基于路基工程的平頂山煤矸石路用性能研究

侯 琳 曹安美

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南鄭州 450064）

煤矸石從本質(zhì)上說是在開采煤炭和選煤過程中所產(chǎn)生的固體狀態(tài)的廢料，其大量的存在對生態(tài)環(huán)境造成了很大的破壞。而且對為了降低煤矸石的毒害作用還需要進(jìn)行高價的化學(xué)處理，對資源造成了極大的消耗。作為煤炭產(chǎn)量的大國，中國將煤炭作為主要能源的現(xiàn)狀在很長一段時間內(nèi)不會有太大的改變。由于前期對生態(tài)文明建設(shè)的重視程度不夠，因此，許多地區(qū)，尤其是礦區(qū)出現(xiàn)了大量的由煤矸石堆積而成的矸子山。煤矸石的產(chǎn)生主要是有三個方面組成：一是進(jìn)行巷道開完時候直接產(chǎn)生的矸石；二是采煤過程中從夾層和底板、頂板中開挖出的矸石；三是在選煤洗煤過程中產(chǎn)生的洗矸石。其產(chǎn)量也是相當(dāng)驚人的，大約為當(dāng)年煤產(chǎn)量的百分之十到百分之十五。按照國家現(xiàn)在五位一體的總體戰(zhàn)略布局，如何節(jié)能利廢，保護(hù)生態(tài)環(huán)境使我們急迫要解決的問題。

目前中國正在加快城鎮(zhèn)化的發(fā)展進(jìn)程，存在大量的道路需要修筑。如果在礦區(qū)將煤矸石用于路基的填筑，那么將節(jié)約大量的運輸成本和化學(xué)處理費用。由于各個礦區(qū)煤矸石的化學(xué)成分不盡相同，因此需要對不同產(chǎn)地的煤矸石分別進(jìn)行施工設(shè)計。本文針對的是平頂山地區(qū)的煤矸石。

1 原材料主要性能指標(biāo)

對平頂山礦區(qū)的煤矸石進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：

1.1 化學(xué)成分分析

通過PW2404 型X 射線熒光光譜（XRF）儀對平頂山煤矸石進(jìn)行測定并進(jìn)行常規(guī)的化學(xué)元素分析結(jié)果見下表

煤矸石主要化學(xué)成分的XRF 分析

1.2 堆積密度

表2 煤矸石堆積密度試驗數(shù)據(jù)表

1.3 表觀密度

表3 煤矸石表觀密度試驗數(shù)據(jù)表

1.4 煤矸石吸水性

浸泡煤矸石二十四小時。然后，用濕布擦拭烘干至恒重，計算兩次吸水率求平均值如下：

表4 煤矸石吸水率試驗數(shù)據(jù)表

1.5 煤矸石天然含水量

表5 煤矸石天然含水量試驗數(shù)據(jù)表

2 煤矸石路面施工工藝流程

施工工藝流程：

（1）第一層包邊土

（2）第二層包邊土

（3）攤鋪煤矸石

（4）機(jī)械整平（推土機(jī)）

（5）人工修整

（6）機(jī)械壓實

（7）最終整平

（8）排水盲溝

（9）檢測驗收

第一層煤矸石壓實完成后必須讓路面自然降溫，然后再進(jìn)行下一層的施工。要防止對已經(jīng)壓實的路基造成擾動，必須做好現(xiàn)場的施工管理和人員的組織。

3 基于路基工程的煤矸石現(xiàn)場檢測及結(jié)果分析

本文試驗中的煤矸石產(chǎn)自平頂山的煤礦，煤矸石顏色偏灰紅，在新鄭龍湖鑫勝街KO+544.18～+635 段選取試驗段進(jìn)行灌砂法、SASW 法、貝克曼梁法，對施工路段的壓實度進(jìn)行研究。

通過灌砂法測試壓實度，每次選取四個樁點，為防止水分發(fā)生變化造成測試結(jié)果受到影響，取出的土應(yīng)即刻用塑料袋密封保存。施工時，第一遍壓實采用靜壓式壓路機(jī)，這樣可以避免煤矸石產(chǎn)生較大的變形和起伏，然后采用振動壓路機(jī)，規(guī)格六噸，碾壓遍數(shù)6 遍。其中每兩次壓實后要進(jìn)行壓實度試驗，測試壓實度。根據(jù)試驗結(jié)果繪制下圖：

①碾壓遍數(shù)與壓實度之間的關(guān)系

圖1 壓實度與壓實遍數(shù)關(guān)系

分析圖1 得出如下結(jié)論：

（1）靜壓一遍后，4 個取樣點3 個壓實度在百分之八十六以上，4 號取樣點在百分之八十六以下。

（2）在兩遍壓實以后壓實度有很明顯的提高，煤矸石的壓實度受震動的影響比較明顯。

（3）按照曲線分析壓實遍數(shù)為四時，最利于施工。

（4）后期，壓實遍數(shù)增多，壓實度卻下降。其原因主要是因為煤矸石的狀態(tài)為可破碎塊狀顆粒，在碾壓的過程中部分煤矸石被壓碎，其顆粒級配遭到了改變，通過壓力的傳遞和壓實功使其壓實度明顯提高。但壓實遍數(shù)達(dá)到一定值之后煤矸石被壓成為更小的顆粒，顆粒組成結(jié)構(gòu)被破壞，造成壓實度下降。

（5）最終第一層的壓實度平均值為百分之就是八點五，符合規(guī)范要求。

分析圖一得出結(jié)論，第二層：

（1）整體來看，壓實度與壓實遍數(shù)成正比關(guān)系；

（2）第一遍靜壓之后第二層四個取樣點的壓實度基本都在百分之八十二以上，雖有的取樣點接近；

（3）分析曲線變化，壓實度與壓實關(guān)系的關(guān)系曲線在前段變化顯著，也是就振動壓實兩遍后壓實度的提升非常顯著，達(dá)到了百分之十一，震動對煤矸石壓實度的影響也非常明顯。

（4）其中一個也出現(xiàn)了在第四遍之后壓實度降低的現(xiàn)象，原因同第一層。但是其他三個曲線仍舊平穩(wěn)上升，說明壓實度隨著增加壓實遍數(shù)仍舊可以提升，如果要獲得更大的壓實度，壓實應(yīng)在6～7 遍；

（5）壓實度的最終平均值為百分之九十五點四，滿足規(guī)范要求。

②剪切波速與壓實度之間的關(guān)系

在施工期間，每經(jīng)過一遍壓實就通過SASW 法對波速進(jìn)行一次測試。SASW （spectral analysis of surface wave）全稱法檢測是瑞雷波勘探技術(shù)中的瞬態(tài)瑞雷波法，又被稱作為面波。本次試驗在每次振動、壓實后，測定一次。在試驗段中選擇兩個截面四個點。經(jīng)過六遍的振動壓實，測得其波速都在不低于200m/s。按照試驗結(jié)果繪制下圖。

圖2 煤矸石壓實度與剪切波速關(guān)系

通過分析得到了煤矸石壓實度剪與切波速之間的數(shù)理聯(lián)系：

這就顯示了他們兩者存在著線性的關(guān)系，換句話說就是二者同減同增。分析上圖得到結(jié)論：高頻段的散點比較集中而低頻段的就比較稀少且分布不均勻。

③剪切波速和碾壓變數(shù)之間的關(guān)系

分析下圖得出結(jié)論：第一遍碾壓四至五遍最佳；第二遍碾壓六至七遍最佳。

圖3 煤矸石碾壓遍數(shù)與剪切波速關(guān)系圖

④煤矸石路堤的回彈彎沉測定

圖4 貝克曼梁測試彎沉

彎沉檢測是道路質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的否決性指標(biāo)，決定著路基的承載力是否合格。本文采用貝克曼梁法來進(jìn)行評定。其缺點是檢測時產(chǎn)生的工作量比較大、檢測的速度相對比較慢，可是經(jīng)常用它來衡量工程是否達(dá)到竣工驗收的要求。

首先確定日期，要求天氣晴朗，并且統(tǒng)計試驗前5 天的氣溫，計算平均值。試驗當(dāng)天的溫度要求不低于13℃切不高于20℃。本試驗選用的是解放載重車，其后軸重10t，剎車良好，真空胎內(nèi)充氣壓力為0.7MPa。試驗中往車內(nèi)裝填鐵塊，并用地磅稱量后軸總質(zhì)量，要求必須符合軸重規(guī)定并保持測試中不變。輪胎下方需要鋪放嶄新復(fù)寫紙，通過千斤頂起落找到輪胎與地面的接觸面積，要求精確到零點一立方厘米。核驗彎沉儀百分表，檢測其靈敏度是否符合要求。將載重車后輪輪隙對準(zhǔn)測點后約3～5cm 處，將彎沉儀放在汽車后輪的中間空隙處，對準(zhǔn)測點，注意貝克曼梁和胎不能接觸，百分表調(diào)零安裝在測定桿上。載重車以五千米每小時的速度緩速度行駛的過程中快速讀取最大值，然后，在載重車遠(yuǎn)離樁點五公里之后記錄最后數(shù)據(jù)。

試驗結(jié)果表明煤矸石的強(qiáng)度完全能夠滿足路基填筑的強(qiáng)度要求。

綜上所述，煤矸石可以應(yīng)用于道路工程施工，并且能夠響應(yīng)國家節(jié)能利廢、保護(hù)生態(tài)的號召。尤其是在礦區(qū)更能夠節(jié)約運輸成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。