水稳煤矸石在道路底基层应用的试验研究

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(山西交通职业技术学院 工程管理系，山西 太原 030031)

引言

随着我国对煤炭的大量开采，煤矸石的数量也在不断增加，严重污染了环境，危害着人们的健康。随着环境保护意识的增强，各种工业废渣的利用问题已受到人们的普遍重视。对于煤矸石的环境治理，目前国内外主要从两个方面加以解决：一是采用一定的措施控制煤矸石山的物化作用；二是对煤矸石进行综合利用[1]，其中将煤矸石用于道路水稳底基层是一条合适的途径。

我国目前利用煤矸石筑路还处于试验阶段，尚无一套成熟的经验。因此，有必要对煤矸石的物理力学特性进行分析与研究。本文通过对当地煤矸石进行室内和室外试验，验证了煤矸石作为道路底基层材料的可行性。

1 煤矸石路面基层强度的形成机理

1.1 煤矸石的化学组成

煤矸石是煤矿地下工程开挖的固体废弃物，来自于煤系地层，是含炭质岩石和其他岩石组成的混合物。煤矸石主要有两种：一种是未自燃的，外观呈黑褐色；另一种是由于存放时间较长，其中的可燃成分自燃以后，形成了浅红色或白灰色的自燃煤矸石。煤矸石的化学组成主要有SiO2、Al2O3和Fe2O3。此外，还含有少量钙、镁、钾、钠等的氧化物和碳，性质比较稳定，是一种惰性材料，内部反应程度较弱，容易风化破碎[2]。

1.2 煤矸石路面基层强度的形成机理

煤矸石混合料基层是以煤矸石为骨料，以消解石灰为粘结料，以粉煤灰为掺合料，加水拌和均匀的混合材料。煤矸石骨料空隙和表面被石灰、粉煤灰及煤矸石粉末裹覆和填充，经过机械压实后，空隙大大缩小，由于煤矸石颗粒之间的嵌锁作用和结合料的粘结作用，产生一定的初期强度；另外，由于粉煤灰和煤矸石粉末中含有硅、铝、铁、钙、镁等氧化物，在适当的水分和温度条件下，能与Ca(OH)2发生火山灰效应，主要生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，呈凝胶状态或纤维状结晶体，使煤矸石颗粒之间的粘结力增强。随着龄期的增长，这些水化物日益增多，使煤矸石混合料基层获得越来越大的抵抗荷载作用的能力。煤矸石混合料基层的主要化学反应如下[3]：

CaO+H2O→Ca(OH)2

(1)

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

(2)

XCa(OH)2+SiO2+mH2O→XCaO·SiO2·mH2O

(3)

YCa(OH)2+Al2O3+nH2O→YCa(OH)2·Al2O3·nH2O

(4)

2 室内试验

2.1 煤矸石的颗粒组成

路基材料的级配是保证压实的重要指标。煤矸石在开挖、运输和堆放过程中受到风化作用，颗粒大小不一，具有一定的级配。表1为煤矸石原材料的筛分试验结果。

表1 煤矸石的筛分试验结果

从筛分结果来看，煤矸石中的小颗粒含量较高。对照规范[4]，2.36 mm筛孔的含量稍超出级配范围。

2.2 液塑限试验

对煤矸石进行液塑限试验，测得液限WL=41.7，塑限Wp=18.5，塑性指数Ip=23.2。

2.3 煤矸石混合料的试验结果

由于当地土资源比较匮乏，而石料比较丰富，所以考虑用石粉来代替土作为细集料。通过试验，10%的石粉和90%的煤矸石外掺6%的水泥，其强度可达到3.7 MPa，完全满足强度要求。表2是煤矸石掺土或石粉与不同剂量水泥后的试验结果。

表2 煤矸石掺土或石粉与不同剂量水泥后的试验结果

由于煤矸石的筛分试验中2.36 mm筛孔的含量稍超出级配范围，所以掺入一定量的石粉来改善其级配。对掺入10%石粉的煤矸石进行液塑限试验，测得液限WL=37.4，塑限Wp=22.9，塑性指数Ip=14.5。可以看出，其液限以及塑性指数较煤矸石有所减小。

试验测得的压碎值为29.1%，符合技术规范的要求(压碎值≯30%)。

2.4 击实试验与CBR试验

对掺入10%石粉的煤矸石做击实试验，求得其最大干密度为1.97 g/cm3，最佳含水量为11.2%。通过CBR试验[5]测得的CBR值非常高，远远大于设计值，并且膨胀量为零，满足技术要求。

2.5 无机结合料滴定试验

通过无机结合料滴定试验，测定水泥剂量消耗的EDTA体积见表3。

表3 不同剂量水泥的EDTA消耗量

2.6 水稳煤矸石底基层试验段试验

水稳煤矸石底基层试验段的配合比为：石粉∶煤矸石(质量比)=10∶90，设计无侧限抗压强度为2.0 MPa，实测强度为2.9 MPa，由于掺加6%的水泥强度高于设计值很多，所以建议试验段水泥掺配比例为5.5%。最大干密度为1.97 g/cm3，最佳含水量为11.2%。

3 施工工艺

煤矸石中含有硫和钙成分，水泥中也含有大量钙的化合物，遇水容易与硫酸盐反应形成CaSO4。虽然盐类有助于水稳成型，但由于易溶于水，盐的流失直接影响其强度。所以，在施工过程中必须在路基两侧用土路肩进行封闭。

4 室外试验

4.1 无侧限强度试验

随着施工的进行，对每天的煤矸石无机结合料抽检并做试件进行强度检测。对2012年4月30日和5月30日的煤矸石无机结合料留样，并进行其不同龄期的无侧限强度试验。从无侧限试验结果来看，随着龄期的增加其强度在不断地提升并且逐渐趋于稳定状态。

4.2 抽检强度

该工程设计强度为2.0 MPa，压实度要求96%。抽查10个强度数据的平均值为3.1 MPa，并且每组的平均值均大于其评定值，强度满足设计要求。另外，现场检测压实度平均值达到97.5%，评定值为97.2%，检测结果也满足要求。对4月30日摊铺的段落，在5月7日进行了钻芯试验，试验结果证明煤矸石成型完好密实。

4.3 综合评价

对试验段进行现场观察，铺筑水稳煤矸石底基层已有几个月的时间，由于运料车往返碾压，除表面稍有松散外，未发现有任何病害；从弯沉来看，不做水稳煤矸石的路基平均弯沉为80.9 mm，已做水稳煤矸石底基层的弯沉为39.1 mm，说明其物理力学性能较好，完全满足一级路底基层的要求[6]。

5 结论

5.1 煤矸石的塑性指数可通过掺配石粉予以改善，压碎值没有超过规范规定的30%，膨胀量为零。参照规范[7]，如果级配不好，可通过粉碎机粉碎并过筛，煤矸石底基层强度可控制在1.5～2.5 MPa。水泥剂量采用5%～6%，水泥采用初凝和终凝时间较长的32.5 MPa水泥。

5.2 煤矸石作为公路工程底基层材料的优点是：在有水的条件下可以生成盐填充于内部的空隙，使结合料结合得更加紧密，有助于水稳的成型，而且可以解决废物利用问题。

5.3 煤矸石用作公路工程底基层材料的缺点是：煤矸石裸露在空气中容易风化，在有流动水的作用下可以溶解早期形成的盐，并将之带走，使结合料失去结合作用的盐而导致呈不稳定状态。

5.4 煤矸石用作道路底基层材料的实践表明，不仅可提高道路质量，降低工程造价，而且解决了环境污染及占地问题，但其稳定性还有待于进一步研究。

参考文献：

[1] 蒋爱良.煤矸石的组成特征及利用途径[J].中国煤炭，2000，26(3)：25-27.

[2] 刘春荣，宋宏伟，董斌.煤矸石用于路基填筑的探讨[J].中国矿业大学学报，2001，30(3)：294-297.

[3] 何上军.煤矸石作路面基层材料的探讨[J].铁道工程学报，1999(1)：114-117.

[4] JTG E42—2005，公路工程集料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2005.

[5] JTG E40—2007，公路土工试验规程[S].北京：人民交通出版社，2007.

[6] JTG F80/1—2004，公路工程质量检验评定标准(土建工程)[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7] JTJ 034—2000，公路路面基层施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2000.

Abstract：For the engineering properties of coal gangue，the present research states the formation mechanism of coal gangue highway subbase lays strength and leading indicators of coal gangue being used as highway subbase lay material.Combined with practical engineering，this essay demonstrates the feasibility of coal gangue being used as highway subbase lay material，and puts forward problems and matters needing attention in construction application.

Key words：coal gangue；cement stabilized coal gangue；highway subbase lay；orthogonal experiment