， ， ，，，

(1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

煤矸石是煤炭的一種共伴生礦物，在煤炭開采和洗選加工過(guò)程中產(chǎn)生，因難以利用而成為一種工業(yè)固體廢棄物。我國(guó)是全球煤炭開采量最大的國(guó)家，煤矸石累積堆存量達(dá)到50億t，成為我國(guó)積存量和年增量最大、占用場(chǎng)地最多的工業(yè)廢棄物，帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]，在黑龍江等產(chǎn)煤大省此問(wèn)題更為突出。國(guó)外許多工程建設(shè)中已經(jīng)開始將煤矸石作為一種土工材料使用[2]；我國(guó)道路工程中應(yīng)用煤矸石的實(shí)例也隨著交通建設(shè)的推進(jìn)逐漸增多[3-4]。相關(guān)研究和工程實(shí)踐表明，在道路建設(shè)中用煤矸石作為路基填料，其強(qiáng)度完全滿足路基設(shè)計(jì)要求[5]。同時(shí)我國(guó)高速鐵路尤其是季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路，如哈牡、哈佳鐵路的建設(shè)，目前正處于快速發(fā)展時(shí)期，探究煤矸石在季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基工程中的應(yīng)用可行性，具有切實(shí)的意義。在鐵路路基修筑中利用煤矸石的相關(guān)研究和工程實(shí)踐表明摻煤矸石填料的強(qiáng)度可以滿足鐵路路基修筑的要求[6-7]?？紤]到季節(jié)性凍土區(qū)的特殊環(huán)境，摻煤矸石填料的凍脹特性是影響煤矸石應(yīng)用可行性的重要因素，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

針對(duì)寒區(qū)工程中的土體與路基凍脹問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。通常認(rèn)為粗粒土是凍脹不敏感材料[8-9]，廣泛用于路基工程。然而大量路基凍害表明，在一定條件下粗粒土也可能發(fā)生明顯的凍脹，對(duì)路基等線性工程構(gòu)成直接危害。相關(guān)研究表明，土質(zhì)、水分、溫度是造成粗粒土凍脹的主要因素。Chamberlain[10]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究方法，對(duì)粗粒土凍脹性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)分類，指出粗粒土的級(jí)配是影響其凍脹特性的重要因素。葉陽(yáng)升等[11]根據(jù)鐵路工程建設(shè)實(shí)際對(duì)鐵路路基填料的凍脹敏感性分類和路基防凍層的設(shè)置進(jìn)行了研究，提出以細(xì)粒土含量、凍前含水率和凍脹高度為指標(biāo)來(lái)表征路基填料的凍脹敏感性。以上研究表明，路基填料的凍脹特性與凍脹量不僅與填料的級(jí)配、細(xì)粒土含量相關(guān)，也受填料溫度傳導(dǎo)特性、吸水特性影響。

本文針對(duì)普通填料和摻煤矸石填料(采用煤矸石替代普通填料的相應(yīng)級(jí)配形成)，開展開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)的單向凍脹試驗(yàn)，通過(guò)比較2種填料在凍結(jié)過(guò)程中溫度傳導(dǎo)、水分遷移、凍脹量的相似性與差異性，分析摻煤矸石填料的凍脹特性，從而探究在凍土區(qū)采用摻煤矸填料作為高速鐵路路基填料的可行性。

1 試驗(yàn)儀器與填料制備

1.1 單向凍脹儀與新型馬氏補(bǔ)水瓶

圖1 單向凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)示意

試驗(yàn)使用自行研制的單向凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。通過(guò)布置相應(yīng)傳感器和數(shù)據(jù)采集儀，連續(xù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的溫度、補(bǔ)水量、凍脹量。通過(guò)合理設(shè)置馬氏補(bǔ)水瓶的高度，為試樣創(chuàng)造無(wú)壓補(bǔ)水條件。將馬氏補(bǔ)水瓶與壓差傳感器、數(shù)據(jù)采集儀相組合，形成新式馬氏補(bǔ)水瓶裝置，連續(xù)記錄馬氏補(bǔ)水瓶?jī)?nèi)液面壓力差，推算馬氏補(bǔ)水瓶中水量變化，從而連續(xù)監(jiān)測(cè)試樣在凍結(jié)過(guò)程中的吸水量。

1.2 煤矸石混合填料制備

天然煤矸石的級(jí)配連續(xù)，且主要為較大粒徑的顆粒。煤矸石的強(qiáng)度較小，在施工壓實(shí)時(shí)較大的顆粒逐漸破碎，小顆粒部分所占的比例增大，級(jí)配情況發(fā)生顯著改變，與普通路基填料的級(jí)配差別較大。因此煤矸石不能直接用作路基填料，在工程中只采用煤矸石替代普通填料中級(jí)配接近的部分。本試驗(yàn)根據(jù)煤矸石壓實(shí)后的級(jí)配分布，采用煤矸石替代高速鐵路路基B組填料中的2 mm以下粒組形成的新填料，稱為摻煤矸石填料。普通填料及摻煤矸石填料的級(jí)配見(jiàn)圖2。可知，級(jí)配曲線變化不大，可以忽略顆粒級(jí)配對(duì)填料凍脹特性的影響。

圖2 普通填料及摻煤矸石填料級(jí)配曲線

圖3 普通填料與摻煤矸石填料的擊實(shí)曲線

在凍脹試驗(yàn)中需要控制填料具有相同的壓實(shí)度，以消除路基填筑壓實(shí)的質(zhì)量差異對(duì)其凍脹特性的影響，因此進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，獲得填料的最優(yōu)含水率和最大干密度，從而控制試驗(yàn)填料的壓實(shí)狀態(tài)。

由于高速鐵路對(duì)路基填筑質(zhì)量要求較高，填料擊實(shí)試驗(yàn)采用重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。擊實(shí)曲線見(jiàn)圖3，得到試驗(yàn)用普通填料的最優(yōu)含水率為7.3%，最大干密度為2.25 g/cm3；摻煤矸石填料的最優(yōu)含水率為7.6%，最大干密度為2.13 g/cm3。

1.3 試驗(yàn)流程

首先，根據(jù)預(yù)設(shè)工況配置具有所需初始含水率的填料試樣;根據(jù)試樣筒大小，稱取在各含水率、壓實(shí)度下相應(yīng)質(zhì)量的填料，分層壓實(shí)并沿試樣高度方向每2 cm 布置1個(gè)溫度傳感器；調(diào)整馬氏補(bǔ)水瓶高度，使其水頭達(dá)到無(wú)壓補(bǔ)水需求，關(guān)閉補(bǔ)水閥門。然后，將試樣兩端面分別于暖端(試驗(yàn)儀底座)、冷端(上壓端頭)固定接觸，并布置位移傳感器，打開2臺(tái)冷浴，均設(shè)定至暖端溫度(+2 ℃)，恒溫6 h以上。通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀的顯示頁(yè)面初步觀察土體各觀測(cè)點(diǎn)溫度穩(wěn)定后，進(jìn)入試樣凍結(jié)過(guò)程，將冷端所連接的冷浴溫度設(shè)定至所需冷端溫度(-5 ℃)，打開馬氏補(bǔ)水瓶的補(bǔ)水閥門，設(shè)定數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行記錄。凍結(jié)過(guò)程持續(xù)72 h后關(guān)閉補(bǔ)水閥、數(shù)據(jù)采集儀、冷浴等，導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將試樣從試驗(yàn)儀中取出，分層切片，采用烘干法測(cè)定各層含水率。

1.4 工況說(shuō)明

影響土體凍脹特性的因素很多，包括土質(zhì)、水分、溫度、密實(shí)度、外荷載等，其中水分為最重要的因素，原位水凍脹和水分遷移是土體凍脹的主要原因。因此試驗(yàn)以初始含水率為變量，控制試樣尺寸、溫度、壓實(shí)度等其他試驗(yàn)條件，探究水分對(duì)填料凍脹特性的影響。同時(shí)通過(guò)對(duì)比普通填料與摻煤矸石填料的溫度傳導(dǎo)特性、吸水特性、凍脹量，分析2種填料凍脹特性的異同，以探究在季節(jié)性凍土區(qū)使用摻煤矸石填料的可行性。

試驗(yàn)針對(duì)普通填料和摻煤矸石填料，設(shè)置相同的溫度和補(bǔ)水條件(冷端-5 ℃、暖端+2 ℃、無(wú)壓補(bǔ)水)，初始含水率分別取2種填料的最優(yōu)含水率及其高低各2%差異的2個(gè)含水率，形成不同試驗(yàn)工況。然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和研究需求，補(bǔ)充封閉系統(tǒng)摻煤矸石填料單向凍脹試驗(yàn)。試驗(yàn)工況見(jiàn)表1，F(xiàn),M分別表示普通填料和摻煤矸石填料;O,C分別表示無(wú)壓補(bǔ)水和不補(bǔ)水條件;1,2,3為3種不同初始含水率的試樣編號(hào);Tw和Tc分別為暖端和冷端溫度。

表1 普通填料與摻煤矸石填料的凍脹特性試驗(yàn)工況

2 填料凍脹特性分析

2.1 試樣斷面溫度分布

圖4為試樣靠近冷端處溫度在試驗(yàn)過(guò)程中的變化曲線?？芍煌r下2種填料的降溫趨勢(shì)一致，降溫速率接近，最終達(dá)到的冷端溫度也基本一致。

圖4 不同工況下冷端降溫曲線

圖5為2種填料在各自最優(yōu)含水率工況下，試樣不同高度處的降溫過(guò)程?？芍?，2種填料在凍結(jié)過(guò)程中均存在溫度滯后效應(yīng)，試樣中溫度沿高度分布的變化速度和溫度梯度分布也基本相同，水分和摻入的煤矸石對(duì)填料的溫度傳導(dǎo)均無(wú)明顯影響。在凍結(jié)開始時(shí)溫度沿試樣高度分布近似為一條直線，各測(cè)點(diǎn)溫度都在恒溫溫度附近；隨凍結(jié)過(guò)程的進(jìn)行試樣溫度從暖端到冷端依次降低，并逐漸穩(wěn)定在沿高度依次遞減的斜直線左右，形成穩(wěn)定的溫度梯度；2種填料試樣在不同高度處的降溫速率和溫度梯度都很接近。由此說(shuō)明，2種填料具有相近的溫度傳導(dǎo)特性。

圖5 不同工況下試樣各點(diǎn)溫度變化

2.2 凍結(jié)深度

從圖5可以看出，凍結(jié)過(guò)程穩(wěn)定后，試樣剖面溫度近似呈線性分布，因此凍結(jié)鋒面(對(duì)于粗粒土約為0 ℃ 等溫線)穩(wěn)定后的位置主要受冷端、暖端溫度以及試樣高度影響。試樣中溫度的變化過(guò)程是影響凍結(jié)深度發(fā)展的主要因素，與溫度變化的趨勢(shì)相似。凍結(jié)鋒面在凍結(jié)過(guò)程的初期快速向下方推進(jìn)，然后推進(jìn)速率逐漸減小并最終處于某一穩(wěn)定狀態(tài)。

普通填料和摻煤矸石填料主要都由粗粒土組成，且試驗(yàn)工況含水率都較低，因此凍結(jié)溫度近似為0 ℃。對(duì)各測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行樣條插值，計(jì)算凍結(jié)過(guò)程中凍結(jié)鋒面的位置，推算出凍結(jié)深度的發(fā)展曲線，見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯趦鼋Y(jié)初期，由于土體中的溫度梯度較大，凍結(jié)鋒面快速推進(jìn)，土體凍結(jié)深度增長(zhǎng)較快，隨著凍結(jié)過(guò)程的不斷進(jìn)行，溫度梯度不斷減小，試樣中溫度分布趨于穩(wěn)定，凍結(jié)鋒面推進(jìn)的速度逐漸減小趨于0，凍結(jié)深度增長(zhǎng)趨緩并穩(wěn)定在某一數(shù)值。凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行12 h左右凍結(jié)深度趨于穩(wěn)定并接近最大值，這與前面從溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果中所得到的推斷相符。2種填料最終凍結(jié)深度隨初始含水率的變化關(guān)系一致，均為先增大后減小，在初始含水率接近最優(yōu)含水率附近時(shí)土體的最終凍結(jié)深度最大，而摻煤矸石填料的凍結(jié)深度隨初始含水率變化的差異較小，對(duì)工程更有利。

圖6 不同工況下試樣凍結(jié)深度發(fā)展曲線

2.3 水分重分布

圖7 不同工況下試樣補(bǔ)水量變化曲線

圖7為采用新型馬氏補(bǔ)水瓶系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到的試樣補(bǔ)水量變化曲線?？梢钥闯觯?種填料在凍結(jié)過(guò)程中補(bǔ)水量的變化規(guī)律基本一致。從曲線的增長(zhǎng)速率可以看出，補(bǔ)水速率可分為初期的快速補(bǔ)水階段(前24 h左右)和后期的穩(wěn)定補(bǔ)水階段。結(jié)合溫度的時(shí)程變化可以看出，凍結(jié)初期的水分遷移主要由試樣內(nèi)部的溫度梯度引起；凍結(jié)后期隨著試樣內(nèi)溫度繼續(xù)降低，某些位置的溫度低于土的凍結(jié)溫度，試樣孔隙中開始出現(xiàn)冰晶，形成凍結(jié)緣，凍結(jié)緣對(duì)下方未凍區(qū)中的水分產(chǎn)生吸力，使得水分由未凍區(qū)向凍結(jié)緣遷移，試樣補(bǔ)水量持續(xù)緩慢增加。

試驗(yàn)結(jié)束后將試樣取出，沿高度方向每2 cm切割1片，分別測(cè)得每片試樣的含水率，得到其分層含水率分布，見(jiàn)圖8。通過(guò)對(duì)比圖8(a)與圖8(b)發(fā)現(xiàn)，普通填料與摻煤矸石填料凍結(jié)后試樣中水分沿高度分布規(guī)律相似。在無(wú)壓補(bǔ)水條件下，凍結(jié)后土體中的含水率高于土樣的初始含水率，除FO3和MO3試樣在最遠(yuǎn)離冷端的位置外，試驗(yàn)過(guò)程中此位置處于未凍區(qū)，表明此處有一定的水分在凍結(jié)吸力的作用下向已凍區(qū)遷移。而不補(bǔ)水條件下的MC3試樣中，最遠(yuǎn)離冷端位置含水率降低的現(xiàn)象則更為明顯，說(shuō)明普通填料和摻煤矸石填料的持水性都很差，對(duì)水分的吸附能力弱，凍結(jié)過(guò)程中的水分分布特性表現(xiàn)出典型的粗粒土特征。從圖7和圖8可以看出，試樣的初始含水率越小，凍結(jié)過(guò)程中試樣吸水越多，凍結(jié)完成后試樣含水率與初始含水率相差越大。

圖8 不同工況下試樣分層含水率分布

此外，從圖8(b)看出，不同初始含水率的摻煤矸石填料凍結(jié)后的水分分布及含水率類似，表明煤矸石的吸水性較好，初始含水率的差異在凍結(jié)過(guò)程中被試樣吸水減弱，使得凍結(jié)穩(wěn)定后填料的狀態(tài)受初始含水率的影響較小。這與2.2節(jié)中摻煤矸石填料凍結(jié)深度受初始含水率影響較小的結(jié)果相一致。

2.4 分凝勢(shì)分析

Konard等[12]提出了冰透鏡體形成過(guò)程中的分凝勢(shì)理論，用參數(shù)“分凝勢(shì)”表示飽和土體在凍結(jié)過(guò)程中的吸水速率，可以近似定量描述飽和土凍結(jié)過(guò)程中經(jīng)過(guò)凍結(jié)鋒面的水分。非飽和土體在凍結(jié)過(guò)程中在凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)均會(huì)形成水分遷移通道，發(fā)生持續(xù)的水分遷移，因此Konard[13]針對(duì)非飽和土的凍結(jié)過(guò)程，提出了拓展的分凝勢(shì)(SPw)概念。SPw定義為凍結(jié)區(qū)在凍結(jié)鋒面附近的吸水速率vu與溫度梯度gradTf的比值，即

SPw=vu/gradTf

(1)

式中Tf為凍結(jié)溫度，本試驗(yàn)中普通填料與摻煤矸石填料均為粗顆粒土，故認(rèn)為凍結(jié)溫度近似為0 ℃。

SPw中的w用以與傳統(tǒng)飽和土的分凝勢(shì)概念相區(qū)分，因?yàn)樵诜秋柡屯恋膬鼋Y(jié)過(guò)程中，凍結(jié)區(qū)所吸收的水分只有一部分使土體產(chǎn)生凍脹變形，其余部分填入土體未飽和的空隙中，導(dǎo)致凍結(jié)區(qū)含水率提高。

本文針對(duì)普通填料和摻煤矸石填料進(jìn)行了無(wú)壓補(bǔ)水條件下的凍脹試驗(yàn)，利用新式馬氏補(bǔ)水瓶連接壓差傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)試樣在凍結(jié)過(guò)程中的吸水情況。根據(jù)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型，SPw的計(jì)算式為

(2)

式中:Vw為試樣補(bǔ)水量;t為凍結(jié)時(shí)間;Hf為凍結(jié)深度;S為試樣橫截面積。

對(duì)試驗(yàn)所得到的補(bǔ)水量(見(jiàn)圖7)和凍結(jié)深度(見(jiàn)圖6)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，得到2種填料在不同工況下的分凝勢(shì)曲線見(jiàn)圖9?？梢钥闯?，普通填料與摻煤矸石填料的分凝勢(shì)變化規(guī)律基本一致，各工況中隨著凍結(jié)過(guò)程的進(jìn)行試樣的SPw值都是先增大再減小，隨凍結(jié)過(guò)程的進(jìn)行趨于穩(wěn)定。與普通填料相比，摻煤矸石填料的SPw時(shí)程曲線的上升和下降速度均較快，峰值也更高，這是由于煤矸石吸水性更強(qiáng)，導(dǎo)熱性更好，孔隙率更小，因此凍結(jié)和吸水過(guò)程更快，這與2.3節(jié)中補(bǔ)水量的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

圖9 不同工況下試樣的分凝勢(shì)曲線

2.5 凍脹變形

圖10 不同工況下凍脹量變化曲線

圖10為利用凍脹試驗(yàn)儀布置的LVDT(Linear Variable Differential Transformer)傳感器監(jiān)測(cè)得到的凍脹過(guò)程中試樣的凍脹量。隨著凍結(jié)過(guò)程的進(jìn)行，2種填料試樣凍脹量以相近的速度發(fā)展，最終凍脹量與初始含水率有關(guān)，均呈現(xiàn)先變大后減小的規(guī)律，在接近最優(yōu)含水率的某個(gè)初始含水率條件下，試樣的最終凍脹量最大。

從圖9和圖10中分別提取各個(gè)工況最終的凍結(jié)深度和凍脹量，計(jì)算得出其最終凍脹率，見(jiàn)表2。

表2 不同工況最終凍脹率 %

對(duì)比圖10及表2可知：在無(wú)壓補(bǔ)水條件、相近的初始含水率下，摻煤矸石填料與普通填料相比，凍脹發(fā)展規(guī)律基本相同，凍脹率有所增大，但仍處于凍脹不敏感填料范圍(小于1%)。通過(guò)對(duì)比圖10摻煤矸石填料在不同工況下的凍脹量發(fā)展情況可以看出，相較于無(wú)壓補(bǔ)水條件，在不補(bǔ)水條件下隨著凍結(jié)過(guò)程的進(jìn)行試樣表面凍脹量增長(zhǎng)較快，更早趨于最終凍脹量。溫度梯度基本穩(wěn)定后，不補(bǔ)水條件下無(wú)法獲得外界水分補(bǔ)充，凍脹量基本不再增加，也導(dǎo)致封閉環(huán)境下試樣的最終凍脹率明顯小于無(wú)壓補(bǔ)水環(huán)境，與無(wú)壓補(bǔ)水條件下普通填料的凍脹量接近。此外，不補(bǔ)水條件下初始含水率的不同對(duì)摻煤矸石填料最終凍脹率的影響較大，初始含水率小的工況下?lián)矫喉肥盍系淖罱K凍脹率非常小。因此，在采用摻煤矸石填料的同時(shí)，考慮降低填料自身含水率并改善填料的排水環(huán)境，可以有效減小填料的凍脹率，使其防凍害能力達(dá)到普通填料水平。

3 結(jié)論

本文針對(duì)摻煤矸石路基填料和普通路基填料，開展了開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)的單向凍脹試驗(yàn)，主要得出以下結(jié)論：

1)凍結(jié)過(guò)程中摻煤矸石填料具有與普通填料相近的溫度傳導(dǎo)特性，摻煤矸石填料吸水性較好，較快達(dá)到穩(wěn)定；凍結(jié)穩(wěn)定后2種填料溫度、水分的分布規(guī)律相近。

2)在自由補(bǔ)水環(huán)境中，相近初始含水率條件下，摻煤矸石填料相比普通填料的凍脹量有所增加，但仍然處于凍脹不敏感填料范圍。

3)初始含水率對(duì)于摻煤矸石填料的凍脹率影響顯著，充分降低填料的初始含水率能有效減小填料的凍脹量，且相同初始含水率條件下，摻煤矸石填料在不補(bǔ)水環(huán)境中的凍脹量比自由補(bǔ)水環(huán)境顯著降低。因此，降低摻煤矸石填料的初始含水率并減少環(huán)境補(bǔ)水能有效減小填料的凍脹量，提高路基抗凍性能。

綜上，采用摻煤矸石填料的方案，在控制得到較低的填料初始含水率并進(jìn)行路基疏水處理、減少填料補(bǔ)水的條件下，能有效控制路基填料的凍脹量，使路基具有較好的抗凍性能。雖然需要進(jìn)行路基疏水、減少填料補(bǔ)水，但考慮到對(duì)廢棄煤矸石進(jìn)行利用帶來(lái)的環(huán)境和社會(huì)效益，可以得到有益結(jié)論——在凍土區(qū)采用摻煤矸石填料作為高速鐵路路基填料具有一定可行性。