孟文清 ，冀 昊 ，劉金堂 ，王 鵬 ，張亞鵬 ，崔邯龍

（1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲056038；2.河鋼集團(tuán)邯鄲鋼鐵有限責(zé)任公司，河北 邯鄲056015 ）

0 引言

隨著公路工程建設(shè)的飛速發(fā)展，我國(guó)對(duì)石材的消耗日益增多，不僅耗費(fèi)了大量的人力物力，且石料的開(kāi)采有可能造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞。煤矸石是伴隨著煤炭開(kāi)采產(chǎn)生的固體廢物，大多以堆存的方式來(lái)處理，這不但占用了土地資源，影響生態(tài)環(huán)境，而且存在坍塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患［1］。另一方面隨著鋼鐵工業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)每年都要產(chǎn)生大量的鋼渣，積存的鋼渣占用土地對(duì)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生不良影響。因此，如果能將煤矸石、鋼渣等工業(yè)固體廢棄物應(yīng)用于公路工程，不僅可以減少石材資源的開(kāi)發(fā)，還可以促進(jìn)工業(yè)固體廢棄物的大量消納，解決廢棄物的堆存問(wèn)題［2］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以煤矸石為研究對(duì)象，添加一定量的無(wú)機(jī)結(jié)合材料，制備成煤矸石混合料，依托工程應(yīng)用實(shí)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(yè)固廢，其密度大，強(qiáng)度較高，將其作為道路材料可進(jìn)一步提高基層承載力，降低工程建設(shè)成本［7－9］。本文以煤矸石為主要研究對(duì)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(guò)均勻設(shè)計(jì)，研究煤矸石混合料的力學(xué)性能與混合料各摻量之間的關(guān)系，旨在為工程實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1） 煤矸石： 選用邯鄲市峰峰礦區(qū)自燃煤矸石，以頁(yè)巖為主，外觀呈紅褐色，破碎過(guò)31.5 mm篩，級(jí)配曲線如圖1 所示，化學(xué)組成和物理性質(zhì)見(jiàn)表1 和表2。

圖1 煤矸石級(jí)配曲線Fig.1 Grading curve of gangue

表1 煤矸石化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of coal gangue

表2 煤矸石物理性質(zhì)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(shuō)明在適當(dāng)?shù)臏囟燃皾穸葪l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(qiáng)度。由表2 可知，所選煤矸石各項(xiàng)物理指標(biāo)均滿足（JTG／T F20－2015）《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》［11］，可應(yīng)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(shù)Cc為2.45，在1～3 范圍內(nèi)，說(shuō)明集料粒徑齊全，連續(xù)分布。不均勻系數(shù)Cu為29.10＞5，說(shuō)明粒料分布不均勻，其中大粒徑顆粒較多，細(xì)顆粒較少，因此，在材料組成設(shè)計(jì)時(shí)，可選用煤矸石充當(dāng)混合料的骨架。

（2） 石灰： 選用武安市鈣質(zhì)的石灰粉，有效氧化鈣和氧化鎂含量36%，低于三級(jí)鈣質(zhì)石灰的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于等外石灰，從強(qiáng)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(xì)鋼渣，粒徑為0～5 mm，外觀呈灰黑色，質(zhì)地松散不黏結(jié)，表觀密度2.84 g·cm－3，浸水膨脹率1.63%＜2%，滿足路用鋼渣穩(wěn)定性要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)均勻設(shè)計(jì)的原理［12］，對(duì)煤矸石混合料的原材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。依據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)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(zhì)量百分比宜在3%～12%之間?；旌狭吓浜媳仁遣捎靡悦喉肥|(zhì)量為基準(zhǔn)的基準(zhǔn)配合比方式，即各原材料的摻入量為相對(duì)摻入煤矸石質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)（煤矸石： 石灰： 鋼渣＝1：x1：x2）； 設(shè)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(shè)計(jì)表U?6（64），配合比方案見(jiàn)表3。

表3 煤矸石混合料均勻設(shè)計(jì)配合比Table 3 Uniform design mix ratio of coal gangue mixture

1.3 試驗(yàn)方法與條件

按照J(rèn)TG E50－2009［17］《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，根據(jù)不同的配合比設(shè)計(jì)，對(duì)煤矸石混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，進(jìn)行7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、180 d 抗壓回彈模量及180 d 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖2 所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

圖2 力學(xué)性能試驗(yàn)過(guò)程Fig.2 Test process of mechanical properties

表4 煤矸石混合料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of mechanical properties of coal gangue mixture／MPa

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)用MATLAB R2020a，基于7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（見(jiàn)表4），以石灰摻量x1、鋼渣摻量x2為自變量，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc為因變量，進(jìn)行多項(xiàng)式逐步回歸，建立煤矸石混合料各摻量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的回歸分析模型：

煤矸石混合料各摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響曲線如圖3 所示。

圖3 煤j 矸石混合料摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(fù)相關(guān)系數(shù)R2＝0.9858，顯著性分析結(jié)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(guān)性，故回歸方程顯著。

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

式（1） 對(duì)x1求偏導(dǎo)，

詩(shī)人、作家、評(píng)論家張修林在《談文人》一文中對(duì)“文人”作如下定義：文人是指人文方面的、有著創(chuàng)造性的、富含思想的文章寫(xiě)作者（張修林2009）。文人話語(yǔ)的典型文本是文人所做的詩(shī)文書(shū)畫(huà)，包括記錄日常生活“痕跡”的日記、游記等。作為一個(gè)受中國(guó)文化影響的文人，芥川在《中國(guó)游記》的話語(yǔ)表述中，不乏自然風(fēng)光的詩(shī)意書(shū)寫(xiě)。如在蘇州游記中，芥川單獨(dú)列出一個(gè)小節(jié)描寫(xiě)蘇州的美麗景致，題名就叫“蘇州的水”。蘇州之水激發(fā)了他創(chuàng)作的靈感，使他寫(xiě)下三大段優(yōu)美文字。其中一段如下：

由式 （2） 可知，鋼渣摻量x2∈ ［0.100，0.450］，當(dāng)石灰摻量x1∈［0.040，0.098） 時(shí)，，抗壓強(qiáng)度Rc隨著石灰摻量x1的增加由1.8 MPa 增 加 到3.5 MPa； 當(dāng) 石 灰 摻 量x1∈（0.098，0.160］ 時(shí)，，抗壓強(qiáng)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(jiàn)，石灰摻量過(guò)高，對(duì)混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。這是由于過(guò)量的石灰水化反應(yīng)生成的Ca （OH）2會(huì)和空氣中的CO2發(fā)生碳酸化作用形成 CaCO3。該反應(yīng)所提供的強(qiáng)度比Ca （OH）2的結(jié)晶作用和火山灰反應(yīng)所提供的強(qiáng)度要低。

式（1） 對(duì)x2求偏導(dǎo)，

由式 （3） 可知，石灰摻量x1∈ ［0.040，0.160］，當(dāng)鋼渣摻量x2∈［0.100，0.450］時(shí)，抗壓強(qiáng)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(jī)械壓實(shí)的作用下，混合料的骨架結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)度也隨之提高。

2.2 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行多項(xiàng)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(duì)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(duì)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(fù)相關(guān)系數(shù)R2＝0.9990，顯著性分析結(jié)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(guān)性，故回歸方程顯著性較好。

式（4） 對(duì)x1求偏導(dǎo)，

2.3 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度Ri為因變量，進(jìn)行多項(xiàng)式逐步回歸，建立煤矸石混合料各摻量與劈裂強(qiáng)度的回歸分析模型：

煤矸石混合料各摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響曲線如圖5 所示。

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

在回歸模型中，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2＝0.9926，顯著性分析結(jié)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(guān)性，故回歸模型顯著。

由圖5 可以看出，鋼渣摻量x2在給定區(qū)間內(nèi)，隨著石灰摻量x1的增加，劈裂強(qiáng)度Ri先增加后減?。?石灰摻量x1在給定區(qū)間內(nèi)，隨著鋼渣摻量x2的增加，劈裂強(qiáng)度逐漸減小。

式（7） 對(duì)x1求偏導(dǎo)，

劈裂強(qiáng)度則降低。

2.4 力學(xué)性能綜合分析

通過(guò)上述對(duì)煤矸石混合料基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究，得出了混合料三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)范圍。7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到3.5 MPa，接近水泥穩(wěn)定類(lèi)無(wú)機(jī)結(jié)合料強(qiáng)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(qiáng)度為0.4～0.7 MPa，兩者均達(dá)到了石灰土和石灰土碎石材料的設(shè)計(jì)參數(shù)水平［17］。結(jié)合回歸模型（1）、（4）、（7） 計(jì)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(duì)不同等級(jí)公路，設(shè)計(jì)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(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 5 Lime－steel slag－coal gangue mixture road indicators design parameters

3 結(jié)論

（1） 采用多項(xiàng)式逐步回歸的方法，得出了混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量和劈裂強(qiáng)度的回歸方程，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，表明混合料各摻量與三項(xiàng)力學(xué)性間存在很大相關(guān)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(duì)三項(xiàng)力學(xué)性能的影響： 鋼渣摻量在給定區(qū)間內(nèi)，隨著石灰摻量的增加，混合料的三項(xiàng)力學(xué)性能呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)； 石灰摻量在給定區(qū)間內(nèi)，隨著鋼渣摻量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增加，抗壓回彈模量先增加后減小，劈裂強(qiáng)度逐漸減小。

（3） 根據(jù)回歸試驗(yàn)結(jié)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(duì)不同等級(jí)公路，給出了相應(yīng)的配合比范圍，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。