水泥稳定煤矸石混合料路用性能分析

摘要：针对目前我国煤矿开挖中存在的大量煤矸石利用率低等问题，文章提出了利用废弃煤矸石替代路基粗骨料的方法。采用无侧限抗压强度、抗拉强度和冻融试验研究不同掺量水泥稳定煤矸石混合料的路用性能，并采用XRD对水泥煤矸石混合料进行化学成分结构研究。试验结果表明，当水泥掺量为5%时，混合料强度可以达到4.16 MPa，且抗拉强度与水泥掺量呈正比。通过采用XRD研究发现，水泥稳定煤矸石过程中可生成大量胶凝物质。研究结果可为水泥稳定煤矸石混合料的应用研究提供参考。

关键词：水泥；煤矸石；路用性能；研究分析

0引言

煤矸石是一种在煤矿生产和开挖中产生的灰白色固体废料，且是一种与煤炭共生的物质。煤矿开采时所排放的煤矸石占全部煤礦总量的10%～25%［1］。随着采煤量的逐年增加，煤矿开采产生的煤矸石不能得到合理利用，导致煤矸石储量逐年增加，占用土地和污染问题不容忽视［2］。目前，国内外虽然对煤矸石的综合利用进行了研究，但缺少对水泥稳定煤矸石混合基层的力学性能、抗冻性能和化学成份的研究，严重限制了煤矸石的大规模应用［3］。为此，本文从水泥稳定型煤矸石混合料路用特性入手，对其力学发展规律进行了探讨，并对其强度形成机制进行了分析，可以为今后在高等级路面上推广水泥稳定煤矸石基层的应用提供一定的理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 水泥性能

试验使用的水泥为惠县拜泉生产的P.O 42.5水泥。该水泥细度为4.12%，正常稠度为28.5%，初凝时间为215 min，终凝时间为525 min。水泥浆3 d抗裂及抗压强度分别为4.8 MPa和24.5 MPa；水泥凝胶砂28 d抗裂抗压强度分别为7.5 MPa和44.8 MPa，均满足路面基层施工规范要求［4］。

1.2 煤矸石骨料

煤矿使用的煤矸石来自河南省焦作市。煤矸石以灰色、白色为主，在煤矸石以外的部分则呈现出棕红色。煤矸石裸露部分为红褐色，埋藏部分为灰黑色。由于岩块较大、较硬，煤矸石被颚式破碎机破碎成大粒径煤矸石集料（A组）和小粒径煤矸石集料（B组）。

煤矸石用破碎机粉碎成粉。自燃煤矸石破碎后呈黄褐色，非自燃煤矸石破碎后呈灰色。采用PerkinElmer 730电感耦合等离子光谱仪对自燃煤矸石和非自燃煤矸石的主要化学成分进行定量，如表1所示。

1.3 水泥稳定煤矸石混合料配合比设计方法

以《高速公路路面基层施工技术规程》（JTG/TF20-2015）［5］标准为基准，选用最大粒径为26.5 mm的沥青混合料，合成A组和B组骨料，设定A组和B组骨料按2∶8的比例混合。

通常自燃煤矸石的硬度低于非自燃煤矸石［6］，因此，如果用自燃煤矸石代替非自燃煤矸石，并取代水泥稳定煤矸石混合料的粗骨料，水泥稳定煤矸石混合料的抗压强度必然降低。有关研究结果显示，自燃煤矸石与其他化学物质发生作用是由其活性组分的化学反应引起的。且大量试验结果表明，在不燃烧的煤矸石中，仅细集料粒径＜2.36 mm的煤矸石才会发生化学反应，生成胶凝物质。因此，本文选用粒径＞2.36 mm的自燃煤矸石和粒径＜2.36 mm的非自燃煤矸石作为粗骨料。

具体试验安排和步骤如下：将A组和B组破碎煤矸石按2∶8的比例均匀混合，用振动筛机通过2.36 mm筛孔。经筛选，粒径＞2.36 mm的自燃煤矸石（BNS）与粒径＜2.36 mm的非自燃煤矸石（SNS）的质量比应为60.89∶27.32。自燃煤矸石由颚式破碎机破碎成最大粒径≤2.36 mm的骨料（由于颚式破碎机破碎粒度有限，大骨料破碎后人工破碎）。自燃煤矸石骨料（SSC）筛分后级配比曲线如表2所示。

为了研究煤矸石中的自燃煤渣对粉体的作用，采用4种粒径＜2.36 mm的细粒自燃煤粉和未燃烧煤矸石的粉体进行试验研究。从表3可以看出，4组煤渣掺量都是一样的，没有因为分级而产生差别，且参考混凝土施工建议，设定水泥掺量分别为3%、4%、5%、6%，并与煤矸石混合形成不同水泥掺量混合料。

2 结果与讨论

2.1 压实试验

在不同水泥掺量条件下，水泥稳定煤矸石混合料最大干密度和最优含水率试验结果如表4所示。从表4可以看出，随着水泥掺量增大，最优含水率呈非线性逐渐增大，并且与水泥掺量成正比。究其原因为：水泥掺量越多，需要更多水与水泥进行反应，生成胶凝物质；而最大干密度与水泥掺量呈反比，即随水泥掺量增加，最大干密度下降。最大干密度越小，表征混合料越密实，一方面由于水泥掺量的增多，水泥与煤矸石在水的环境下生成胶凝物质，填充混合料孔隙，加大颗粒间接触面积；另一方面，水泥掺量越大，煤矸石掺量越小，且由于煤矸石在混合料中不均匀分布，易形成较大孔隙，因此减少煤矿石掺量也易于降低孔隙，使混合料更加密实。

2.2 无侧限抗压强度

如图1所示为养护7 d条件下，不同水泥掺量煤矸石混合料无侧限抗压强度的变化趋势图。从图1中可以看出，随着水泥掺量增加，无侧限抗压强度呈非线性增长，且符合3次多项式曲线变化规律。在水泥掺量为5%时，抗压强度增长速率达到最高；当水泥掺量＞5%时，抗压强度增长速率明显下降。因此，结合经济指标，水泥最优掺量为5%。

水泥稳定煤矸石强度提高的主要原因是：胶凝物质和煤矸石的骨架。在3%～5%的水泥掺量下，胶凝物质随水泥用量的增大而增大，不仅有利于煤矸石集料的粘结［7］，也会导致混合料的强度也随之增加。但随着水泥掺量的不断提高（＞5%），水泥的比表面积逐渐变大，用量也随之加大，从而对混合料的致密性能产生一定的不利作用。同时，随着混合料中细粒含量的增大，混合料中的煤矸石骨架强度逐渐减小，从而降低了混合料的强度增长。

将水泥掺量为3%、4%、5%、6%的水泥稳定煤矸石混合料各龄期的抗压强度绘制成曲线图（见图2）。由图2可知，水泥稳定煤矸石混合料具有较高的早期强度，混合料试件的龄期与抗压强度呈正相关。

由于水泥中硅酸盐的早期水化反应，养护7～14 d时，水泥稳定煤矸石混合料的强度最高提高2.6 MPa。掺入3%的水泥，其抗压能力增加28.83%，水泥掺量为4%、5%和6%时，其抗压强度分别增加36.10%，37.28%，32.42%，进一步表明水泥最优掺量为5%。随着养护时间增加，胶凝物质生成率降低，其活性成分与水泥的作用已趋于停滞，其发展速率也较慢。此外，还可以观察到，当养护时间＞91 d时，抗压强度增长速率趋于稳定，强度增加幅度较低。

2.3 抗拉强度

由图3可知，水泥稳定煤矸石混合料养护90 d后的抗拉强度与水泥掺量呈二次多项式曲线关系，且总体呈正相关关系。水泥稳定煤矸石混合料90 d的抗拉强度随水泥掺量的增加呈线性增加，当水泥掺量＞5%时，抗拉强度增长速率降低。水泥稳定型煤矸石混凝土的抗拉性能主要取决于其胶凝性能，在低水泥掺入率下，随着掺入率的增大，混凝土的抗拉强度增大，而随着掺入率的不断提高，胶凝物质将会充填粗细集料的间隙，抗拉强度增长在达到峰值后逐渐下降。

2.4 冻融性能

为进一步深入研究水泥稳定煤矸石混合料抗冻性能，进行10次冻融循环试验。融化温度设定在29 ℃，冻结温度设定在-5 ℃。

如图4所示，冻融循环造成的质量损失随水泥用量的增大而减少。在此基础上，水泥掺量3%的水泥稳定煤矸石的质量损失达到3.79%，增加1%掺量后，质量损失下降1.16%。在水泥掺量为5%的情况下，质量损失继续降低0.87%，而在水泥掺量为6%时，再降低0.54%。随着水泥掺入量的增大，其对冻融过程中的质量损失的影响程度逐渐降低。

从表5可以看出，水泥掺量对水泥稳定煤矸石的抗冻性总体上表现为：随着水泥掺量的增加，水泥稳定煤矸石冻融后抗压强度逐渐降低。在水泥中加入3%的水泥，其强度损失达到23.26%，而1%的水泥用量则提高了5.31%得抗压强度。在水泥中加入5%时，其强度损失比4%时减少3.64%，水泥用量从5%增至6%，强度损失降低2.6%。随着水泥掺入量的增大，在冻融过程中，混合料的抗压强度损失也在逐渐降低。根据《高速公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2017），当冻结区抗压强度损失值＞70%时，水泥掺量5%的水泥稳定煤矸石混合料的BDR值达到了规范标准。

2.5 水泥稳定煤矸石混合料化学成分分析

水泥稳定煤矸石混合料养护7 d和180 d的XRD图如图5所示。由图5可知，养护7 d和180 d的水泥稳定煤矸石混合料中除了原有的煤矸石矿物外，还会产生水合硅酸钙（C-S-H）、水钙沸石，（CaAl2Si2O8·4（H2O））、硅酸盐铁（Fe2（SiO3）3）、Ca（OH）2，且养护7 d的水泥稳定煤矸石混合料中还含有铝酸钙［8-9］。水泥水化后生成水化硅酸钙、Ca（OH）2、铝酸钙。由于铝酸钙的不稳定性，随着养护时间的增加，铝酸钙会分解重组，所以养护180 d的水泥稳定煤矸石混合料中没有这种矿物，在水泥稳定煤矸石混合料中形成了一种新的矿物相CaAl2Si2O8·4（H2O）。与相关研究相比，该物质应该是由水泥水化产物Ca（OH）2与煤矸石中的活性成分发生火山灰反应而形成的。且养护7 d、180 d的混合料中都含有这种物质，表明这种物质比较稳定，并能提高混合料的强度。养护180 d的水泥稳定煤矸石混合料的Ca（OH）2显著高于养护7 d的Ca（OH）2。其原因是煤矸石中活性SiO2、Al2O3与Ca（OH）2发生火山灰反应生成水钙沸石，消耗了部分Ca（OH）2。

3 结语

水泥稳定煤矸石可有效提高混合料力学性能。5%水泥掺量条件下，其抗压强度最佳，主要得益于水泥与煤矸石共同生成胶凝物质填充孔隙，且其抗压强度增长率在7～14 d时最高。随着养护时间增加，混合料抗拉强度与抗压强度增长速率逐渐降低，水泥水化反应随时间延长而变缓，并逐渐终止。

参考文献：

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作者简介：张体龙（1988—），工程师，主要从事公路工程建设工作。