水穩(wěn)煤矸石在道路底基層應(yīng)用的試驗(yàn)研究

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(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程管理系，山西 太原 030031)

引言

隨著我國(guó)對(duì)煤炭的大量開(kāi)采，煤矸石的數(shù)量也在不斷增加，嚴(yán)重污染了環(huán)境，危害著人們的健康。隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，各種工業(yè)廢渣的利用問(wèn)題已受到人們的普遍重視。對(duì)于煤矸石的環(huán)境治理，目前國(guó)內(nèi)外主要從兩個(gè)方面加以解決：一是采用一定的措施控制煤矸石山的物化作用；二是對(duì)煤矸石進(jìn)行綜合利用[1]，其中將煤矸石用于道路水穩(wěn)底基層是一條合適的途徑。

我國(guó)目前利用煤矸石筑路還處于試驗(yàn)階段，尚無(wú)一套成熟的經(jīng)驗(yàn)。因此，有必要對(duì)煤矸石的物理力學(xué)特性進(jìn)行分析與研究。本文通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)孛喉肥M(jìn)行室內(nèi)和室外試驗(yàn)，驗(yàn)證了煤矸石作為道路底基層材料的可行性。

1 煤矸石路面基層強(qiáng)度的形成機(jī)理

1.1 煤矸石的化學(xué)組成

煤矸石是煤礦地下工程開(kāi)挖的固體廢棄物，來(lái)自于煤系地層，是含炭質(zhì)巖石和其他巖石組成的混合物。煤矸石主要有兩種：一種是未自燃的，外觀呈黑褐色；另一種是由于存放時(shí)間較長(zhǎng)，其中的可燃成分自燃以后，形成了淺紅色或白灰色的自燃煤矸石。煤矸石的化學(xué)組成主要有SiO2、Al2O3和Fe2O3。此外，還含有少量鈣、鎂、鉀、鈉等的氧化物和碳，性質(zhì)比較穩(wěn)定，是一種惰性材料，內(nèi)部反應(yīng)程度較弱，容易風(fēng)化破碎[2]。

1.2 煤矸石路面基層強(qiáng)度的形成機(jī)理

煤矸石混合料基層是以煤矸石為骨料，以消解石灰為粘結(jié)料，以粉煤灰為摻合料，加水拌和均勻的混合材料。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，經(jīng)過(guò)機(jī)械壓實(shí)后，空隙大大縮小，由于煤矸石顆粒之間的嵌鎖作用和結(jié)合料的粘結(jié)作用，產(chǎn)生一定的初期強(qiáng)度；另外，由于粉煤灰和煤矸石粉末中含有硅、鋁、鐵、鈣、鎂等氧化物，在適當(dāng)?shù)乃趾蜏囟葪l件下，能與Ca(OH)2發(fā)生火山灰效應(yīng)，主要生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，呈凝膠狀態(tài)或纖維狀結(jié)晶體，使煤矸石顆粒之間的粘結(jié)力增強(qiáng)。隨著齡期的增長(zhǎng)，這些水化物日益增多，使煤矸石混合料基層獲得越來(lái)越大的抵抗荷載作用的能力。煤矸石混合料基層的主要化學(xué)反應(yīng)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 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 煤矸石的顆粒組成

路基材料的級(jí)配是保證壓實(shí)的重要指標(biāo)。煤矸石在開(kāi)挖、運(yùn)輸和堆放過(guò)程中受到風(fēng)化作用，顆粒大小不一，具有一定的級(jí)配。表1為煤矸石原材料的篩分試驗(yàn)結(jié)果。

表1 煤矸石的篩分試驗(yàn)結(jié)果

從篩分結(jié)果來(lái)看，煤矸石中的小顆粒含量較高。對(duì)照規(guī)范[4]，2.36 mm篩孔的含量稍超出級(jí)配范圍。

2.2 液塑限試驗(yàn)

對(duì)煤矸石進(jìn)行液塑限試驗(yàn)，測(cè)得液限WL=41.7，塑限Wp=18.5，塑性指數(shù)Ip=23.2。

2.3 煤矸石混合料的試驗(yàn)結(jié)果

由于當(dāng)?shù)赝临Y源比較匱乏，而石料比較豐富，所以考慮用石粉來(lái)代替土作為細(xì)集料。通過(guò)試驗(yàn)，10%的石粉和90%的煤矸石外摻6%的水泥，其強(qiáng)度可達(dá)到3.7 MPa，完全滿足強(qiáng)度要求。表2是煤矸石摻土或石粉與不同劑量水泥后的試驗(yàn)結(jié)果。

表2 煤矸石摻土或石粉與不同劑量水泥后的試驗(yàn)結(jié)果

由于煤矸石的篩分試驗(yàn)中2.36 mm篩孔的含量稍超出級(jí)配范圍，所以摻入一定量的石粉來(lái)改善其級(jí)配。對(duì)摻入10%石粉的煤矸石進(jìn)行液塑限試驗(yàn)，測(cè)得液限WL=37.4，塑限Wp=22.9，塑性指數(shù)Ip=14.5?？梢钥闯?，其液限以及塑性指數(shù)較煤矸石有所減小。

試驗(yàn)測(cè)得的壓碎值為29.1%，符合技術(shù)規(guī)范的要求(壓碎值≯30%)。

2.4 擊實(shí)試驗(yàn)與CBR試驗(yàn)

對(duì)摻入10%石粉的煤矸石做擊實(shí)試驗(yàn)，求得其最大干密度為1.97 g/cm3，最佳含水量為11.2%。通過(guò)CBR試驗(yàn)[5]測(cè)得的CBR值非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，并且膨脹量為零，滿足技術(shù)要求。

2.5 無(wú)機(jī)結(jié)合料滴定試驗(yàn)

通過(guò)無(wú)機(jī)結(jié)合料滴定試驗(yàn)，測(cè)定水泥劑量消耗的EDTA體積見(jiàn)表3。

表3 不同劑量水泥的EDTA消耗量

2.6 水穩(wěn)煤矸石底基層試驗(yàn)段試驗(yàn)

水穩(wěn)煤矸石底基層試驗(yàn)段的配合比為：石粉∶煤矸石(質(zhì)量比)=10∶90，設(shè)計(jì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.0 MPa，實(shí)測(cè)強(qiáng)度為2.9 MPa，由于摻加6%的水泥強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)值很多，所以建議試驗(yàn)段水泥摻配比例為5.5%。最大干密度為1.97 g/cm3，最佳含水量為11.2%。

3 施工工藝

煤矸石中含有硫和鈣成分，水泥中也含有大量鈣的化合物，遇水容易與硫酸鹽反應(yīng)形成CaSO4。雖然鹽類有助于水穩(wěn)成型，但由于易溶于水，鹽的流失直接影響其強(qiáng)度。所以，在施工過(guò)程中必須在路基兩側(cè)用土路肩進(jìn)行封閉。

4 室外試驗(yàn)

4.1 無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)

隨著施工的進(jìn)行，對(duì)每天的煤矸石無(wú)機(jī)結(jié)合料抽檢并做試件進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。對(duì)2012年4月30日和5月30日的煤矸石無(wú)機(jī)結(jié)合料留樣，并進(jìn)行其不同齡期的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)。從無(wú)側(cè)限試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著齡期的增加其強(qiáng)度在不斷地提升并且逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 抽檢強(qiáng)度

該工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度為2.0 MPa，壓實(shí)度要求96%。抽查10個(gè)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的平均值為3.1 MPa，并且每組的平均值均大于其評(píng)定值，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。另外，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)壓實(shí)度平均值達(dá)到97.5%，評(píng)定值為97.2%，檢測(cè)結(jié)果也滿足要求。對(duì)4月30日攤鋪的段落，在5月7日進(jìn)行了鉆芯試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明煤矸石成型完好密實(shí)。

4.3 綜合評(píng)價(jià)

對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察，鋪筑水穩(wěn)煤矸石底基層已有幾個(gè)月的時(shí)間，由于運(yùn)料車往返碾壓，除表面稍有松散外，未發(fā)現(xiàn)有任何病害；從彎沉來(lái)看，不做水穩(wěn)煤矸石的路基平均彎沉為80.9 mm，已做水穩(wěn)煤矸石底基層的彎沉為39.1 mm，說(shuō)明其物理力學(xué)性能較好，完全滿足一級(jí)路底基層的要求[6]。

5 結(jié)論

5.1 煤矸石的塑性指數(shù)可通過(guò)摻配石粉予以改善，壓碎值沒(méi)有超過(guò)規(guī)范規(guī)定的30%，膨脹量為零。參照規(guī)范[7]，如果級(jí)配不好，可通過(guò)粉碎機(jī)粉碎并過(guò)篩，煤矸石底基層強(qiáng)度可控制在1.5～2.5 MPa。水泥劑量采用5%～6%，水泥采用初凝和終凝時(shí)間較長(zhǎng)的32.5 MPa水泥。

5.2 煤矸石作為公路工程底基層材料的優(yōu)點(diǎn)是：在有水的條件下可以生成鹽填充于內(nèi)部的空隙，使結(jié)合料結(jié)合得更加緊密，有助于水穩(wěn)的成型，而且可以解決廢物利用問(wèn)題。

5.3 煤矸石用作公路工程底基層材料的缺點(diǎn)是：煤矸石裸露在空氣中容易風(fēng)化，在有流動(dòng)水的作用下可以溶解早期形成的鹽，并將之帶走，使結(jié)合料失去結(jié)合作用的鹽而導(dǎo)致呈不穩(wěn)定狀態(tài)。

5.4 煤矸石用作道路底基層材料的實(shí)踐表明，不僅可提高道路質(zhì)量，降低工程造價(jià)，而且解決了環(huán)境污染及占地問(wèn)題，但其穩(wěn)定性還有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣愛(ài)良.煤矸石的組成特征及利用途徑[J].中國(guó)煤炭，2000，26(3)：25-27.

[2] 劉春榮，宋宏偉，董斌.煤矸石用于路基填筑的探討[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，30(3)：294-297.

[3] 何上軍.煤矸石作路面基層材料的探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，1999(1)：114-117.

[4] JTG E42—2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2005.

[5] JTG E40—2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2007.

[6] JTG F80/1—2004，公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(土建工程)[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7] JTJ 034—2000，公路路面基層施工技術(shù)規(guī)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