煤矸石混合料在路基中的路用性能分析

王冠凱

（中建路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 054000）

煤矸石作為一種礦業(yè)廢料，其產(chǎn)量約為煤炭產(chǎn)量的20%，而煤矸石的利用率較低，多自然堆放，易造成土地資源浪費(fèi)[1-4]。而把煤矸石混合料作為公路路基填料，既減少了路基填筑過(guò)程中的材料成本，也一定程度上緩解了環(huán)境污染問題，具有很好的應(yīng)用前景[5]。目前，關(guān)于煤矸石混合料路用性能的研究較少，因此本文研究了煤矸石混合料的物理和化學(xué)特性，并試驗(yàn)了煤矸石混合料的劈裂強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，驗(yàn)證了煤矸石混合料作為公路路基填料的可行性。

一、煤矸石混合料的材料性質(zhì)

煤矸石的材料性質(zhì)主要受內(nèi)部因素和外部因素兩方面影響。一方面，其內(nèi)部成分復(fù)雜，以煤和黃鐵礦為主，長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣下，內(nèi)部會(huì)發(fā)生低溫氧化反應(yīng)；另一方面，外部的雨水和日照，均會(huì)加快低溫氧化的速率，從而引發(fā)自燃，造成很大的危害。

（一）煤矸石混合料的化學(xué)特性

在現(xiàn)場(chǎng)取得煤矸石混合料樣品，然后通過(guò)室內(nèi)化學(xué)試驗(yàn)得到煤矸石混合料的主要化學(xué)成分——三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鎂、氧化鋁及二氧化硅等。同時(shí)，根據(jù)其物質(zhì)組成含量的不同分類，當(dāng)二氧化硅的含量大于70%時(shí)，為砂巖矸；當(dāng)二氧化硅含量在40%至70%之間時(shí)，為黏土矸巖；當(dāng)二氧化硅的含量小于40%時(shí)，根據(jù)煤矸石混合料中鋁和鈣含量的不同，分為鈣質(zhì)矸巖和鋁質(zhì)矸巖。

此外，煤矸石混合料中含有一定量的可燃有機(jī)物，影響著煤矸石混合料的穩(wěn)定性。因此根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009），通過(guò)煤矸石混合料的燒失量試驗(yàn)，判斷混合料中可燃有機(jī)物的含量。

首先，現(xiàn)場(chǎng)選取具有代表性的煤矸石混合料，放在烘箱中烘干，并稱量烘干后煤矸石混合料的初始重量，然后高溫灼燒烘干后的煤矸石，并稱量灼燒后的煤矸石混合料，最后計(jì)算出煤矸石混合料的燒失量。通過(guò)燒失量試驗(yàn)可知，現(xiàn)場(chǎng)煤矸石混合料的可燃有機(jī)物含量較低，滿足公路路基填筑要求。

（二）煤矸石混合料的物理特性

煤矸石混合料的主要物理特性指標(biāo)包括壓碎值及吸水率等。

1.煤矸石混合料的壓碎值

煤矸石混合料的壓碎值是影響煤矸石混合料力學(xué)特性的重要因素之一，即在外力作用逐漸增大的條件下，煤矸石混合料抵抗破碎的能力。試驗(yàn)時(shí)，參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》JTGE42-2005，利用萬(wàn)能壓實(shí)機(jī)壓實(shí)煤矸石混合料，壓碎后煤矸石混合料中粒徑小于2.36mm，混合料的質(zhì)量與壓實(shí)前煤矸石混合料質(zhì)量的比值即為混合料的壓碎值，同理可以得到不同樣品煤矸石混合料的壓碎值。

規(guī)范中要求公路路基填料的壓碎值不大于30%，煤矸石混合料的壓碎值為28.3%，滿足規(guī)范要求，適用于公路路基填筑。

2.煤矸石混合料的吸水率

分析煤矸石混合料化學(xué)成分可知，水嚴(yán)重影響煤矸石混合料的穩(wěn)定性，因此選取3組煤矸石混合料為研究對(duì)象，依據(jù)有關(guān)規(guī)范，實(shí)施煤矸石混合料吸水試驗(yàn)。具體過(guò)程為，首先在烘箱中烘干煤矸石混合料，得到混合料的初始干質(zhì)量，然后把烘干的煤矸石混合料浸泡在水中一定時(shí)間后再稱量，得到煤矸石混合料濕質(zhì)量，計(jì)算浸泡前后質(zhì)量的比值，得到煤矸石混合料的吸水率。煤矸石混合料的平均吸水率為5.20%，吸水率較小，說(shuō)明其結(jié)構(gòu)形式較好，顆粒內(nèi)部孔隙率大，透水性好，適合作為公路路基排水層填料。

二、煤矸石混合料配合比設(shè)計(jì)

煤矸石混合料以煤矸石為粗骨料，剔除其中粒徑大于31.5mm的粗骨料，然后利用乳化瀝青黏合煤矸石，故煤矸石混合料的強(qiáng)度主要來(lái)源于乳化瀝青之間的的黏合力和煤矸石粗骨料之間的咬合力，煤矸石混合料的配合比設(shè)計(jì)主要包括級(jí)配確定及最佳含水率確定等。

（一）級(jí)配值的確定

篩分試驗(yàn)可以得到煤矸石混合料的級(jí)配值如表1所示，同時(shí)可知煤矸石混合料的不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，煤矸石混合料的級(jí)配較好，顆粒間空隙較少，適合公路路基填筑。

表1 煤矸石混合料的級(jí)配值

（二）最佳含水量

水是影響煤矸石混合料特性的重要因素之一。含水量過(guò)低，乳化瀝青的作用不能完全發(fā)揮，顆粒之間的黏結(jié)效果降低，煤矸石混合填料難以壓實(shí)；含水量過(guò)多，則會(huì)出現(xiàn)乳化瀝青流失的現(xiàn)象，此時(shí)煤矸石混合料主要通過(guò)顆粒之間的咬合來(lái)抵抗變形，抗剪強(qiáng)度降低。

因此，有必要通過(guò)室內(nèi)拌和試驗(yàn)確定煤矸石混合料的最優(yōu)含水量。同時(shí)，通過(guò)不同含水量下煤矸石混合料的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)可以得知，最優(yōu)含水量為7%，最大干密度為2.04g/cm3。

三、煤矸石混合料的路用性能

在取料場(chǎng)采集煤矸石混合料后，通過(guò)劈裂試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究煤矸石混合料在公路路基工程中的路用性能。

（一）劈裂試驗(yàn)

煤矸石混合料劈裂試驗(yàn)是通過(guò)在煤矸石混合料圓柱形試樣的橫向施加一組大小相同、方向相反的線性荷載，試件破壞時(shí)的荷載值即劈裂強(qiáng)度，煤矸石混合料的劈裂強(qiáng)度嚴(yán)重影響著公路路基的耐久性。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)程》（JTG D50-2006），設(shè)置3組煤矸石混合料，養(yǎng)護(hù)60天后通過(guò)劈裂試驗(yàn)，得到煤矸石混合料劈裂強(qiáng)度結(jié)果。

根據(jù)有關(guān)規(guī)范可知，公路路基基層填料的劈裂強(qiáng)度不應(yīng)低于0.40MPa，劈裂試驗(yàn)顯示，煤矸石混合料的劈裂強(qiáng)度為0.58MPa，滿足規(guī)范要求。

（二）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在公路運(yùn)營(yíng)期，公路承受的主要荷載為車輛動(dòng)荷載，這就對(duì)公路路基的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性有較高的要求。公路路基的主要受力形式和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)類似，因此，可通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)煤矸石混合料路基進(jìn)行質(zhì)量控制。試驗(yàn)時(shí)，將最優(yōu)含水量條件下的煤矸石混合料養(yǎng)護(hù)6天、浸泡1天后開始試驗(yàn)，并計(jì)算出煤矸石混合料的抗壓強(qiáng)度。

計(jì)算結(jié)果顯示，煤矸石混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.35MPa，能夠滿足規(guī)范中關(guān)于公路路基材料抗壓強(qiáng)度的要求。