煤矸石填筑路基的可行性研究

李 鑫 公維強(qiáng) 譚 凱 張國(guó)蓮

(1.新汶礦業(yè)集團(tuán)翟鎮(zhèn)煤礦，山東 泰安 271204； 2.山東礦業(yè)管理集團(tuán)礦建第二項(xiàng)目部，山東 濟(jì)寧 271000)

煤矸石填筑路基的可行性研究

李 鑫1公維強(qiáng)2譚 凱1張國(guó)蓮1

(1.新汶礦業(yè)集團(tuán)翟鎮(zhèn)煤礦，山東 泰安 271204； 2.山東礦業(yè)管理集團(tuán)礦建第二項(xiàng)目部，山東 濟(jì)寧 271000)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)山東泰安地區(qū)煤矸石的壓碎值和化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，分析得出煤矸石的強(qiáng)度以及耐久性符合填筑路基材料的要求，并指出煤矸石作為一般道路的填筑材料具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

煤矸石，路基，路用性能，可行性

0 引言

煤矸石是煤炭開(kāi)采和煤炭加工過(guò)程中被分離出來(lái)的一種含碳量低、相對(duì)比較堅(jiān)硬的黑色廢棄巖石[1]。煤矸石占用大量的土地資源，長(zhǎng)時(shí)間堆積之后，會(huì)伴隨著風(fēng)化自燃現(xiàn)象釋放SO2，H2S等有毒氣體和有害煙塵，嚴(yán)重污染自然環(huán)境，危害生態(tài)環(huán)境安全以及人類身心健康[2-5]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤矸石的開(kāi)發(fā)及利用有所發(fā)展，然而煤矸石的整體利用率相對(duì)較低，技術(shù)方面也存在較大缺陷。目前國(guó)內(nèi)一些公路已利用煤矸石作為路基的填筑材料[6，7]，但由于煤矸石物理化學(xué)成分復(fù)雜，作為路基填筑材料的基本性能和各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)都沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，因此在公路上用作路基填料還沒(méi)有得到大面積推廣。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)山東泰安地區(qū)煤矸石作為路基填料在原材料試驗(yàn)和原材料的選擇等方面進(jìn)行研究，為以后煤矸石大量用于路基填料提供依據(jù)。

1 化學(xué)組成

不同類型的煤矸石其化學(xué)組分含量如表1所示[1]。由表1可知，不同巖石、礦物類型的煤矸石，其化學(xué)成分含量有很大差異；煤矸石的重要組成成分為SiO2和Al2O3兩種氧化物，與粘土的礦物組分非常類似，可以取代粘土作為水泥硅、鋁的原料來(lái)源；非富鋁質(zhì)煤矸石相對(duì)于富鋁質(zhì)煤矸石SiO2和Al2O3的含量較低，F(xiàn)e2O3，CaO和MgO的含量相對(duì)較高。Al2O3/SiO2的比值是影響煤矸石綜合利用方向的決定性因素，該比值大于0.5的煤矸石可塑性較強(qiáng)，可以用做高級(jí)陶瓷以及煅燒高嶺土和分子篩的原材料[1]。

表1 煤矸石的化學(xué)組分[1] %

2 煤矸石路基的特性研究

2.1 煤矸石路基的基本特點(diǎn)

1)煤矸石填筑路基的不穩(wěn)定性。在煤矸石路基的碾壓過(guò)程中，首先大塊粒徑的煤矸石原有結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞,成為吸水性較強(qiáng)的裂隙不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；同時(shí)煤矸石會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使得路基體積膨脹；其次在水化反應(yīng)過(guò)程中大量的水分子被消耗，填料粒子間的摩擦力增大，顆粒間空隙也會(huì)增大。上述各種情況勢(shì)必會(huì)造成路基膨脹開(kāi)裂、松動(dòng)，甚至導(dǎo)致路基塌縮，對(duì)高等級(jí)路面而言，這樣的脹縮是非常不利的。2)煤矸石路基施工要求的獨(dú)特性。煤矸石填筑路基的不穩(wěn)定性決定了煤矸石路基施工的獨(dú)特性。灑水極其重要，不僅要提供壓實(shí)所需的填料顆粒間起潤(rùn)滑作用的水膜，還要提供化學(xué)反應(yīng)所需的水分，保證層間間隔時(shí)間盡可能使煤矸石的物理化學(xué)反應(yīng)達(dá)到完全結(jié)束。

2.2 煤矸石填筑路基的優(yōu)點(diǎn)

作為路基填筑材料的煤矸石與其他填筑材料相比，其本身具有獨(dú)特的性質(zhì)。煤矸石路基成型快，在填筑材料的含水指標(biāo)方面要求較寬松，沒(méi)有土質(zhì)路基高。雨季施工對(duì)煤矸石的影響較小。煤矸石路基也不會(huì)出現(xiàn)像土質(zhì)路基的泥濘和翻漿的現(xiàn)象。煤矸石路基的抗凍性和水穩(wěn)性良好，在低洼潮濕地段只要適當(dāng)?shù)膶?duì)煤矸石進(jìn)行相應(yīng)的處理以及適當(dāng)?shù)膲簩?shí)即可保證所填筑路基的穩(wěn)定。煤矸石路基的分層填筑厚度可以適當(dāng)放寬，結(jié)合具體施工情況可以選擇40 cm～60 cm，在施工過(guò)程中能夠節(jié)省工序，減少人工以及機(jī)械的工作量。使用大量的煤矸石填筑路基，不僅可以降低煤矸石對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)也減少了煤矸石的占地面積。

3 煤矸石路用性能室內(nèi)試驗(yàn)研究

填筑路基的煤矸石必須滿足路基填料的一些基本性能，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，選取具有代表性的試驗(yàn)材料，對(duì)良莊、白莊兩礦煤矸石的壓碎值和水溶性進(jìn)行研究。

3.1 煤矸石的壓碎值試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程中相關(guān)壓碎值的測(cè)定方法，本試驗(yàn)分別從良莊煤礦和白莊煤礦選取15 kg的10 mm～15 mm粒組的煤矸石進(jìn)行試驗(yàn)，每礦做三組。分別將兩個(gè)煤礦的煤矸石裝入試模內(nèi)，整平搗實(shí)后放置在壓力機(jī)上，在短時(shí)間內(nèi)均勻的施加荷載至400 kN，穩(wěn)壓5 s后卸掉載荷，然后再用2.36 mm的篩進(jìn)行篩分、稱重，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，一級(jí)公路及高速公路集料壓碎值不應(yīng)超過(guò) 30%，二級(jí)及二級(jí)以下公路集料壓碎值不應(yīng)超過(guò) 35%，以上兩種煤矸石均符合規(guī)范要求。

3.2 煤矸石的水化試驗(yàn)

從良莊煤礦和白莊煤礦分別稱取200 g煤矸石，分布編號(hào)為良莊1、良莊2、白莊1、白莊2。把編號(hào)為1的煤矸石分別放入酸堿度值為9.5的400 mL碳酸鈉溶液中，把編號(hào)為2的煤矸石分別放入酸堿度值為7的400 mL蒸餾水中。充分浸泡7 d，期間每隔24 h檢測(cè)各溶液的酸堿度值，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和表4。

表2 煤矸石壓碎值試驗(yàn)

表3 煤矸石在碳酸鈉溶液中的pH值

由表3可以看出，良莊煤礦的煤矸石在碳酸鈉溶液中浸泡至144 h時(shí)，其酸堿度值基本達(dá)到穩(wěn)定值7.71，這說(shuō)明良莊煤礦的煤矸石的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定；而白莊煤礦的煤矸石在碳酸鈉溶液浸泡過(guò)程中，其酸堿度值減小速度比良莊煤礦的煤矸石快，至120 h時(shí)，其酸堿度值就達(dá)到穩(wěn)定值7.42，這些說(shuō)明白莊煤礦的煤矸石的化學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)較差。

表4 煤矸石在蒸餾水中的pH值

由表4分析可得，良莊煤礦的煤矸石在蒸餾水中浸泡至120 h時(shí)，其酸堿度值相對(duì)穩(wěn)定在6.77，而白莊煤礦的煤矸石在蒸餾水中浸泡至144 h時(shí)，其酸堿度值相對(duì)穩(wěn)定在6.87。比較可知，良莊煤礦的煤矸石在蒸餾水中的酸堿度值減小的速度較快，且幅度也相對(duì)較大，而白莊煤礦的煤矸石在蒸餾水中酸堿度值減小幅度相對(duì)較小，由此比較得出白莊煤礦的煤矸石性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。將浸泡后的煤矸石應(yīng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾、干燥、稱量，從而確定不同煤矸石的水溶性，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可得，良莊煤礦的煤矸石的水溶性較小，水穩(wěn)定性相對(duì)較好，而白莊煤礦的煤矸石的水溶性較大，水穩(wěn)定性相對(duì)較差；比較可知，良莊煤礦的煤矸石因其水穩(wěn)定性相對(duì)較好而應(yīng)被首選用作筑路材料。

表5 煤矸石的水溶性 %

4 煤矸石路基的效益分析

4.1 工程效益分析

用煤矸石填筑路基時(shí)，單層路基的壓實(shí)厚度可達(dá)到土路基單層壓實(shí)厚度的2倍～3倍，這不僅能夠充分發(fā)揮筑路機(jī)械的效率加快工程進(jìn)度，而且能夠節(jié)省設(shè)備費(fèi)用，節(jié)約工程造價(jià)。煤矸石路基本身透水性較好，施工時(shí)對(duì)氣候條件的要求較低，不受雨季影響，雨后可以不用翻曬，雨停即可施工，而且不會(huì)出現(xiàn)泥濘和翻

漿等現(xiàn)象。煤矸石路基沉降量、彎沉值都比較小，利于路基的整體穩(wěn)定，易滿足路基的工程質(zhì)量要求。通過(guò)對(duì)煤矸石的物理、化學(xué)性能以及對(duì)路基的影響綜合分析可知，煤矸石作為路基填料不僅在技術(shù)上滿足要求，而且技術(shù)效益也很可觀。

4.2 生態(tài)效益分析

煤矸石的大量堆積會(huì)給自然以及人類生活帶來(lái)可見(jiàn)的和不可見(jiàn)的嚴(yán)重危害。有一種污染是有形的，即煤矸石自燃所帶來(lái)的危害。歷史上煤矸石自燃帶來(lái)的最大的危害事件就屬1952年英國(guó)倫敦的“硫酸霧事件”[9]。而有一種污染是無(wú)形的，一旦人們長(zhǎng)期飲用被煤矸石中的重金屬污染的地下水，人們身體的一些器官就會(huì)發(fā)生病變。

如果合理利用煤矸石，并且在利用過(guò)程中不造成煤矸石的二次或者多次污染，不僅會(huì)造福于人類，也是對(duì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的詮釋。利用煤矸石填筑路基，不僅能夠減少對(duì)堆放料場(chǎng)地的占用、節(jié)約耕地，同時(shí)還能夠減少飛塵對(duì)周圍環(huán)境的危害，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，更具有很高的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)可知煤矸石的壓碎值和化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性符合填筑路基材料的要求，證明了煤矸石路基的強(qiáng)度以及耐久性。

2)對(duì)煤矸石填筑路基的技術(shù)效益和生態(tài)效益進(jìn)行了深入分析，得出煤矸石填筑路基比土路基的性能好、造價(jià)低，煤矸石作為一般道路的填筑材料具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 孟憲忠.煤矸石路基路用性能研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位論文,2013.

[2] 楊秀敏，胡桂娟，李 寧，等.煤矸石山的污染治理與復(fù)墾技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè),2008(6)：11-13.

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[9] 賀曉錦.淺談強(qiáng)夯法在公路工程中的應(yīng)用[J].才智,2011(7)：23-24.

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Research on feasibility of gangue in building roadbed

LI Xin1GONG Wei-qiang2TAN Kai1ZHANG Guo-lian1

(1.ZhaizhenCoalMine,XinwenCoalIndustryGroup,Tai’an271204,China;2.SecondProgramDepartment,ShandongCoalIndustryManagementGroup,Jining271000,China)

By indoor experiments, the paper researches the crushing value of gangue of Tai’an and stability of chemical features, concludes the strength and durability of the gangue meets the demands of the roadbed material, and points out the filling material of gangue has broader application value.

gangue, roadbed, road performance, feasibility

1009-6825(2014)28-0161-02

2014-07-25

李 鑫(1989- )，男，助理工程師； 公維強(qiáng)(1990- )，男，助理工程師； 譚 凱(1972- )，男，助理工程師； 張國(guó)蓮(1968- )，男，助理工程師

U416.1

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