干濕循環(huán)作用下煤矸石路基材料應用性能研究

摘要：道路作為結構物在自然環(huán)境中需要經(jīng)歷干濕循環(huán)作用，干濕循環(huán)作用發(fā)生時，道路結構材料經(jīng)歷水分的失散和飽和，會產(chǎn)生結構松散進而影響材料的路用性能。文章主要研究工業(yè)固廢材料-煤矸石用于路基填筑時在干濕循環(huán)作用下材料的強度、承載能力、抵抗變形能力的變化規(guī)律。研究成果對于工業(yè)固廢應用于路基材料具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：路基工程；固廢復合路基；干濕循環(huán)

中圖分類號：U416.03A110363

0引言

截止到2020年年末，我國公路里程總數(shù)達到519.81萬km，二級以上等級公路里程為70.24萬km，占公路總里程比重為13.5%，其中高速公路里程為16.10萬km［1］。我國交通事業(yè)長足發(fā)展，道路里程日創(chuàng)新高，對道路建材需求規(guī)模日漸擴大。同時，由于經(jīng)濟發(fā)展，工業(yè)化程度加大，工業(yè)固廢的產(chǎn)生對我國的環(huán)境保護造成極大的壓力，而將采用工業(yè)固廢產(chǎn)物代替?zhèn)鹘y(tǒng)道路修筑材料作為解決工業(yè)固廢污染環(huán)境以及解決筑路建材需求量日漸擴大問題的辦法，受到廣泛的關注。煤矸石作為工業(yè)固廢產(chǎn)物中占比最大的一類固廢產(chǎn)物，是采煤過程中附帶出產(chǎn)的一種礦物材料，其含碳量低，質地較堅硬，但是產(chǎn)量巨大，不用于工業(yè)冶煉，占用了大量的場地堆放，且煤矸石具有一定的可燃性，長期大量堆放也可能帶來火災風險［2］，對環(huán)境污染程度高，影響范圍廣。本文主要研究將煤矸石應用于公路路基中代替?zhèn)鹘y(tǒng)土方材料的應用性能。

1試驗材料及內容

1.1試驗材料

路基主要功能是為道路上的車輛行駛提供基礎條件，作為結構物支撐道路結構［3］，其一般為土方路基，主要材料為土［4］。本文研究采用在土方路基中摻加一部分煤矸石材料。煤矸石是在采煤過程中淘汰出來的含碳量很低的煤礦石［5］，一般就地堆放在開采礦場附近［6］。經(jīng)過長時間露天堆放的煤矸石，其物理化學性質需要經(jīng)過試驗驗證是否滿足路基鋪筑使用要求。

1.1.1物理性質

本文依據(jù)《高速公路煤矸石填筑路基施工技術規(guī)程》（DB13_T5054-2019）對煤矸石的基本物理特性進行試驗分析，試驗結果如表1所示。

根據(jù)表1試驗結果可以看出，本項目選取的煤矸石的物理性能指標均能滿足規(guī)范使用要求。

1.1.2化學性質

煤矸石的化學性質直接影響煤矸石作為路基填料的應用性能，本文對煤矸石的化學性質進行檢驗，結果如表2所示。

從表2試驗數(shù)據(jù)可以看出，堿性成分SiO2、Al2O3和Fe2O3總含量＞90%，煤矸石遇水整體呈堿性，屬于堿性材質；有機質含量為3.6%，滿足《高速公路煤矸石填筑路基施工技術規(guī)程》（DB13_T5054-2019）＜25%的規(guī)定，可以作為路基填料使用，

1.1.3力學性質

1.1.3.1級配特性與級配組成

路基是道路的主要支撐結構物，承受路面?zhèn)鬟f而來的荷載。若要采用煤矸石作為路基填料，必須考察煤矸石的力學特征。煤矸石的級配是否良好是影響煤矸石作為路基材料是否滿足使用要求的主要因素，采用不均勻系數(shù)（Gu）和曲率系數(shù)（Cc）表征［7］。不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)與煤矸石級配表征關系如表3所示。

煤矸石可以看作一種特殊的石材，其強度較常規(guī)道路用集料石材低，易碎，但是高于素土［8］，內摩擦角接近粗粒土［9］。其級配分布分散，若應用于路基工程，需要對粒徑范圍進行篩選。對本項目所選用的煤矸石進行篩分，篩分試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)表4煤矸石的篩分試驗結果，不均勻系數(shù)（Cu）和曲率系數(shù)（Cc）處在級配曲線上顆粒分布均勻范圍內，級配良好，滿足使用要求。

1.1.3.2壓實特性

本文根據(jù)《高速公路煤矸石填筑路基施工技術規(guī)程》（DB13_T5054-2019）選用重型擊實儀進行擊實試驗，試驗結果如表5所示。

由表5擊實試驗數(shù)據(jù)可以看出，本研究所選用的煤矸石最佳含水量為5.9%，最大干密度為2.236 g/cm3。由此可以判斷在表4的級配下，采用重型擊實儀擊實后的試樣密實度良好，也從另一方面佐證了煤矸石的級配良好，可滿足路基工程使用要求。

1.1.3.3支撐承載特性

煤矸石作為路基工程填料的支撐承載特性采用承載比、浸水膨脹率和吸水率試驗數(shù)據(jù)表征，試驗方法依據(jù)《高速公路煤矸石填筑路基施工技術規(guī)程》（DB13_T5054-2019）進行，試驗結果如表6所示。

由表6試驗數(shù)據(jù)可以看出，本研究所選用煤矸石的承載能力滿足路基工程使用要求。

2干濕循環(huán)作用下的煤矸石路基應用性能

路基在每年的雨季來臨時面臨干濕循環(huán)作用，雨水帶來的干濕循環(huán)作用是導致路基沉降的誘因之一。干濕循環(huán)作用耦合路基上部行車荷載作用導致的路基沉降變形能夠致使道路沉降、開裂、甚至塌陷，故在路基填筑過程中一般采用強度較高的優(yōu)質填料。工業(yè)固廢-煤矸石的強度高于素土，內摩擦角接近粗粒土［10］，故本文為選用工業(yè)固廢材料-煤矸石作為路基填料進行室內試驗研究主要采用干濕循環(huán)作用下的煤矸石路基材料的無側限抗壓強度、抗壓回彈模量、承載比三個力學性能指標評價素土-煤矸石路基的路用性能。

2.1素土摻量選擇

本研究混合料采用煤矸石與優(yōu)質素土拌和，擊實制作土樣試驗，通過擊實試驗根據(jù)最佳含水率和最大干密度優(yōu)選煤矸石與素土的比例。本文選用的素土在煤矸石中的摻加比例分別為15%、25%、35%、45%、55%、65%、75%，其最佳含水率和最大干密度的試驗數(shù)據(jù)如表7所示。

從表7擊實試驗數(shù)據(jù)可以看出，在煤矸石當中摻加一定質量比例的素土后，混合料的最佳含水量與素土摻量呈正相關的近似線性關系。最佳含水量的數(shù)值從5.9%增加至9.6%；而最大干密度的試驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)先增加后降低再增加的波動關系，最大值為35%素土摻量對應的2.159 g/cm3，最小值為65%素土摻量對應的2.133 g/cm3。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是一定比例下的素土摻入煤矸石后，素土顆?？梢蕴畛涿喉肥羌芸障?，提高素土-煤矸石的整體密度，使得擊實效果更加明顯。但是當素土摻加比例超過這個界限之后，煤矸石粗骨料相比之下減少，增加了顆粒之間的接觸面積，從而使得素土-煤矸石整體的干密度降低［11］，但含水量一直呈增加趨勢。根據(jù)表7的擊實試驗數(shù)據(jù)，本文研究選擇素土摻量為35%。

2.2素土-煤矸石混合料的力學性能

按照35%素土摻量擊實制作素土-煤矸石混合料試件，恒溫恒濕養(yǎng)護28 d，將養(yǎng)護完成的試件浸沒在常溫水中12 h，取出試件放置在75 ℃的烘箱中烘干24 h，然后取出置于室溫下2 h。此過程為一個干濕循環(huán)過程。對不同干濕循環(huán)次數(shù)下的試樣進行無側限抗壓強度、抗壓回彈模量和承載比試驗，以此研究干濕循環(huán)對素土-煤矸石路基材料的力學性能影響。

2.2.1無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度為在無側向壓力束縛的條件下，材料抵抗軸向壓力破壞時的極限強度。本文參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）對素土-煤矸石混合料試件分別進行0次、2次、4次、6次、8次、10次干濕循環(huán)后的無側限抗壓強度試驗，記錄試件破壞時的最大強度及變形量，得到無側限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)如表8所示。

由表8試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，素土-煤矸石混合料路基填料試件的無側限抗壓強度先小幅上升，然后持續(xù)降低，無側限抗壓強度最大值為2次干濕循環(huán)對應的12.1MPa，10次干濕循環(huán)時對應的無側向抗壓強度為6.6MPa，滿足路基填筑使用要求。在2次干濕循環(huán)時強度出現(xiàn)小幅增加的原因是，試件浸水，煤矸石與水進行了一定程度的水化反應［12］，同時在浸水后的烘干過程也促進了水化反應的進行，強度表現(xiàn)為一定程度的增加［13］。但是隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水化反應完全后，結構隨著反復浸水破壞表現(xiàn)出強度持續(xù)降低。

2.2.2抗壓回彈模量試驗

抗壓回彈模量是在承受瞬時荷載條件下材料的變形恢復能力，回彈模量越大，表征路基材料能夠承受的外力荷載越大，意味著力學性能越好。本文參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）對素土-煤矸石混合料試件分別進行0次、2次、4次、6次、8次、10次干濕循環(huán)后的抗壓回彈模量測試，記錄分級加載后的變形量，數(shù)據(jù)經(jīng)過修正計算后的結果如表9所示。

由表9抗壓回彈模量試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，素土-煤矸石混合料路基填料試件的抗壓回彈模量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，抗壓回彈模量最大值為2次干濕循環(huán)對應的345MPa，10次干濕循環(huán)時對應的無側向抗壓強度為239MPa，滿足路基填筑使用要求。在2次干濕循環(huán)時強度出現(xiàn)小幅增加的原因與上文敘述相同，同樣是由煤矸石遇水發(fā)生水化反應導致?？箟夯貜椖Ａ吭囼灁?shù)據(jù)表明，素土-煤矸石路基填料具有良好的強度、更小的形變、更高的承載能力以及抵抗變形能力。

2.2.3承載比試驗

承載比全稱加州承載比（CBR），是路基材料力學強度的重要評定指標，承載比試驗數(shù)據(jù)越大，路基的承載能力越大，材料的路用性能越好［14］。本文參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG3430-2020）對素土-煤矸石混合料試件分別進行0次、2次、4次、6次、8次、10次干濕循環(huán)后的承載比測試，記錄變形表讀出的變形量，數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后的結果如表10所示。

由表10的試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，混合料的承載比先增加后降低，承載比在47.2%～36.4%，這表明素土-煤矸石混合料的承載能力滿足規(guī)范中最小承載比要求，素土-煤矸石混合料的整體固結特性和承載能力在干濕循環(huán)作用下滿足路基填筑要求。

3結語

本文通過大量的室內試驗分析，總結出關于工業(yè)固廢-煤矸石應用于路基工程的設計指標和路用性能參數(shù)，總結如下：（1）煤矸石應用于路基工程時，摻加一定量的素土會提高路基填料的性能；（2）以最大干密度和最佳含水率為控制指標時，煤矸石中摻加素土的比例為35%最優(yōu)；（3）干濕循環(huán)作用下素土-煤矸石混合料的承載比、抗壓回彈模量、無側限抗壓強度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，2次干濕循環(huán)時的力學性能最好，主要原因是煤矸石在遇水發(fā)生了水化反應，增加了素土-煤矸石的強度，但是隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加強度迅速降低，這是由于水化反應完全后混合料遇水結構趨于松散。

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作者簡介：朱小鋼（1984—），工程師，研究方向：公路工程、安全工程。