煤矸石在高等級(jí)公路路基工程中的應(yīng)用研究

劉延敏

（邢臺(tái)華辰交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

煤矸石是進(jìn)行煤炭開采及加工過程中產(chǎn)生的廢棄料，是煤炭的一種伴生巖石。隨著煤炭的不斷開采，煤矸石廢棄料的產(chǎn)生也越來越多，由于煤矸石廢棄料利用困難，因此被堆砌在礦區(qū)周圍，裸露的煤矸石廢棄料不僅占地面積大，在雨雪天氣下還會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生有害物質(zhì)，對(duì)土壤及大氣環(huán)境造成污染；而將煤矸石混合料應(yīng)用于高等級(jí)公路路基填筑過程中，不僅能夠減小環(huán)境污染和土地資源浪費(fèi)，還能有效降低公路施工成本。

煤矸石混合料的路用性能與一般的填土或者填石填料有一定的差異，因此在對(duì)煤矸石混合料進(jìn)行利用前，需要對(duì)煤矸石混合料的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究。本文以河北邢臺(tái)高速改擴(kuò)建工程為背景，以廢棄的煤矸石混合料作為路基填筑材料，對(duì)煤矸石混合料的物理力學(xué)特性及路用性展開研究，為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

案例工程為京滬高速公路的改擴(kuò)建工程，以河北邢臺(tái)高速擴(kuò)建工程路基路面施工項(xiàng)目段為試驗(yàn)路段，JHK-YZ23 標(biāo)段位于河北邢臺(tái)境內(nèi)，標(biāo)段內(nèi)設(shè)：真武互通、丁伙樞紐、江都東互通，樁號(hào)范圍為K943+524.000—K969+534.093，全長26.010km。

2 煤矸石混合料物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005），分析煤矸石混合料的顆粒級(jí)配、壓碎值及性能指標(biāo)。

2.1 顆粒級(jí)配

以4.75mm 為煤矸石混合料粗細(xì)骨料的界限值，對(duì)煤矸石混合料進(jìn)行了顆粒級(jí)配測試，篩分結(jié)果如表1所示，煤矸石混合料級(jí)配曲線見圖1。

表1 建筑垃圾級(jí)配組成

圖1 煤矸石混合料級(jí)配曲線

由表1 及圖1 可知，對(duì)煤矸石混合料進(jìn)行篩分、破碎后的粒徑較為均勻。另外，破碎后的煤矸石混合料粒徑均不大于60.0mm，煤矸石的不均勻系數(shù)為9.2，曲率系數(shù)為1.3，煤矸石混合料的顆粒不均勻且級(jí)配連續(xù)，滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）中對(duì)底基層公稱粒徑的要求。

2.2 壓碎值

煤矸石混合料的成分復(fù)雜，填料顆粒的強(qiáng)度不均勻，與天然骨料相比，煤矸石混合料的強(qiáng)度較低，因此需要對(duì)煤矸石混合料的壓碎值進(jìn)行測定，檢測是否滿足規(guī)范中對(duì)于路基填料的壓碎值要求。

將一定質(zhì)量的煤矸石混合料和天然骨料分別放在壓碎機(jī)上的圓桶內(nèi)，然后施加200kN的豎向荷載，將壓碎后的煤矸石混合料和天然骨料進(jìn)行2.36mm 篩分，根據(jù)下式可得到煤矸石混合料和天然骨料的壓碎值：

式中：m為壓碎前質(zhì)量；n為篩分后質(zhì)量。計(jì)算可得，煤矸石混合料的壓碎值為30.1%，天然骨料的壓碎值為20%。

與天然骨料相比，煤矸石混合料中軟巖成分較多，在相同作用下破碎率更高，故煤矸石混合料的壓碎值大于天然骨料。與天然骨料混合料的壓碎值相比，煤矸石混合料的壓碎值并沒有出現(xiàn)較大的下降，由此可以得出，煤矸石再生后的混合料完全可以作為一種路基填料，在路基工程中進(jìn)行再生利用。

2.3 承載比（CBR）值

為確定煤矸石混合料的路用性能，除物理指標(biāo)檢測外，還需要對(duì)煤矸石混合料的力學(xué)之間進(jìn)行檢查，施工過程中，通常利用CBR 值對(duì)煤矸石混合料的承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體試驗(yàn)步驟如下所示：

（1）通過擊實(shí)試驗(yàn)確定煤矸石混合料的最優(yōu)含水量及最大干密度，然后按照試驗(yàn)確定的最優(yōu)含水量及最大干密度制備煤矸石混合料；

（2）分3 層將煤矸石混合料填筑到試桶內(nèi)，每填筑一層煤矸石混合料后，擊實(shí)98 次，盡量保證試驗(yàn)煤矸石混合料的壓實(shí)度和現(xiàn)場煤矸石混合料的壓實(shí)度保持一致；

（3）試樣制備擊實(shí)完成后，在加載板表面安裝千分表，并記錄初始讀數(shù)；

（4）將制備完成的試樣放入到水槽里面，浸泡48h，浸泡過程中使水槽內(nèi)液面高于試件頂面大約25mm，利用千分表計(jì)算出煤矸石混合料的膨脹量；

（5）利用路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀測定其CBR 值，試驗(yàn)結(jié)果為：膨脹率0.21%，CBR33.5%。

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中對(duì)于高速公路上路床路基填料的CBR 值要求是不小于8%，而本項(xiàng)目使用煤矸石混合料的CBR 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，表明煤矸石具有良好的承載能力，能滿足使用要求。

3 煤矸石混合料路基承載力影響因素研究

施工過程中，利用煤矸石混合料作為路基填料時(shí)，需要對(duì)混合料進(jìn)行摻土或者篩分等處理，其中摻土含量及細(xì)集料的含量是影響煤矸石混合料承載力的主要因素，因此通過室內(nèi)CBR 試驗(yàn)，對(duì)不同細(xì)集料及摻土含量下煤矸石混合料的承載力進(jìn)行研究，其中，顆粒含量小于5mm的集料稱為細(xì)集料，其值大小用P5表示。

3.1 細(xì)集料含量對(duì)煤矸石混合料承載力的影響

設(shè)置煤矸石混合料中P5含量分別為15%、20%、30%、40%和55%，按照承載力試驗(yàn)方法，對(duì)煤矸石混合料進(jìn)行裝填、擊實(shí)、浸水，最后測定不同細(xì)集料含量下煤矸石混合料的CBR值，如表2所示。

表2 不同細(xì)集料含量下煤矸石混合料的CBR值

利用Origin 軟件，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，如圖2所示。

圖2 不同細(xì)集料含量下煤矸石的CBR值

由圖2 及表2 可知，隨著細(xì)集料含量的增加，煤矸石混合料的承載力表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢，當(dāng)細(xì)集料含量達(dá)到30%左右時(shí)，煤矸石混合料的承載力最小，CBR 值為33.5%，和15%細(xì)集料含量相比，煤矸石混合料的CBR 值下降了26.4%；隨著細(xì)集料含量的繼續(xù)增加，煤矸石混合料的CBR 值開始回升，當(dāng)細(xì)集料含量為55%時(shí)，煤矸石混合料的CBR 為48.7%，較30%細(xì)集料含量的煤矸石混合料CBR 值相比，CBR 值上升了45.4%。

由土力學(xué)知識(shí)可知，煤矸石混合料的CBR 值反映的是混合料內(nèi)部顆粒抵抗變形能力的指標(biāo)，其值大小主要由煤矸石混合料的黏聚力和內(nèi)摩擦角兩個(gè)力學(xué)指標(biāo)決定的。根據(jù)前人的研究，當(dāng)煤矸石混合料的壓實(shí)度控制在95 左右時(shí)，當(dāng)混合料內(nèi)部的細(xì)顆粒含量在20%～80%之間時(shí)，煤矸石混合料的黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律比較明顯：隨著細(xì)顆粒含量的增加，煤矸石混合料的內(nèi)摩擦角由36°減小到33°，而黏聚力卻由25kPa 增加到45kPa，表明當(dāng)細(xì)顆粒在15%～30%之間，煤矸石混合料的內(nèi)摩擦角決定混合料的抗剪強(qiáng)度，因此CBR 值逐漸降低；當(dāng)細(xì)顆粒在30%～60%之間，煤矸石混合料的黏聚力定混合料的抗剪強(qiáng)度，因此CBR值逐漸增加；由此可以得出煤矸石混合料隨著細(xì)集料相對(duì)含量P5 含量的增加，其抗剪強(qiáng)度先減小后增大，即CBR先減小后增大。

3.2 摻土含量對(duì)煤矸石混合料承載力的影響

煤矸石混合料中的摻土量同樣是影響混合料承載力的重要因素之一，因此在原狀煤矸石混合料中設(shè)置的摻土含量分別為10%、20%和30%，然后進(jìn)行室內(nèi)承載力試驗(yàn)，并保證每層煤矸石混合料的擊實(shí)次數(shù)為98次，得到不同摻土含量下煤矸石混合料的CBR 值如表3所示。

表3 不同摻土含量下煤矸石混合料的CBR值

利用Origin 軟件，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行繪制，如圖3所示。

圖3 不同摻土量下煤矸石的CBR值

由表4 及圖3 可知，當(dāng)煤矸石混合料的擊實(shí)功相同的情況下，在煤矸石混合料中摻土能夠有效提高煤矸石混合料的承載能力，如當(dāng)摻土量為0%時(shí)，煤矸石混合料的CBR值為33.5%，摻土量為10%時(shí)，煤矸石混合料的CBR 值為44.8%，CBR 值提高了33.7%；摻土量為20%時(shí)，煤矸石混合料的CBR 值為48.1%，CBR 值提高了43.6%；摻土量為30%時(shí)，煤矸石混合料的CBR值為73.8%，CBR 值提高了120.3%。表明煤矸石混合料摻土量越大，則煤矸石混合料的承載力提高幅度越大。這是由于，在煤矸石混合料中添加一定量的土體，有利于改善煤矸石混合料的顆粒級(jí)配，填充了煤矸石混合料中大顆粒之間的空隙，使混合料的結(jié)構(gòu)形式逐漸向密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)發(fā)展，從而提高了煤矸石混合料的固結(jié)特性和承載能力。

4 結(jié)論

（1）煤矸石混合料的不均勻系數(shù)為9.2，曲率系數(shù)為1.3，煤矸石混合料的顆粒不均勻且級(jí)配連續(xù)，滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）中對(duì)底基層公稱粒徑的要求。與天然骨料相比，煤矸石混合料中軟巖成分較多，因此在相同作用下破碎率更高，但煤矸石混合料的壓碎值沒有出現(xiàn)較大的下降，可以在路基中進(jìn)行再生利用。

（2）本項(xiàng)目使用煤矸石混合料的CBR 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中對(duì)于高速公路上路床路基填料的CBR 值要求，表明煤矸石具有良好的承載能力，滿足使用要求。

（3）隨著細(xì)集料含量的增加，煤矸石混合料的承載力表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，當(dāng)細(xì)集料含量達(dá)到30%左右時(shí)，煤矸石混合料的承載力最小，CBR值為33.5%；當(dāng)煤矸石混合料的擊實(shí)功相同的情況下，在煤矸石混合料中摻土能夠有效提高煤矸石混合料的承載能力。