油页岩废渣—粉煤灰复合改良黏土力学特性试验研究

（信阳市平桥区公路管理局，河南 信阳 464000）

我国作为油页岩储量大国[1-5]，却随着油页岩开采和利用量逐渐增大，导致产生的废渣不断增加。由于废渣附加利用价值低，常将废渣弃置于附近土地，不仅占用大量土地、污染土地与地下水，也不利于实现经济可持续发展[4-5]。而路基填筑过程中需要大量良好工程性能的石料或改良土，对此若将油页岩废渣与土合理结合并填筑路基，既减少了油页岩废渣对生态环境的破坏，又缓解了路基填料供应问题，创造了良好的生态效益与经济效益。目前，对于粉煤灰应用于路基土已取得了较多研究成果和实践经验[6-11]，对于油页岩废渣掺入路基土中研究较少。鉴于此，笔者依托吉林某地区路基工程，以油页岩废渣-粉煤灰复合改良黏土（简称“复合改良土”）为研究对象，采用平行试验设计方法，分析油页岩废渣、粉煤灰掺量对改良黏土CBR、7d无侧限抗压强度的影响规律，选定复合改良土最优配合比；按最优配合比成型试件，对复合改良土抗剪强度和抗压强度进行研究。

1 原材料与研究方案

1.1 原材料

黏土取自松原某路基取土场，其物理性质见表1。油页岩废渣和粉煤灰分别取自汪清县罗子沟和松原某热电厂，化学成分见表2。油页岩废渣颗粒组成见表3。

表1 黏土物理性质Table 1 Physical properties of clay

表2 油页岩废渣和粉煤灰化学成分Table 2 Chemical constituents of oil shale waste residue and f ly ash

图1 油页岩废渣掺量～复合改良土CBR关系Fig. 1 CBR relation of oil shale waste residue to composite modif ied soil

表3 油页岩废渣颗粒组成Table 3 Particle composition of oil shale waste residue

1.2 研究方案

（1）复合改良土配合比设计

采用平行试验设计方法，研究油页岩废渣掺量A、粉煤灰掺量B对复合改良土CBR和7d无侧限抗压强度影响规律，并选定油页岩废渣-粉煤灰改良土最优配合比。油页岩废渣掺量为油页岩废渣干质量与黏土干质量百分比，粉煤灰掺量为粉煤灰干质量与黏土干质量百分比。按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）重型击实试验法确定的最佳含水率和压实度90%的要求，采用击实法成型CBR试样，尺寸为Φ100×h127mm，试验前试样泡水4昼夜，每组实验采用3个平行试件；采用静压法成型尺寸为Φ100×h100mm无侧限抗压强度试样，试样成型完毕后，放入温度（20±2）℃，湿度95%的标准养护室养生，养生最后一天放入清水中浸泡一昼夜，仪器采用液压伺服万能试验机WAW-100，每组试验采用6个平行试件。

（2）复合改良土力学特性

结合现场路基压实水平，按最优配合比成型试件，研究含水率对复合改良土力学强度影响规律，提出施工含水率指导意见。拟含水率为10.8%、11.8%、12.8%、13.8%、14.8%，压实度为90%、93%、96%、98%，三轴压缩试样养生龄期为7d，无侧限抗压强度试样养生龄期为7d、14d、28d、60d、90d。三轴压缩试验中，采用击实法成型试件，尺寸为Φ61.8×h125mm，拟采用不固结不排水试验方法，围压分别为100KPa、200KPa、300KPa，仪器选用应变控制式三轴压缩仪；试验中，拟剪切速率为0.8mm/min，当测力计读数出现峰值或剪切位移达到轴向应变的15%～20%后，停止试验。无侧限抗压强度试验方法同上。

2 试验结果及分析

2.1 配合比设计

2.1.1 CBR试验

复合改良土CBR试验结果见图1～图2所示。

图2 粉煤灰掺量～复合改良土CBR关系Fig. 2 CBR relation of f ly ash content to composite modif ied soil

由图1～图2可知：

（1）黏土掺入适量油页岩废渣和粉煤灰后，其CBR得到显著改善，且满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）路基填料设计要求。

（2）粉煤灰掺量一定时，复合改良土CBR随油页岩废渣掺量增加呈线性增长。当油页岩废渣掺量每增加5%，改良土CBR平均提高20%。另外，粉煤灰掺量25%、油页岩废渣掺量25%的改良土CBR与粉煤灰掺量20%、油页岩废渣掺量30%改良土CBR相当，且粉煤灰掺量25%、油页岩废渣掺量30%的改良土CBR与粉煤灰掺量20%、油页岩废渣掺量35%改良土CBR相当，说明一定范围的油页岩废渣、粉煤灰掺量对复合改良土CBR改善效果相近。

（3）油页岩废渣掺量一定时，复合改良土CBR随粉煤灰掺量增加抛物线趋势变化。当粉煤灰掺量为25%时，CBR取得峰值；当粉煤灰掺量从15%增加到25%，改良土CBR平均提高37%，而25%、30%油页岩废渣掺量改良土CBR分别提高61%、42%；粉煤灰掺量从25%增加到30%，改良土CBR平均降低4%，说明粉煤灰掺量30%的复合改良土CBR大于同一油页岩废渣掺量的粉煤灰掺量20%改良土CBR。

2.1.2 7d无侧限抗压强度试验

复合改良土7d无侧限抗压强度试验结果如图3～图4所示。

图3 油页岩废渣掺量～复合改良土抗压强度关系Fig. 3 Compressive strength relationship between oil shale residue content and composite improved soil

图4 粉煤灰掺量～复合改良土抗压强度关系Fig. 4 The relationship between f ly ash content and compressive strength of composite improved soil

由图3～图4可知：

（1）粉煤灰掺量一定时，复合改良土抗压强度随油页岩废渣掺量增加呈线性增长，且抗压强度增长明显。当油页岩废渣掺量每增加5%，各粉煤灰掺量改良土抗压强度分别约提高14%、12%、13%、13%，说明油页岩废渣掺量对各粉煤灰掺量改良土抗压强度影响作用基本一致。

（2）油页岩废渣掺量一定时，复合改良土抗压强度随粉煤灰掺量增加呈抛物线趋势变化，先增大后减小。当粉煤灰掺量为25%时，改良土抗压强度最大，当粉煤灰掺量从15%增加到25%，改良土抗压强度平均提高25%；当粉煤灰掺量从25%增加到30%，改良土抗压强度平均降低6%。说明适量粉煤灰掺量有利于改良土抗压强度提高。

对此，结合工程造价及改良土配合比设计结果，建议油页岩废渣掺量为30%，粉煤灰掺量为25%。

2.2 力学特性

2.2.1 三轴压缩试验

油页岩废渣掺量30%、粉煤灰掺量25%改良土三轴压缩试验结果如图5所示。

图5 含水量～复合改良土抗剪强度参数关系Fig. 5 Shear strength parameter relation of moisture content to composite modif ied soil

由图5可知，压实度一定时，复合改良土内摩擦角随含水率提高呈抛物线趋势变化，先增大后减小，内摩擦角在含水率11.8%处取得峰值；粘聚力随含水率提高逐渐降低，且降低速率不断减小，说明施工含水率大于室内最佳含水率，改良土抗剪性能下降。当含水率从11.8%增加到14.8%，改良土内摩擦角约平均降低了16%，含水率10.8%、12.8%改良土内摩擦角分别约为含水率11.8%改良土内摩擦角的96%、95%；含水率从10.8%增加到12.8%，改良土粘聚力约降低了50%，对此，考虑改良土填筑路基过程中水分损失及施工工艺，建议施工含水率为12.8%～13.8%。

2.2.2 无侧限抗压强度

油页岩废渣掺量30%、粉煤灰掺量25%改良土无侧限抗压强度试验结果如图6所示。

图6 含水率～改良土无侧限抗压强度关系Fig. 6 The relationship between water content and unconf ined compressive strength of improved soil

由图6可知：

（1）一定压实度的复合改良土养生至规定龄期，其抗压强度随含水率增加呈线性降低，且含水率对改良土抗压强度影响显著。当含水率每增加1%，各龄期抗压强度平均降低23%，且含水率12.8%、14.8%改良土抗压强度分别约为含水率10.8%改良土抗压强度的66%、37%。另外，压实度90%改良土抗压强度降低速率明显大于其他压实度改良土。

（2）压实度与含水率一定时，复合改良土早期强度增长速度明显快于后期，其7d抗压强度分别约为28d、90d抗压强度的75%、62%，28d抗压强度约为90d抗压强度的84%。对此，路基压实过程中应严格控制路基压实水平，并加强路基土早期养护。

3 结论

（1）一定粉煤灰掺量复合改良土CBR、无侧限抗压强度随油页岩废渣掺量增加呈线性增长，每增加5%油页岩废渣掺量，CBR、抗压强度平均提高20%、13%；一定油页岩废渣掺量复合改良土CBR、无侧限抗压强度随粉煤灰掺量增加抛物线趋势变化，均在粉煤灰掺量25%处取得峰值，且粉煤灰掺量30%的复合改良土CBR大于同一油页岩废渣掺量的粉煤灰掺量20%改良土CBR。对此，建议油页岩废渣掺量为30%，粉煤灰掺量为25%。

（2）油页岩废渣掺量30%、粉煤灰掺量25%改良土内摩擦角在含水率11.8%处取得峰值，含水率10.8%、12.8%改良土内摩擦角分别约为含水率11.8%改良土内摩擦角的96%、95%，且含水率从10.8%增加到12.8%，改良土粘聚力约降低了50%。对此，建议施工含水率为12.8%～13.8%。

（3）含水率对油页岩废渣掺量30%、粉煤灰掺量25%改良土抗压强度影响显著，抗压强度随含水率增加呈线性降低，含水率每增加1%，各龄期抗压强度平均降低23%，且压实度90%改良土抗压强度降低速率大于改良土抗压强度降低速率平均水平；复合改良土早期强度增长速度明显快于后期，7d、28d抗压强度分别约为90d抗压强度75%、84%。对此，建议加强路基早期养护。