煤矸石在高等级道路基层中的应用

2022-07-12刘逢涛杨杰

交通世界 2022年13期

刘逢涛，杨杰

（1.中建路桥集团有限公司，河北邯郸 056000；2.中路高科（北京）公路技术有限公司，北京 100088；3.公路建设与养护新材料技术应用交通运输行业研发中心，北京 100088）

0 引言

我国煤炭资源丰富，开采量和使用量均位居世界前列。煤矸石是在煤炭开采和洗煤过程中产生的一种黑色固体废渣。据统计，煤矸石现有堆积量巨大，我国煤矸石山1 600余座，堆积量30亿吨，煤矸石的随意堆放占用大量耕地、污染环境及地下水，长期堆放的煤矸石山一旦自燃，将产生大量烟雾，对人民身体健康产生巨大危害[1-3]。将煤矸石变废为宝、二次利用成为亟需解决的问题。与此同时，诸多学者通过试验研究发现，煤矸石质地较为坚硬、表面棱角丰富、化学成分复杂，具有一定的工程应用价值。邱玉[4]在不连续级配的煤矸石中加入煤矸石细料，发现可将其用于路基填筑，以二灰对其进行稳定，可用于道路基层。夏政[5]以淮北天然煤矸石为研究对象，利用水泥对其进行稳定，研究发现可将其用于低等级道路底基层，在其中加入一定比例的碎石后，可满足二级公路基层使用要求。裴富国[6]通过对水泥稳定煤矸石作为道路基层研究，确定了煤矸石的掺配比例和施工工艺。闫广宇[7]通过分选工艺制备出性能优良的煤矸石集料，采用5.5%水泥剂量对其进行稳定制备出水稳混合料，并在混合料中加入10%粉煤灰，对其力学性能进行研究，研究表明：采用分选工艺制备的水稳混合料可满足二级道路基层的使用要求，粉煤灰的加入有效改善了煤矸石的抗击碎能力，提高了煤矸石混合料的力学性能。王妮妮[8]以沈抚地区红色、黑色煤矸石为研究对象，首先通过对其原石材物化性能进行分析，研究原石材对基层的影响，其次，对煤矸石路用性能进行分析，然后依托试验路段确定施工工艺，为煤矸石在道路基层中使用提供参考。朱庭勇[9]使用二灰土、二灰煤矸石混合料作为县、乡道路基层，通过对混合料的力学性能、温缩性能进行了全面深入研究，确定了最佳的配合比和级配类型，表明无机材料稳定煤矸石作为县乡道路基层是经济可行的。从目前国内学者的研究来看，多是将煤矸石用于路基填筑或是低等级道路底基层、基层当中，不利于发挥出煤矸石使用价值，导致煤矸石利用途径单一、低效。将煤矸石用于高等级道路基层仍有待研究。

综上，将煤矸石用于道路基层中是可行的。基于此，本文采用工业固体废弃物煤矸石为研究对象，通过筛分得到2.36～13.2mm粒径煤矸石来替代同等粒径碎石，根据规程[10]研究以5.5%水泥剂量稳定混合料的7d无侧限抗压强度，以期制备出符合高等级道路基层使用的水泥稳定碎石-煤矸石混合料。

1 原材料

原材料包括P·O 42.5 水泥、10～20mm 石灰岩碎石、20～30mm 石灰岩碎石、石粉以及2.36～13.2mm煤矸石。煤矸石的物化性能指标试验结果如下。

1.1 煤矸石物理性能

煤矸石基本物理性能试验结果见表1。

表1 煤矸石基本物理性质指标

煤矸石中软岩成分较多，压碎值较大，在基层中不宜充当粗骨料，应当在碎石形成骨架的前提下，填充其中孔隙，既能避免煤矸石的缺陷，又能最大限度利用煤矸石。煤矸石烧失量和自由膨胀率较低，耐崩解指数高，具有体积稳定性。

1.2 煤矸石化学组成

煤矸石化学组成见表2。

表2 煤矸石化学组成

火山灰活性物质（SiO2、Al2O3、Fe2O3）总量高达88.3%，火山灰活性物质在碱性物质激发下与氢氧根离子发生火山灰反应，生成C-S-H、C-A-H 等胶凝物质，可黏结集料颗粒，有效提高混合料强度。

2 混合料配合比设计

对碎石、煤矸石、石粉进行筛分，根据细则[11]和对相关文献[12]的研究，对碎石-煤矸石集料进行配比设计。配比设计见表3。

表3 集料配合比设计

由表3 可知，20～30mm 碎石由24%逐渐上升到30%，在碎石粗骨料形成骨架的前提下尽可能多地使用煤矸石，因此煤矸石掺配比例由25%上升到40%，为保证骨架密实，在混合料中加入17%的石粉，以此确定10～20mm碎石的用量。

根据各档集料筛分结果及配合比设计，参考细则中规定的级配范围，确定出4 组级配结果，4 组配比的合成级配见表4，合成级配图见图1～图4。

图1 第1组合成级配图

图2 第2组合成级配图

图3 第3组合成级配图

图4 第4组合成级配图

由表4 可知，3、4 组配合比4.75mm 筛孔通过率高于级配上限，原因在于煤矸石粒径范围为2.36～13.2mm，其中包括了4.75mm 以下的粒径，煤矸石用量逐渐增加，提高了4.75mm 筛孔的通过率，从而使其超过级配上限。

表4 各配比的合成级配

3 试验方法

3.1 击实试验

参考规程[10]，根据集料最大容许粒径，采用丙法进行重型击实试验，依次采用3%、4%、5%、6%、7%等5个含水率分别对4组配合比混合料进行击实试验。

3.2 7d无侧限抗压强度试验

根据集料最大容许粒径，试件尺寸选择为15cm×15cm 圆柱体，根据击实结果、试件尺寸、压实度可计算出试件质量，再依次计算出各档集料质量，将其拌和均匀，采用静压法进行试件成型，将成型后的试件，经标准养护7d，在养护龄期前一天，饱水养护24h，将饱水后的试件表面水分擦干，将试件放置在试验机底座上，开动压力机保持加载速度为1mm/min，持续加载直至试件破坏，停止加载记录压力值。

3.3 混合料力学性能试验

为进一步探讨水泥稳定碎石-煤矸石混合料的力学性能，选取7d抗压强度满足高等级道路基层要求的两组，进行混合料多龄期力学性能试验。

3.4 多龄期抗压强度试验

为研究混合料的长期抗压强度性能，选取7d无侧限抗压强度满足高等级道路基层要求的混合料进行多龄期抗压强度试验。对第3、4 组混合料依次进行28d、90d无侧限抗压强度试验。

3.5 多龄期劈裂强度试验

在养护龄期前1d 将试件浸水养护24h，取出浸水养护的试件擦去表面水分，将试件放在劈裂夹具压条上，将夹具连同试件共同放在压力机上，压力机加载速度保持1mm/min 进行劈裂试验，试件破坏时停止加载，记录压力机读数，计算出劈裂强度。

4 试验数据及分析

4.1 击实试验数据及分析

由图5 可知，4 组混合料最佳含水率逐渐减小，这是由于1～4 组混合料20～30mm 碎石含量逐渐增多，混合料内部接触面积减小，导致混合料的最佳含水率减小，20～30mm 碎石从24%增加到30%的过程中，最佳含水率下降了3.7%；1～4 组混合料最大干密度逐渐增大，这是由于2.36～13.2mm煤矸石逐渐增加，煤矸石颗粒较细，在碎石形成骨架的前提下，可有效填充其中的孔隙，且煤矸石在击实过程中易被击碎，煤矸石击碎后更能填充混合料内部孔隙，因此混合料的最大干密度逐渐增加。

图5 4组击实试验结果

4.2 7d无侧限抗压强度试验结果及分析

由图6 可知，20～30mm 碎石含量从24%增加到30%的过程中混合料的强度增大了19.9%，表明20～30mm 碎石含量增加可有效提高混合料的强度。这是由于20～30mm 碎石相互嵌挤搭接形成骨架，在形成骨架的前提下适当提高煤矸石颗粒和细粉，形成骨架密实型结构，从而表现出良好的力学性能。四组配合比试验结果中，20～30mm 碎石含量为28%～30%时，2.36～13.5mm 煤矸石的利用率可达到35%～40%，实现煤矸石高利用的同时，也满足高等级道路基层的使用要求。

图6 4组混合料7d无侧限抗压强度

4.3 混合料长期力学性能研究试验结果及其分析

4.3.1 多龄期无侧限抗压强度试验结果及其分析

由图7 可直观看出随养护龄期增长混合料抗压强度呈增长趋势。第3 组混合料养护龄期由7d 增加至28d 过程中，抗压强度由5.04MPa 增长至6.06MPa，增幅为20.3%；养护龄期28d增加至90d过程中，抗压强度由6.06MPa 增长至6.81MPa，增幅为12.4%。第4 组混合料养护龄期由7d 增加至28d 过程中，抗压强度由5.37MPa 增长至6.72MPa，增幅为25.1%；养护龄期由28d 增长至90d 过程中，抗压强度由6.72MPa 增长至7.78MPa，增幅为15.8%。第4 组混合料无论是增长速率还是强度值均高于第三组，一方面由于第4 组中煤矸石含量较多，煤矸石中含有火山灰性物质，与水泥水化产物可发生火山灰反应生成胶凝物质，使强度得到提高，且火山灰反应进行较为缓慢，因此第4 组混合料具有较高的后期增长潜力。另一方面，第4 组混合料相较于第3组混合料级配性能更优良。

图7 3、4组多龄期无侧限抗压强度

4.3.2 多龄期劈裂强度试验结果及其分析

由图8 可直观看出，随养护龄期增长，混合料劈裂强度呈增长趋势。第3 组混合料养护龄期由28d 增长至90d 过程中，劈裂强度由0.584MPa 增长至0.694MPa，增幅为19%；第4 组混合料养护龄期由28d 增长至90d 过程中，抗压强度由0.612MPa 增长至0.759MPa，增幅为24%，其中两组混合料均可满足规范要求的0.4～0.6MPa。但是，无论劈裂强度大小还是增长速率，第4 组混合料均大于第3 组混合料，其原因在于劈裂强度不同于抗压强度，抗压强度是试件整体抵抗外界荷载的能力，而劈裂强度主要表现为结合料与结合料之间的黏接力和结合料集料表面的黏接力，骨料之间嵌挤力几乎可以忽略。其中第4 组混合料中煤矸石掺量最多，煤矸石细集料均匀分散在混合料中，增大了集料和水、水泥的接触面积，从而提升了混合料的劈裂强度。