則降低。

2.4 力學性能綜合分析

通過上述對煤矸石混合料基本力學性能試驗研究，得出了混合料三項力學性能指標范圍。7 d無側限抗壓強度可達到3.5 MPa，接近水泥穩定類無機結合料強度，滿足重型特重型公路路面底基層使用。180 d 抗壓回彈模量為900 ～1700 MPa，180 d 劈裂強度為0.4～0.7 MPa，兩者均達到了石灰土和石灰土碎石材料的設計參數水平［17］。結合回歸模型（1）、（4）、（7） 計算分析，得出了較合理的混合料各摻量范圍： 石灰x1∈ ［0.080，0.105］，鋼渣x2∈［0.100，0.195］，并針對不同等級公路，設計了不同的配合比，如表5 所示。

表5 石灰－鋼渣－煤矸石混合料路用指標設計參數Table 5 Lime－steel slag－coal gangue mixture road indicators design parameters

3 結論

（1） 采用多項式逐步回歸的方法，得出了混合料的無側限抗壓強度、抗壓回彈模量和劈裂強度的回歸方程，通過顯著性檢驗，表明混合料各摻量與三項力學性間存在很大相關性，回歸方程顯著。

（2） 利用回歸方程，分析得出混合料各摻量對三項力學性能的影響： 鋼渣摻量在給定區間內，隨著石灰摻量的增加，混合料的三項力學性能呈現先增加后減小的趨勢； 石灰摻量在給定區間內，隨著鋼渣摻量的增加，無側限抗壓強度逐漸增加，抗壓回彈模量先增加后減小，劈裂強度逐漸減小。

（3） 根據回歸試驗結果，得出了較合理的混合料各摻量范圍，即石灰x1∈［0.080，0.105］，鋼渣x2∈［0.100，0.195］，并針對不同等級公路，給出了相應的配合比范圍，為工程實際應用提供了理論依據和技術支撐。