煤矸石集料路面基層材料應(yīng)用研究

閆廣宇 周明凱 陳 瀟 于 剛 劉補良 康 壯

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室1) 武漢 430070) (山西西山煤電(集團)華通水泥廠2) 太原 030053)

0 引 言

煤矸石是在成煤過程中與煤炭伴生的一種含碳量低，硬度較大的黑色巖石，在開采和洗選過程中被分離出來的一種工業(yè)廢棄物[1].我國是煤炭生產(chǎn)和使用大國，2015年，我國煤炭產(chǎn)量為37.5億噸，煤矸石排放量達7.8億噸，截止2017年，現(xiàn)堆存的煤矸石累計達到70億噸，且每年以3億噸的排放量遞增，已形成2 600余座煤矸石山，占地1.3萬km2，煤矸石的大量堆存不僅占用土地資源，還會發(fā)生自燃、滑坡災(zāi)害，造成大氣、水體、土壤等污染情況,對人類的身心健康產(chǎn)生巨大潛在危害[2-7].

煤矸石是二次資源，其化學(xué)組成主要為SiO2(成分含量30%～65%)和Al2O3(成分含量15%～40%)，礦物成分主要為石英、高嶺石、伊利石、黃鐵礦、長石等[8]，其化學(xué)組成變化范圍大、礦物成分復(fù)雜，降低煤矸石的綜合利用率.研究表明:煤矸石中的殘留煤、有機質(zhì)及部分軟巖，在氧化環(huán)境下可能發(fā)生自燃，有機質(zhì)則會出現(xiàn)灰化，導(dǎo)致過量的壓縮變形，引起剪切強度和承載力降低，導(dǎo)致煤矸石制備的路基材料剛度低，易發(fā)生嚴重變形，路面易發(fā)生凹陷[9]，可通過選擇性破碎分選工藝提高煤矸石集料品質(zhì)，目前有大量實驗驗證選擇性破碎分選可以提高煤矸石集料品質(zhì).陳天虎等[10]對山東棗莊市煤礦矸石進行選擇性破碎分選，分離出強度較小和強度較大兩部分矸石，用熱值和Al2O3含量表征破碎前后的差異；馮金鵬[11]用分配率和富集比作為表征手段，對廣西合山礦務(wù)局高鈣煤矸石與低鈣煤矸石進行破碎分選，分別制備出了生產(chǎn)水泥優(yōu)質(zhì)鈣質(zhì)原料及黏土矯正原料；陳巖[12]以粒級與熱值分布為評價手段，討論不同類型破碎機對煤矸石的破碎效果，設(shè)計出沖擊力可調(diào)，具有特殊破碎腔結(jié)構(gòu)的新型煤矸石選擇性破碎機；陳哲等[13]通過對內(nèi)蒙古自治區(qū)酸刺溝煤礦矸石進行破壞載荷試驗及破碎篩分、發(fā)熱量測定試驗，探討基于礦物間硬度不同為基本原理進行選擇性破碎分選.目前，公路鋪筑的煤矸石基層材料，大多為未經(jīng)破碎的原狀煤矸石或經(jīng)過傳統(tǒng)破碎機破碎的矸石原料，其含碳量居高，壓碎值過大，在道路施工過程中，隨著碾壓次數(shù)的增加，煤矸石會發(fā)生明顯破碎，導(dǎo)致其自身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，嚴重影響原級配，從而影響煤矸石集料基層材料的力學(xué)性能[14-19]，導(dǎo)致煤矸石集料無法大規(guī)模利用到公路工程材料中.

針對上述煤矸石集料在路面基層中應(yīng)用所存在的問題，文中采用選擇性破碎工藝提升煤矸石集料品質(zhì)，通過配合比設(shè)計、研究穩(wěn)定類型降低施工過程對集料級配的影響，并進一步研究粉煤灰對煤矸石路面基層材料的力學(xué)性能規(guī)律，從而提出煤矸石集料路面基層材料的制備關(guān)鍵技術(shù).

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

實驗所用原狀煤矸石為山西省某煤電官地礦所排出的0～35 mm粒徑矸石，原狀煤矸石經(jīng)先篩分后破碎工藝制備出煤矸石集料，其中，0～5 mm為矸石細集料，>5 mm為矸石粗集料，用于煤矸石基層材料配合比實驗.

碎石、機制砂取山西省某攪拌站，碎石粒徑分布5～25 mm，天然狀態(tài)無含水，機制砂粒徑分布0～5 mm，天然含水率1.6%，細度模數(shù)M=2.9，通過篩孔的集料質(zhì)量分數(shù)分別見表1～2.

表1 碎石集料級配

表2 機制砂級配

粉煤灰取山西省某電廠III級灰，參數(shù)見表3.

表3 粉煤灰物理性能

水泥取山西省某水泥廠生產(chǎn)的強晉牌SPA 32.5水泥，其物理力學(xué)參數(shù)見表4.

表4 水泥物理力學(xué)性能

1.2 實驗方法

1) 實驗所用集料壓碎值、表觀密度、吸水率指標參照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》，發(fā)熱量使用自動化量熱儀，型號:CT7000-12.

2) 引入級配變化率變量，符號為Φ，單位為%，定義為煤矸石集料配合比混合料在擊實前后每個篩孔通過率變化量的絕對值之和，即

Φ=∑|Pi|

(1)

式中：Φ為集料級配變化率，%；Pi為擊實前后集料在篩孔i上通過率的變化量，%；i為從0.075 mm到31.5 mm方孔篩.

3) 基層混合料的擊實實驗、成型實驗、養(yǎng)生、無側(cè)限抗壓強度測試、抗劈裂強度、回彈模量實驗均參照JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行.

2 實 驗

2.1 煤矸石集料的制備

選擇性破碎分選裝置是依據(jù)待破碎物料的強度、脆性不同從而導(dǎo)致破碎粒徑也不同的現(xiàn)象，將破碎機和篩網(wǎng)結(jié)合起來，同時進行破碎和分選作業(yè).投入破碎機的物料，脆性較大、強度較低組分先破碎；而脆性較小、強度較大組分不被破碎或較小破碎，而后通過指定規(guī)格的篩網(wǎng)進行分選來獲得各類矸石集料.根據(jù)觀察，粒徑在10～35 mm的矸石大多屬于煤和巖石夾生態(tài)，炭質(zhì)泥巖與砂巖共生態(tài)，這種礦物組分差別較大的矸石最為適合進行選擇性破碎分選.

有研究表明：煤矸石在經(jīng)過選擇性破碎分選后，其熱值高、硬度低的顆粒趨向于小粒徑聚集；而熱值低、硬度高的顆粒則趨向于大粒徑聚集.為此，本文提出煤矸石集料制備方法，見圖1.

圖1 煤矸石集料制備工藝流程圖

原狀煤矸石首先經(jīng)過一級振動篩篩分，其中0～10 mm顆粒，其平均熱值達到9 600 kJ/kg，較原狀煤矸石提高27.8%，用于制備電廠燃料.而大于10 mm部分，則進行破碎，通過二級振動篩，將其篩分為0～5 mm、>5 mm兩檔，分別作為煤矸石細集料與粗集料.

2.2 實驗配合比設(shè)計

將破碎后的煤矸石篩分為粗細兩檔集料，分別與碎石機制砂粗細集料做交叉組試驗，分別采用水泥穩(wěn)定和水泥粉煤灰綜合穩(wěn)定方案，粉煤灰摻量選用10%.水泥劑量5%，采取外摻方式，并用集料緊堆密度對不同物料間等體積替換.

表5為煤矸石集料基層混合料配合比設(shè)計方案，S1組為水泥(粉煤灰)穩(wěn)定全級配煤矸石集料，S2組為水泥(粉煤灰)穩(wěn)定煤矸石粗集料機制砂，S3為水泥(粉煤灰)穩(wěn)定碎石煤矸石細集料，S4為對比組，水泥(粉煤灰)穩(wěn)定碎石機制砂.首先研究在粉煤灰摻量為0的配合比，在S1-1與S2-1組中，對比分析煤矸石細集料與機制砂力學(xué)性能；在S1-1與S3-1組，對比分析煤矸石粗集料與碎石的力學(xué)性能.然后對各煤矸石集料配合比進行與對比樣比對分析，分析煤矸石集料路面基層材料與天然砂石集料路面基層材料的力學(xué)性能差異；最后研究粉煤灰的摻入對各配合比的抗擊碎性能與力學(xué)性能的影響規(guī)律，進而選出煤矸石集料路面基層材料的最佳配合比方案.

表5 煤矸石集料基層混合料配合比設(shè)計方案

各配合比混合料級配參考JTGT F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細則》[20]，水泥穩(wěn)定方案參考標準中二級公路水泥穩(wěn)定碎石推薦級配范圍(C-C-2)；水泥粉煤灰穩(wěn)定方案參考標準中二級公路水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石推薦級配范圍(CF-B-2S).設(shè)計出的各配合比方案級配曲線繪制見圖2.

圖2 煤矸石集料路面基層材料各配合比級配曲線

3 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)討論

3.1 煤矸石集料性能

圖3為破碎前后矸石料堆,表6為煤矸石破碎分選前后的基本物理性能.由表6可知，經(jīng)破碎分選后，煤矸石粗集料的壓碎值由原狀煤矸石的32.5%，降低至24.3%，達到文獻[20]中對集料壓碎值指標的技術(shù)要求.此外，其熱量降低了23%，燒失量降低了13.5%，表觀密度提高3.1%，說明破碎分選后煤矸石粗集料中巖石成分的含量顯著提高，集料更加致密，集料品質(zhì)得到提升.

圖3 破碎分選前后矸石料堆

表6 煤矸石集料破碎前后性能對比

3.2 煤矸石集料路面基層材料研究

3.2.1煤矸石集料基層混合料抗擊碎性能研究

圖4為各配合比混合料擊實前后級配變化，左側(cè)為水泥穩(wěn)定類型，右側(cè)為水泥粉煤灰綜合穩(wěn)定類型.表7為各配合比混合料擊實前后級配變化率值.

圖4 各配合比混合料擊實前后級配變化

由圖4可知，擊實過程對各配合比混合料的級配具有顯著影響，水泥穩(wěn)定類型比水泥粉煤灰綜合穩(wěn)定類型變化大，煤矸石集料混合料比天然碎石集料混合料變化大.S2-1組經(jīng)擊實實驗后級配曲線已經(jīng)超出C-C-2上限，級配變化率達57.11%，大粒徑矸石被擊碎，無法構(gòu)建合理密實骨架結(jié)構(gòu)，大大降低基層混合料的抗壓強度，不過粉煤灰的摻入使得S2-2組中級配變化率降低至33.2%，有效降低了外部沖擊力所帶來矸石粒徑的變化，級配曲線處在規(guī)范內(nèi)，這主要由于在基層中的粉煤灰對外部施加的力進行部分的吸收，起到緩沖的作用，減小大粒徑集料被擊碎，另外加入粉煤灰的其它各組級配變化率都存在不同程度的降低.由表7可知，S1組和S2組級配變化率大于S3組和S4組，這主要因為S3組和S4組集料為碎石，硬度與強度均高于S1組和S2組中矸石集料，在擊實過程中擊碎量較小.而加入粉煤灰后表現(xiàn)要略佳于不摻粉煤灰的天然碎石的級配變化率.

表7 各配合比混合料級配變化率Φ 單位：%

3.2.2煤矸石集料基層混合料力學(xué)性能研究

1) 無側(cè)限抗壓強度 圖5為各煤矸石集料基層混合料7與28 d無側(cè)限抗壓強度值，圖6為粉煤灰對各配合比各齡期基層強度增長率變化.

與天然集料相比，煤矸石集料制備的路面基層力學(xué)性能相對較小，但依然滿足文獻[20]中二級公路基層強度要求.在細集料對比中，煤矸石細集料相比于機制砂在基層中力學(xué)性能較差，水泥穩(wěn)定全級配矸石配合比與水泥穩(wěn)定矸石粗集料機制砂配合比7 d無側(cè)限抗壓強度分別為2.69，3.83 MPa.粗集料對比中，煤矸石粗集料相比于碎石在基層材料中力學(xué)性能同樣較差，水泥穩(wěn)定全級配煤矸石與水泥穩(wěn)定碎石煤矸石細集料配合比7 d無側(cè)限抗壓強度分別為2.69，3.22 MPa.

煤矸石集料基層材料強度雖低于天然集料基層材料，但粉煤灰的摻入可提高其抗壓強度，尤其對水泥穩(wěn)定煤矸石細集料強度增長顯著，并且有很好的后期強度的增長，粉煤灰作用在煤矸石集料基層材料的增長率大于天然集料基層材料，7 d無側(cè)限抗壓強度可達3.52 MPa，28 d強度可達4.96 MPa，分別提高30.9%，53.6%.原因在于：煤矸石細顆粒表面炭粉含量大，使得粗細集料之間的膠結(jié)效果差，降低強度，而粉煤灰的加入，起到微集料效應(yīng)，取代一部分煤粉顆粒，提高骨料間C—S—H凝膠黏接作用，又填充物料間間隙，減小孔隙率，并且粉煤灰含大量活性SiO2、Al2O3成分，其在Ca(OH)2激發(fā)下，可進行了火山灰反應(yīng)，進一步促進后期水泥的水化，保證后期強度.

圖5 基層實驗配合比抗壓強度值

圖6 粉煤灰對各配合比強度影響

2) 抗劈裂強度 抗劈裂強度主要反映水穩(wěn)試塊內(nèi)部骨料間膠結(jié)能力，凝膠物質(zhì)主要由兩部分組成：①水泥水化后產(chǎn)物C—S—H凝膠;②水化后期粉煤灰的火山灰反應(yīng)生成的凝膠物質(zhì).

圖7為煤矸石基層混合料各配合比7，28 d的抗劈裂強度值，圖8為粉煤灰對各配合比不同齡期強度增長率變化規(guī)律.結(jié)論表明：各配合比抗劈裂強度隨齡期不斷增大，劈裂強度值大小依次按照S4>S2>S3>S1組別順序，煤矸石集料制備的路面基層材料抗劈裂性能仍低于天然碎石集基層材料，不摻煤矸石細集料的配合比大于摻煤矸石細集料的配合比，是因為矸石細集料表面存在的碳粉降低了物料間的膠結(jié)作用，由圖8可知，粉煤灰摻入可大大提高摻有煤矸石細集料配合比基層材料的抗劈裂強度，增長率大于未摻入煤矸石細集料配合比混合料，基本增長規(guī)律和抗壓強度相仿，由于基層混合料的劈裂強度主要依靠集料間的膠結(jié)作用，集料間的嵌緊力是次要的，摻有矸石細集料的S1、S3組，矸石細集料表面的碳粉嚴重降低了C—S—H凝膠與集料間的膠結(jié)，致使抗劈裂強度降低，但FA的摻入，一方面，其填充在C—S—H凝膠物質(zhì)與集料之間，取代一部分碳粉，并其微集料效應(yīng)，填充在物料中使其更為密實，增強膠結(jié)效果；另一方面，水泥水化堿性產(chǎn)物可激活粉煤灰中的活性物質(zhì)，并發(fā)生火山灰反應(yīng)，進一步提高后期材料的膠結(jié)強度.這就解釋了28 d強度增長率要明顯高于7 d強度的原因.根據(jù)有關(guān)規(guī)范，給出水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度推薦取值范圍在0.4～0.6 MPa，顯然滿足要求.

圖7 基層實驗配合比抗劈裂強度值

圖8 粉煤灰對各配合比強度影響

3)抗壓回彈模量 圖9為各煤矸石集料基層材料配合比90 d抗壓回彈模量值，圖10為粉煤灰對各配合比基層抗壓回彈模量增長率變化.

煤矸石集料的路面基層材料抗壓回彈模量低于碎石集料路面基層材料，各組強度大小依次為S4>S2>S3>S1組別順序.S2組略高于S1和S3主要原因可能為煤矸石細集料質(zhì)軟，降低了混合料試塊的抗壓回彈模量，減小剛度.但粉煤灰的摻入使S1-2和S3-2抗壓回彈模量增強，尤其是S3組，增長率為16%，其主要原因同樣為粉煤灰隨著水泥水化產(chǎn)生的堿性水化產(chǎn)物Ca(OH)2被激活而發(fā)生的火山灰反應(yīng)，增強了后期強度、剛度.經(jīng)文獻[20]要求，用于彎沉計算時水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量推薦范圍為1 300～1 700，表明水泥粉煤灰穩(wěn)定煤矸石集料路面基層材料滿足抗壓回彈模量的設(shè)計要求.

圖9 基層實驗配合比抗壓回彈模量

圖10 粉煤灰對各配合比強度影響

4 結(jié) 論

1) 選擇性破碎分選工藝能顯著提高煤矸石集料品質(zhì)，經(jīng)過選擇性破碎分選后煤矸石粗集料的壓碎值指標降低25.2%，燒失量指標降低13.5%，熱值降低23%，滿足公路工程集料技術(shù)要求.

2) 與天然碎石相比，煤矸石集料的抗壓碎性能較差，其制備的路面基層材料經(jīng)擊實后級配會發(fā)生明顯變化.粉煤灰的摻入，可在基層混合料中起到緩沖作用，能在一定程度上提升煤矸石集料的抗擊碎性并改善煤矸石集料路面基層材料的力學(xué)性能.經(jīng)實驗數(shù)據(jù)表明，10%的粉煤灰摻入后，煤矸石集料基層混合料擊實前后的級配變化率降低41.7%，另外，7 d無側(cè)限抗壓強度提高30.9%，28 d抗劈裂強度提高64.3%，90 d抗壓回彈模量提高11%，且強度在后期具有增長潛力.

3) 通過選擇性破碎分選工藝優(yōu)化煤矸石集料品質(zhì)，優(yōu)化配合比，采用水泥粉煤灰穩(wěn)定類型，制備出的水泥粉煤灰煤矸石集料路面基層材料，7 d無側(cè)限抗壓強度達到3.52 MPa，28 d抗劈裂強度0.46 MPa，90 d抗壓回彈模量1 383 MPa，滿足二級公路的路面基層材料力學(xué)性能要求.