煤矸石在道路工程中的應(yīng)用研究

張金龍

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安710065）

1 引言

煤矸石用作道路基層材料有著明顯優(yōu)勢(shì)：（1）煤矸石的種類和品質(zhì)無特殊要求，對(duì)有害成分含量限制要求不高；（2）煤矸石堆存量大，應(yīng)用在道路工程中無須進(jìn)行特殊處理及采用特殊技術(shù)手段。目前，煤矸石用于道路基層的研究尚不多，應(yīng)用實(shí)例有限，因此，分析目前研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，明確未解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，對(duì)煤矸石在公路工程中的推廣應(yīng)用十分必要。

2 煤矸石在道路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，關(guān)于煤矸石的分類未達(dá)成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際施工情況，可根據(jù)煤矸石的燃燒情況分為未燃煤矸石和已燃煤矸石。未然煤矸石以黑色為主，風(fēng)化程度低；已燃煤矸石多為塊狀及顆粒狀，可燃性成分少，氧化鋁、氧化硅的含量較高，礦物成分活性大，利于工程應(yīng)用。煤矸石的穩(wěn)定性指標(biāo)包括顆粒組成、膨脹和崩解性、壓縮性、燒失率、有機(jī)質(zhì)含量、滲透性、水穩(wěn)定性、抗剪切特性等。研究表明，煤矸石水穩(wěn)定性不好，有弱膨脹性及崩解性，且存在自燃等問題，在用于路基填筑材料時(shí)，需摻入一定比例的細(xì)顆粒和合適的穩(wěn)定材料，并充分壓密，保證較好的排水、隔水條件。

東南大學(xué)巖土工程研究所劉松玉[1]等對(duì)徐州北部地區(qū)路用煤矸石的基本粒度特性及其顆粒破碎細(xì)化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了其對(duì)各種工程力學(xué)特性的影響，包括壓實(shí)度、滲透、水穩(wěn)、壓縮、承載、變形與強(qiáng)度特性等。建立了煤矸石的“強(qiáng)度-變形”的本構(gòu)關(guān)系，并擬合出煤矸石路基在循環(huán)動(dòng)力荷載作用下“動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變”關(guān)系曲線，為煤矸石路堤的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)變形及循環(huán)荷載下累計(jì)變形的計(jì)算提供了理論模型。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)馬占國(guó)[2]對(duì)某礦松散煤矸石進(jìn)行破碎、顆粒分級(jí)，通過壓實(shí)特性試驗(yàn)得到煤矸石壓實(shí)曲線、側(cè)壓曲線，討論粒度對(duì)壓實(shí)特性的影響，為該礦區(qū)利用煤矸石進(jìn)行路基充填提供了試驗(yàn)依據(jù)；同時(shí)，總結(jié)了軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、泊松比、彈性模量等變形模量的變化規(guī)律，對(duì)壓實(shí)過程中的變形機(jī)理做出合理解釋。

長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院王修山[3]等通過調(diào)研山東某公路的煤矸石路基實(shí)際使用狀況，評(píng)價(jià)了煤矸石路基替代石灰土和素土在路基使用后所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和生態(tài)優(yōu)勢(shì)：有效節(jié)約耕地資源和植被，顯著減少固體廢棄物污染。

目前，煤矸石材料主要用作道路基層材料，在面層的應(yīng)用研究相對(duì)較少。楊麗英[4]等通過研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石與普通礦質(zhì)集料具有相似的物理力學(xué)性能，除針片狀顆粒含量較高外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。煤矸石的密度小、黏附性較差，需摻配傳統(tǒng)石灰?guī)r集料拌制混合料。北京長(zhǎng)安街大修工程和海淀區(qū)惠新西街均有煤矸石瀝青混合料面層的鋪裝應(yīng)用，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，用煤矸石替代部分粗集料的瀝青混合料，其高溫穩(wěn)定性良好，不同粗骨料對(duì)水穩(wěn)定性（RS 與TSR 值）和低溫抗裂性影響不大，具有可觀的應(yīng)用前景。

3 煤矸石實(shí)體工程應(yīng)用與評(píng)價(jià)

我國(guó)煤矸石應(yīng)用于路基的研究始于20 世紀(jì)80 年代，工程實(shí)踐表明，煤矸石是一種高性能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的石礦材料，其作為土工填充材料的應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)綜合利用煤矸石資源的主要方式。本文通過調(diào)研，總結(jié)了國(guó)內(nèi)煤矸石路基應(yīng)用實(shí)體工程及其使用效果，詳見表1。

表1 煤矸石路基實(shí)體工程應(yīng)用案例

由表1 可知：（1）用石灰、粉煤灰穩(wěn)定煤矸石材料的應(yīng)用效果最佳，主要原因是粉煤灰的活性較高，混合料的反應(yīng)程度增加，強(qiáng)度得到提升，推薦配合比為石灰∶粉煤灰∶煤矸石=5∶15∶80；（2）綜合利用赤泥等化工廠廢棄物，可制備更為耐久的生態(tài)型基層材料；（3）煤矸石填筑路基的實(shí)際應(yīng)用效果較好，材料的力學(xué)性能、耐久性能和環(huán)境性能優(yōu)良。

4 煤矸石混合料基層施工工藝

煤矸石混合料壓實(shí)過程是一個(gè)破碎壓密的過程，矸石塊經(jīng)過破碎、壓密、再破碎、再壓密的漸進(jìn)壓密，粗大矸石塊的比例降低，細(xì)小顆粒比例提高，混合料的顆粒級(jí)配逐步得到改良。若采用傳統(tǒng)碾壓工藝進(jìn)行施工，在碾壓過程中煤矸石破碎會(huì)消耗部分壓實(shí)力，將導(dǎo)致基層壓實(shí)度和強(qiáng)度達(dá)不到規(guī)范要求。

針對(duì)煤矸石混合料自身特點(diǎn)，推薦使用“J3Z4N2 法”開展施工?？傮w施工流程為：基層地面處理→施工放樣→攤鋪→拌和→整平→“J3Z4N2 法”壓實(shí)→養(yǎng)護(hù)。其中，“J3Z4”即振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行靜壓和振壓交替壓實(shí)，靜壓3 遍、振壓4 遍，通過靜壓使煤矸石充分破碎，振動(dòng)碾壓進(jìn)一步調(diào)整煤矸石的接觸狀態(tài)，使其顆粒相互靠近、重新排列，改良原有級(jí)配，以減小混合料的空隙率、提高密實(shí)度；“N2”即振壓后使用凈碾壓路機(jī)對(duì)路段進(jìn)行碾壓2 遍，使混合料充分密實(shí)并最終穩(wěn)定。碾壓應(yīng)在最佳含水量下進(jìn)行，并隨時(shí)檢查路面基層的密實(shí)情況。

5 結(jié)語

煤矸石用作道路基層材料的研究與應(yīng)用已取得一定成效和進(jìn)展。本文通過系統(tǒng)闡述煤矸石的分類情況、理化特性及其在道路基層和面層中的應(yīng)用情況與施工工藝，得出以下結(jié)論：

1）燃矸性質(zhì)穩(wěn)定，活性大，自然級(jí)配較好，工程應(yīng)用效果好；未燃矸級(jí)配不良，常要經(jīng)過破碎程序，使用時(shí)需摻入細(xì)料，成本較高，且性質(zhì)不穩(wěn)定，不建議工程應(yīng)用；

2）用石灰、粉煤灰穩(wěn)定煤矸石材料的應(yīng)用效果最佳，主要原因是粉煤灰的活性較高，混合料的反應(yīng)程度增加，強(qiáng)度得到提升，推薦配合比為石灰∶粉煤灰∶煤矸石=5∶15∶80；

3）煤矸石混合料施工過程建議采用“J3Z4N2 法”，采用靜壓和振壓交替壓實(shí)，使混合料充分密實(shí)；

4）煤矸石填筑路基的實(shí)際應(yīng)用效果較好，材料的力學(xué)性能、耐久性能和環(huán)境性能優(yōu)良，具有廣闊的發(fā)展前景。