粉煤灰、煤矸石混合料的路用性能試驗(yàn)研究

張虎彪，童彧斐，延常玉，華樹東，李宏波,3,4*

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.寧夏華晟節(jié)能環(huán)保科技有限公司，寧夏銀川 750004；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川 750021；4.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏銀川 750021）

煤炭及煤化工行業(yè)是寧夏的傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，隨著原煤生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和發(fā)電需求增加，粉煤灰和煤矸石的排放量將進(jìn)一步增大，但固體廢渣綜合利用率還不到30%[1]。寧夏寧東渣場露天堆放的粉煤灰和煤矸石長期堆放不僅占用土地，而且在風(fēng)化和雨水浸泡作用下，導(dǎo)致有害物質(zhì)進(jìn)入土體，對(duì)土體造成危害[2—3]。為防止這些固體廢渣對(duì)環(huán)境、人體和動(dòng)物等造成嚴(yán)重危害，需進(jìn)一步提高粉煤灰和煤矸石的資源利用率[4—6]。眾多學(xué)者針對(duì)工業(yè)固體廢渣的利用展開了廣泛的研究。顏美[7]將黏土和煤矸石按照1∶1 的比例進(jìn)行摻和，通過試驗(yàn)得到加州承載比滿足高速公路路基規(guī)范要求。張雁等[8]在非飽和壓實(shí)膨脹土中摻入煤矸石，可以明顯提高非飽和膨脹土的CBR 值。馬繽輝等[9]用煤矸石粉改良了南方地區(qū)廣泛存在的膨脹土，并且確定了煤矸石粉摻比為8%時(shí)可以有效改良膨脹土路基。陽軍生等[10]研究發(fā)現(xiàn)煤矸石與土的質(zhì)量比為3∶1～4∶1 時(shí)土石混合料的作用強(qiáng)度較大，完全滿足規(guī)范要求。從上述研究現(xiàn)狀可以看出，大多數(shù)學(xué)者多以黃土、黏土、膨脹土等與煤矸石按照一定比例進(jìn)行摻和作為道路路基填筑材料，而將粉煤灰、煤矸石按一定比例摻和作為路基填料的研究報(bào)道較少。因此，本文以寧夏寧東1號(hào)渣場的粉煤灰和水洗煤矸石為原材料，通過擊實(shí)試驗(yàn)、膨脹量和CBR 試驗(yàn)對(duì)其路用性能進(jìn)行研究，旨在研究粉煤灰、煤矸石混合料改良公路路基或替代砂夾石填筑路基用料提供理論依據(jù)，以此減少工業(yè)固體廢渣對(duì)環(huán)境的污染。

1 材料與方法

1.1 原材料

煤矸石：寧夏回族自治區(qū)寧東1 號(hào)渣場水洗煤矸石。粉煤灰：寧夏回族自治區(qū)寧東1 號(hào)渣場粉煤灰。水：自來水。煤矸石的篩分試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 水洗煤矸石篩分試驗(yàn)結(jié)果

通過X 射線熒光光譜分析（XRF）粉煤灰和煤矸石的化學(xué)組成成分，其檢測結(jié)果見表2。由表2 可知，粉煤灰和煤矸石的化學(xué)成分中含有少量堿性氧化物、硫化物及未燃盡的有機(jī)質(zhì)，粉煤灰和煤矸石中的SiO2、Al2O3、Fe2O3三者質(zhì)量分?jǐn)?shù)的和大于75%，且燒失量均低于10%。因此，根據(jù)粉煤灰和煤矸石的化學(xué)成分組成可以初步判斷其化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。

表2 煤矸石和粉煤灰的化學(xué)組成成分

1.2 試驗(yàn)方案

本文采用粉煤灰摻比分別為0，5%，10%，15%，20%的試驗(yàn)方案，每組編號(hào)分別為FA0，F(xiàn)A5，F(xiàn)A10，F(xiàn)A15，F(xiàn)A20，混合料配合比見表3。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，分別對(duì)五組混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，計(jì)算最佳含水率和最大干密度。

表3 混合料配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)五組不同摻比的混合料進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，測定其最大干密度和最佳含水率，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4 可知，純煤矸石的最大干密度最大，其值為2.21 g/cm3，對(duì)應(yīng)的最佳含水率為4.6%。隨著粉煤灰摻比的增加，粉煤灰、煤矸石混合料的最大干密度開始減小。這是因?yàn)槊喉肥亩逊e密度大于粉煤灰的堆積密度，當(dāng)粉煤灰等質(zhì)量替代煤矸石時(shí)，混合料的總體積增大，而試件的體積是固定的，當(dāng)粉煤灰摻比增加時(shí)，試件的質(zhì)量卻隨之減小。此外，由于粉煤灰的比表面積大，當(dāng)粉煤灰摻比不斷增加時(shí)，故試件所需水增加。綜上所述，當(dāng)粉煤灰摻比增加時(shí)，粉煤灰和煤矸石混合料的最大干密度不斷減小。

表4 粉煤灰煤矸石混合料的最大干密度和最佳含水率

2.2 膨脹量試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范對(duì)制作好的試件進(jìn)行膨脹量試驗(yàn)，如圖1 所示。

圖1 膨脹量試驗(yàn)

通過公式（1）對(duì)五組不同配比的粉煤灰、煤矸石混合料進(jìn)行膨脹量的計(jì)算并繪制粉煤灰摻比與膨脹量的關(guān)系曲線，如圖2 所示。由圖2 可知，其混合料的膨脹量隨粉煤灰摻比的增大不斷增加，原因是粉煤灰顆粒呈多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率較高。同時(shí)，粉煤灰的比表面積大，具有較強(qiáng)的吸水性。當(dāng)試件浸水96 h后，混合料中粉煤灰已吸附了充足的水分，致使試件的體積發(fā)生膨脹。所以粉煤灰、煤矸石混合料的膨脹量隨粉煤灰摻比呈上升趨勢。通過試驗(yàn)得到純煤矸石的膨脹量為0.05%，當(dāng)粉煤灰摻比為20%時(shí)，粉煤灰、煤矸石混合料的膨脹量達(dá)到最大值0.1%，但仍遠(yuǎn)小于膨脹土的膨脹量2%～6%。

圖2 粉煤灰摻比與膨脹量的關(guān)系曲線

2.3 CBR 試驗(yàn)

等試件泡水終了后，對(duì)試件進(jìn)行貫入量測量，如圖3 所示。計(jì)算時(shí)，一般采用貫入量為2.5 mm 時(shí)的單位壓力（p）與標(biāo)準(zhǔn)壓力之比作為材料的承載比（CBR），同時(shí)計(jì)算貫入量為5 mm 時(shí)的CBR 值，計(jì)算公式見公式（2）和（3）。

在計(jì)算過程中，如果5 mm 的貫入量大于2.5 mm的貫入量的CBR 值，則試驗(yàn)需要重做，若結(jié)果仍然如此，則CBR 值取兩次貫入量為5 mm 的平均值。通過計(jì)算并繪制粉煤灰摻比與CBR 值的關(guān)系曲線，如圖4 所示。由圖4 可知：當(dāng)粉煤灰摻比為0 時(shí)，純煤矸石的CBR 值為11.95%；隨著粉煤灰摻比的增加，且粉煤灰摻比不大于15%時(shí)，土石混合料的CBR 值不斷上升。這是因?yàn)榉勖夯揖哂形⒓闲?yīng)和火山灰效應(yīng)，當(dāng)粉煤灰等質(zhì)量代替煤矸石后，粉煤灰的微集料效應(yīng)對(duì)煤矸石起到填充和密實(shí)作用，增加了試件的勻質(zhì)性和致密性，增強(qiáng)了粉煤灰、煤矸石混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；其次，粉煤灰的活性效應(yīng)使它的活性成分與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成C-A-H和C-S-H 等膠凝物質(zhì)，直接提高了試件的強(qiáng)度。當(dāng)粉煤灰摻比為15%時(shí)，土石混合料的CBR 值達(dá)到最大值29.32%；當(dāng)粉煤灰的摻比大于15%以上時(shí)，土石混合料的CBR 值開始下降。這是因?yàn)殡S著粉煤灰摻比的進(jìn)一步增大，使得混合料中的細(xì)集料偏多，主要承擔(dān)骨架作用的粗集料減少，導(dǎo)致試件內(nèi)部骨架支撐力降低，咬合力減小，最終表現(xiàn)為試件的承載力降低。

圖3 CBR 試驗(yàn)

通過試驗(yàn)得到貫入量與單位壓力p 的值，繪制得貫入量與單位壓力p 的關(guān)系曲線，如圖5 所示。由圖5 可知，純煤矸石貫入量為2.5 mm 和5 mm 時(shí)的CBR 值分別為7.8%和11.95%，再次試驗(yàn)5 mm 的CBR 值仍然大于2.5 mm 的值，則采用5 mm 時(shí)的CBR 值，故純煤矸石的CBR 值為11.95%。同理可得5%，10%，15%，20%粉煤灰摻比混合料的CBR值分別為19.43%，25.69%，29.32%，27.42%。

圖4 粉煤灰摻比與CBR 值的關(guān)系曲線

圖5 貫入量與單位壓力p 的關(guān)系曲線

根據(jù)貫入量與單位壓力p 的關(guān)系曲線，通過換算得到其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（圖6），根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線段的斜率計(jì)算其彈性模量的大小。由圖6 可知，純煤矸石在擊實(shí)后彈性模量約為34.2 MPa，而粉煤灰煤矸石混合料彈性模量約為83 MPa。二者相差約50 MPa，其主要原因是，粉煤灰中含有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿性氧化物，可以與水及活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的膠凝物質(zhì)，進(jìn)而增加了試件的強(qiáng)度。

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

3 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)得到純煤矸石的膨脹量為0.05%，當(dāng)粉煤灰摻比為20%時(shí)，粉煤灰、煤矸石混合料的膨脹量為0.10%，其膨脹量值也遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限值0.70%，可以直接作為路堤填料。

（2）由CBR 試驗(yàn)可知，土石混合料的CBR 值隨粉煤灰摻比的增加呈先增后減的趨勢；當(dāng)粉煤灰摻比為15%時(shí)，CBR 值達(dá)到最大值29.32%。

（3）通過對(duì)不同摻配比例下粉煤灰、煤矸石混合料的粒徑分布、成分組成、膨脹量及CBR 值等進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：摻粉煤灰混合料的路用性能優(yōu)于純煤矸石填料。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議在工程應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況摻配15%左右的粉煤灰。