煤矸石在水稳基层中应用的可行性研究

叶家彬 尹贺军 户浩壮

（中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004）

0 引言

煤炭作为不可再生能源，占我国总能源结构的70%以上，现阶段在我国经济发展中具有重要的地位。煤炭资源的开采过程中，伴随着煤矸石等产物的大量出现，煤矸石中掺杂有少量可燃物，容易发生自燃，排放出氮氧化物、二氧化硫及烟尘等有害物质，影响周边居民的身心健康，同时大量堆积会占用土地资源，也存在滑坡、泥石流等安全隐患［1］。作为煤炭开采过程中的一种衍生物，由于煤炭产地及地质运动的差异，煤矸石有以下两种组成类型：①掘进煤矸石，主要由泥岩，砂岩及石灰岩等组成；②洗选煤矸石，主要由煤层中的黏土岩，黄铁矿结核等组成。从矿物组成上看，煤矸石由无机质及部分有机质混合而成，无机质主要由Si、Al元素构成，同时也有不同数量的MgO、FeO、K2O、CaO、PO、SO3、Na2O 等物质，有机质随煤炭含量的增加而增多［2］。

在煤矸石应用中，国内外大多将其作为一种填充料或石料替代料应用到工程建设当中，但我国煤矸石的利用率并不高。煤矸石通过一定的破碎工艺可以加工成符合工程建设需要的矿料粒径，将其作为骨料应用到建筑材料当中能够实现资源的循环利用，以便缓解矿料紧缺的状况［3-4］。从20 世纪70年代至今，我国一直致力于煤矸石综合利用的研究，但煤矸石替代常规集料应用到路面工程的研究尚不深入，由于不同产地煤矸石物理力学性能差异较大，因此，针对特定产地煤矸石的研究至关重要。狄升贯［5］通过室内原材料试验、施工过程质量控制对煤矸石相关性能展开研究，提出煤矸石能够作为一种道路建筑材料应用于路基填筑工程。刘元泉等［6］依托工程实体，针对煤矸石材料特性进行研究，得出煤矸石能够满足路基填料的相关技术要求的结论，将其应用到路基工程中完全可行。

本研究以鹤壁掘进煤矸石为研究对象，以路面基层应用为目标，进行原材料相关室内试验、水泥稳定碎石-煤矸石混合料微观分析及耐久性研究，以期合理利用煤矸石资源，实现资源的循环利用，推动地区环境、社会及经济的协调发展。

1 煤矸石性能

1.1 矿物组成

煤矸石因产地不同，其组成存在较大的差异，主要由泥岩类、页岩类、碳酸盐岩类、砂质岩类及煤粒、硫结核构成。鹤壁掘进煤矸石呈灰黑色，长期外力作用下，质地比较密实。

1.2 物理特性

1.2.1 密度。参照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）相关要求，针对破碎后的不同粒径煤矸石开展表观密度、表干密度、毛体积密度试验，试验结果见表1。由表1 可知，鹤壁掘进煤矸石密度与常规石灰岩碎石密度相近，从密度角度考虑，煤矸石能够应用到路面基层及底基层。

表1 密度试验结果

1.2.2 颗粒级配。煤矸石的产地、自身岩性、破碎方式及风化程度都会影响其颗粒级配。本研究选用曲率系数Cv及不均匀系数Cu来评价煤矸石的颗粒级配，其中Cv用于评价筛分曲线的平滑程度；Cu是限制粒径与有效粒径的比值，反映颗粒的均匀程度。当Cu＜5 时，颗粒粒径均匀，级配较差；Cu≥5且1≤Cv≤3时，级配较好，Cu试验结果越大，材料粒径范围越广；Cu＜1 或Cv＞3 时，材料级配间断。对破碎后的鹤壁掘进煤矸石随机取样，参照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）的相关要求进行干筛试验，试验结果见表2、表3。由表3可知，鹤壁掘进煤矸石Cu试验结果为5.6，大于5，Cv试验结果为1.4，在1～3 范围内，表明取样的煤矸石颗粒级配良好。

表2 筛分结果

表3 不均匀系数与曲率系数

1.2.3 压碎值。压碎值是表征矿料力学性能的指标，用于评价矿料在逐级荷载作用下抵抗压碎的能力。为确定鹤壁掘进煤矸石的应用范围，参照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）的相关要求进行压碎值试验，试验结果见表4。由表4 可知，鹤壁掘进煤矸石压碎值试验结果为25.7%，仅满足高速公路，一级公路极重、特种交通底基层和重、中、轻交通基层和底基层以及二级及二级以下公路的工程建设需要。因此，在水稳基层配合比设计过程中应考虑煤矸石的适用范围。

表4 压碎值试验结果

1.2.4 天然含水率、吸水率。材料吸水率试验结果的大小，在一定程度上能够决定材料的水稳定性能，间接反映材料的力学性能。煤矸石因产地及矿物组成的差异，其吸水率、天然含水率试验结果存在较大差异。当煤矸石结构密实，内部孔隙及开口孔隙较小时，其吸水能力较低；当煤矸石材质松散时，天然含水率较高，应用到工程当中混合料易出现吸水膨胀等病害。为测定鹤壁掘进煤矸石吸水特性，间接评价其水稳定性能，参照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）的相关要求进行天然含水率及吸水率试验，试验结果为鹤壁掘进煤矸石的天然含水率为1.54%，远大于普通碎石，因此在水稳基层混合料击实试验中应加以考虑；其吸水率为1.73%，满足高等级公路矿料吸水率不大于2%的规范要求，表明鹤壁掘进煤矸石质地密实，内部孔隙率及开口孔隙率较小。

1.2.5 耐崩解性、膨胀性。耐崩解性、膨胀性是评价矿料质量优劣的重要参数，是表征材料在特定试验条件下抗崩解、膨胀的重要指标。鹤壁掘进煤矸石含有黏土矿物，遇水后易结晶而发生膨胀，因此，对煤矸石开展耐崩解性、膨胀性研究显得尤为重要。本研究选用自由膨胀率试验来评价煤矸石的抗崩解、膨胀能力。参照《自由膨胀率试验》（T0124—1993）的相关要求进行自由膨胀率试验，试验结果为鹤壁掘进煤矸石的耐崩解指数为94.13%，表明具有较强的抗崩解能力，能够满足材料耐崩解性能要求；其自由膨胀率为18.21%，低于膨胀土40%上限要求，属于非膨胀类物质，满足道路工程矿料膨胀性要求。

2 微观结构

水泥稳定碎石-煤矸石基层施工成型后，主要有固、液、气三相组成，三者之间内部的联系与作用为结构层提供足够的强度，保证路面结构有足够的承载能力。将标准养生90 d后的水泥稳定碎石-煤矸石圆柱体试件静置于80 ℃烘箱内24 h 直至恒重，然后取破碎后的直径小于40 mm 试块，整平表面，用扫描电镜设置150、600、2 000及9 000倍数进行观察并采集图像，水泥稳定碎石-煤矸石微观结构如图1 所示。由图1 可知，从理论及微观角度分析，水泥稳定碎石-煤矸石水稳材料强度的形成是水化物从无定形胶凝状到高晶度状演变的过程。从2 000倍图像能够看出水泥石、煤矸石、过渡区微观形态；随着试件零期的增加，煤矸石中的活性成分经水化受压与水泥水化产物发生反应，形成水化硅酸钙、水化硫铝酸钙等物质，具有很强黏结力，同时形成的碳酸钙能够间接增强试件强度。从微观结构上分析，鹤壁煤矸石能够作为一种骨料应用到水稳基层当中。

图1 电镜扫描下水泥稳定碎石-煤矸石微观结构

3 耐久性

本研究水泥选用P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，水泥剂量为5.8%，用粒径为5～10 mm 的煤矸石分别以0%、20%、40%、60%、80%、100%的掺量等质量替代常规碎石开展水稳定性及抗冻性试验。

3.1 水稳定性

煤矸石具有膨胀、崩解性，会对水泥稳定碎石-煤矸石混合料水稳定性产生不利影响，对不同煤矸石掺量的混合料开展7 d、28 d 水稳定性系数试验，评价煤矸石掺量对水泥稳定碎石-煤矸石水稳定性的影响，水稳定性系数试验结果如图2所示。

图2 水稳定性系数试验结果

由图2 可知，不同煤矸石掺量下混合料7 d 水稳定系数试验结果均大于80%，煤矸石掺量为80%时，试验结果最小为81.3%，表明养护龄期为7 d 时混凝土试件已具备一定程度的抗水稳定性；当试件龄期为28 d时，不同煤矸石掺量下混合料水稳定性系数试验结果均有不同程度的提升，煤矸石掺量为60%时，试验结果最小为88.9%；由于水泥稳定碎石-煤矸石混合料生产过程中受到人为拌和不均匀、水泥水化不完全等因素的影响，煤矸石掺量与试件水稳定系数试验结果不具有明显的线性关系；煤矸石含有软弱颗粒，在试件压实成型过程中易破碎，能够填补矿料孔隙而更加致密，因此一定掺量的煤矸石有助于改善水泥稳定碎石-煤矸石基层的水稳定性。

3.2 抗冻性

对不同煤矸石掺量的混合料开展28 d 抗冻性试验，评价煤矸石掺量对水泥稳定碎石-煤矸石抗冻性的影响。不同煤矸石掺量下，试件不同冻融循环次数后质量损失率试验结果如图3所示。

图3 冻融循环质量损失结果

由图3 可知，相同煤矸石掺量下，随着冻融循环次数的增加，试件质量损失率逐渐增大；相同冻融循环次数下，煤矸石的掺入，试件质量损失率均有所增加，煤矸石掺量小于40%时，试验结果增幅不大，煤矸石掺量超过40%后，5 次冻融循环后试件质量损失率增幅显著，但均小于规范上限5%的要求，表明煤矸石的掺入对混合料抗冻性的影响不大。

4 结语

本研究通过对鹤壁掘进煤矸石开展相关性能试验得出，鹤壁掘进煤矸石质地致密，破碎后的矿料具有良好的级配，且压碎值、吸水率、耐崩解性均能满足公路工程集料标准。从微观结构分析，煤矸石有助于水稳基层强度的提升；从耐久性方面考虑，煤矸石的掺入有助于改善水稳定性，且对抗冻性影响不大。研究表明，鹤壁掘进煤矸石能够作为一种集料应用到水稳基层当中。