梁静静（中国建筑材料工业地质勘查中心新疆总队，新疆 乌鲁木齐 830000）

关键字：地基处理；房屋建筑；煤矸石；水泥土

1 介绍

房屋建筑工程项目中地基是其最底层的土层结构，承受着房屋建筑上部所有的重力负荷。在房屋建筑施工过程中，地基处理具有多样化的特点。随着城市化进程的加快，城市建设项目数量增多，地基结构施工的质量将直接决定建设项目安全性。地基处理作为房屋建筑施工中的关键环节，不仅关系着房屋建筑质量，对于居民的人身财产安全也具有重要影响[1]。

房屋建筑施工过程中，造成地基出现问题的原因主要集中在混凝土结构出现裂缝、地基结构施工品质差以及施工建材质量不达标等方面。针对以上问题，现阶段主要的处理措施为在对地基结构加固处理时采用土钉墙支护技术、基坑支护技术；在地基结构基础工程的施工阶段，运用抛石挤淤技术、粉喷桩技术来增强建筑结构的安全稳固性；使用强夯法这项施工技术对地基结构做出夯实处理，以此来提高地基的稳固性；高性能的地基处理建筑材料能够提高承载能力和耐久性[2-4]。本文主要探索一种更有效地利用煤矸石进行地基处理的方法。

2 原材料

2.1 黏质土壤

黏土是从某高原的矿山站获得的，本程序是用烘箱将土壤烘干，烘干前后用比重计测量其质量，以含水量作为质量变化计算。结果表明，黏性土的含水量为15.3%。根据标准GB/T50145-2007《土的工程分类标准》，进行了土的限液试验和限塑试验，确定了Wp和Wl的指标。

则塑性指数可计算如下：

式中IP-为塑性指数；WP-为液限；WP-是塑限。

黏性土的塑性指数为15.9，说明黏性土具有较好的塑性。含82%粉土和18%砂土的不均匀度系数(Cu)和曲率系数(Cc)分别为1.927和85.365。均匀性系数(Cu)越高，土壤粒径范围越大。曲率系数在0.5～2.0之间为良好级配土。因此，黏性土有足够的细粒来填充粗粒之间的空隙，使土壤致密。

2.2 煤矸石

本次试验选取了华北地区的煤矸石，直径范围为4.75mm～31.5mm，其化学成分如表1所示，主要物质为SiO2和Al2O3。在岩石点加载试验的基础上，研究了煤矸石的单轴抗压强度。为确定酸腐蚀的影响，按JGJ 52-2006标准对酸腐蚀处理前后的破碎指标进行了测试，其差异反映了其抗酸腐蚀的能力。试验采用酸性溶液(pH为1.5±0.5)浸泡煤矸石90d的酸处理方法。

表1 水泥、黏土、煤矸石的化学成分/%

2.3 硅酸盐水泥

硅酸盐水泥(PO42.5)取自某水泥有限公司。水泥的比表面积为367m2/kg。初凝时间为115min，终凝时间为185min。用X射线荧光分析仪(XRF)测定了水泥对应的化学成分，结果见表1。

3 试验程序

3.1 配合比设计

在本次配合比设计中考察了水土比、水灰比、矸石率等几个因素。水土质量比为14.3%～50%，矸石含量为25%～67%，水灰质量比为0.8～1.2。表2为煤矸石增强水泥土混合料(CGRCS)的配合比。

表2 水泥土混合料(CGRCS)的配合比

3.2 样品制备

首先将黏土、水泥和煤矸石按照混合物的混合比例在强制式搅拌机中混合，再加入水，连续混合6min。将混合物倒入300mm×100mm×100mm和100mm×100mm×100mm两种配置的模具中，人工锤击压实30次。固化3d后，将CGRCS从模具中取出，放入标准养护室进行养护直至测试。

3.3 抗压强度

在养护龄期分别为7d、28d和60d分别测试试样的抗压强度，混凝土强度在28d可达到最终强度的90%，但准确的最终强度仍难以预测。加载速度设为0.1kN/s。该试验机的最大量程为500kN。对于每个配合比，测试3个立方体试件，得到平均抗压强度。

3.4 弹性模量

试件弹性模量的数据记录和试验程序均符合国家标准GB/T50081-2009，CGRCS样本分别于28d和84d进行检测。

3.5 显微分析

用扫描电镜(SEM)对试样的微观结构和水化产物进行了观察。在观察前，通过离子溅射仪将铂附着在样品表面，防止样品表面电荷聚集。

3.6 应力-应变曲线

应力-应变曲线由压缩试验机进行压缩试验得到。在试件附近放置高精度激光位移传感器，并连接计算机进行数据记录，测量变形位移，在整个加载过程中，用激光位移传感器记录位移。当应变达到0.5%或载荷达到一个稳定值时，试验结束。

3.7 耐酸碱腐蚀

从每种CGRCS混合物中选取两个试样进行酸腐蚀试验。标准养护28d后，这些样品在水中浸泡4d达到饱和，然后，对于每种混合物，一个标本浸泡在pH为1～2的硝酸溶液中，另一个标本浸泡在水中作为对照组。浸泡28d后，分别测定各试样的弹性模量和质量，对试样的酸损表面进行记录。140d后，按国家标准GB/T50081-2002进行轴向抗压强度测试。为分析不同配合比在消除养护龄期影响下的抗酸腐蚀性能，本研究采用相对弹性模量、质量损失率和强度损失系数来反映抗硝酸腐蚀性能。

4 结果与讨论

4.1 抗压强度

图1为不同配比的CGRCS试件在不同养护龄期的抗压强度。试样的抗压强度随煤矸石掺量的增加而增加；在煤矸石掺量为25%时，养护28d后强度达到3.1MPa。煤矸石百分比在25%～42%范围内，强度提升不明显。而当煤矸石掺量为42%～67%时，由于煤矸石骨架的形成，煤矸石掺量显著增加，线性度极好。当煤矸石含量低于42%时，煤矸石骨料颗粒分散分布，不能形成连续的骨架。

图1 不同配比的CGRCS试件在不同养护龄期的抗压强度

此外，抗压强度随水灰比的增加而降低，如图1(b)所示。在所有养护龄期，当水灰比增加到1.2时，抗压强度降低约0.18MPa。水灰比的增加对抗压强度有两方面的负面影响，增加试件孔隙率，降低硬化水泥浆体及混合料强高的硅钙比，使晶体形成更多的接触点，提高强度。

4.2 弹性模量

弹性模量是水泥土在实际应用中的一个重要参数，它可以预测混凝土卸荷时的变形变化和评价压实率。养护28d和养护60d后的弹性模量变化趋势与抗压强度变化趋势相似。养护28d时，随着煤矸石掺量的减少，弹性模量逐渐减小。当煤矸石掺量低于50%时，28d弹性模量低于7.5GPa。当水灰比大于1.0时，模量变化较小,如图2所示。

图2 不同煤矸石掺量的CGRCS弹性模量

4.3 抗酸腐蚀测试

在实际应用中，深层地基中埋有既有水层，呈酸性。耐酸碱腐蚀性能优良是水泥土混合物的基本性质。酸蚀过程中CGRCS的表面演变分为三个阶段，养护28d外表面开始出现大小不一的气孔；养护56d后，孔隙扩展，裂纹开始出现，裂纹延伸至孔隙并逐渐连通；浸泡140d后，表面裂纹继续扩大延伸，内部集料暴露，如图3所示。

图3 不同龄期的CGRCS在硝酸腐蚀下的表面损伤

4.4 抗压应力-应变曲线

与胶结土颗粒相比，煤矸石在界面过渡区周围的裂缝较少，水泥水化产物几乎没有裂缝。这是由于水泥水化产物的强度最高，煤矸石周围的界面区相对疏松。煤矸石含量差异对应力应变影响较小，上升趋势很明显，并逐渐稳定地达到最高点。峰值后，逐渐下降，趋于稳定的应力水平，如图4所示。

图4 不同配合比的CGRCS压缩应力-应变曲线

4.5 微观结构表征

为了解煤矸石水泥土的性质、组成与微观结构之间的关系并阐明其关系机理，采用扫描电子显微镜(SEM)对水泥土混合料的微观结构进行分析发现煤矸石对CGRCS的性能有显著影响。观察煤矸石与水泥土基质之间的界面过渡区，在破坏过程中，当混合料遭受持续增加的荷载时，胶结土的破坏比煤矸石的破坏更优先。

5 结语

结果表明，煤矸石能显著增强水泥土混合料的力学性能和耐久性；掺入煤矸石能有效改善水泥土混合体的力学性能。煤矸石掺量大于42%时，形成骨架结构，抗压强度和刚度显著提高；酸浸140d后，在酸蚀条件下，虽然煤矸石不能被水化产物填充，但煤矸石仍能保持比土壤更高的完整性。当煤矸石掺入CGRCS作为骨料时，尤其是在煤矸石掺量超过50%的最佳配合比下，能显著提高混凝土的力学性能和耐久性。

地基处理施工技术既是房屋建筑的基础，也是房屋建筑进行后续施工的重要保障[5]。研究了用煤矸石加固水泥土混合料的可行性。利用煤矸石加固软土地基是一种很好的支撑方式，这种方法实现了可持续发展和社会责任的建筑实践。