水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石性能研究

吳靖江 李 瑞 梁朋毅 邵景干 李文凱

（1.中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004；2.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450046）

0 引言

20 世紀(jì)70 年代，如何處理煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的大量煤矸石這一難題引起了我國(guó)相關(guān)部門(mén)的重視。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索實(shí)踐，現(xiàn)階段解決的方法有兩種：一是集中堆放、集中管理；二是將煤矸石破碎后應(yīng)用到工程當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。露天堆放不僅會(huì)占用大量的土地資源，同時(shí)也會(huì)污染周邊環(huán)境。將破碎后的煤矸石應(yīng)用到工程當(dāng)中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)資源的再生利用，符合國(guó)家方針政策，同時(shí)也能夠緩解現(xiàn)階段工程建設(shè)過(guò)程中礦料緊缺的難題。

國(guó)內(nèi)道路建設(shè)工作者關(guān)于煤矸石在工程中的應(yīng)用研究開(kāi)展了多次嘗試，在鐵路、公路、水運(yùn)等基礎(chǔ)設(shè)施工程中進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定成效。劉春榮等［1］針對(duì)煤矸石在路基填筑工程中的適用性進(jìn)行了研究，并對(duì)煤矸石混合物的拌和、運(yùn)輸、攤鋪及碾壓等施工過(guò)程質(zhì)量控制展開(kāi)了探討。結(jié)果表明，煤矸石是一種良好的填筑材料，提出了煤矸石作為一種建筑材料的壓實(shí)度控制方法，并成功應(yīng)用到了工程中。邱鈺等［2］通過(guò)研究得出，破碎后的煤矸石顆粒級(jí)配及水穩(wěn)定性較差，但細(xì)骨料的摻入能夠改善混合料的整體礦料級(jí)配，能夠被充分壓實(shí)，可用于路堤填筑，且未風(fēng)化的煤矸石與粉煤灰具有相似的化學(xué)活性，混合料中摻入粉煤灰后，能夠作為高等級(jí)公路路面基層材料。尹志剛［3］通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)粉煤灰、風(fēng)積砂土及煤矸石進(jìn)行相關(guān)性能研究，得出優(yōu)化后的煤矸石穩(wěn)定土配合比能夠用于道路工程。 裴富國(guó)［4］開(kāi)展了水泥穩(wěn)定煤矸石替代水泥穩(wěn)定砂礫的研究，并進(jìn)行了混合料力學(xué)性能的驗(yàn)證，確定了煤矸石的最佳摻量。研究結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定煤矸石能夠作為路面底基層材料。王貴林等［5］通過(guò)試驗(yàn)確定了煤矸石在水泥穩(wěn)定碎石中的最佳摻量，并開(kāi)展7 d、28 d 水泥穩(wěn)定煤矸石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出較高水泥劑量的水泥穩(wěn)定煤矸石僅適用于低等級(jí)的公路要求。孟文清等［6］開(kāi)展了8 組煤矸石混合料配合比方案研究，并進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，運(yùn)用分析模型評(píng)價(jià)不同膠凝材料對(duì)煤矸石混合料力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之增大；大劑量水泥時(shí)，粉煤灰摻量對(duì)強(qiáng)度結(jié)果影響較大；石灰劑量過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)強(qiáng)度結(jié)果產(chǎn)生不利影響。劉曉明等［7］選用煤矸石、粉煤灰及赤泥為原材料開(kāi)展路面基層混合料力學(xué)及耐久性能研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)煤矸石與赤泥總摻量為75%時(shí)，混合料7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過(guò)6.0 MPa，同時(shí)具備較好的耐久性能。

本文以鶴壁掘進(jìn)煤矸石為研究對(duì)象，以路面基層應(yīng)用為目標(biāo)，進(jìn)行水泥穩(wěn)定煤矸石配合比優(yōu)選、抗壓強(qiáng)度及回彈模量試驗(yàn)，以期更加合理地利用煤矸石資源，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，為煤矸石在水穩(wěn)基層中的應(yīng)用提供參考。

1 原材料

1.1 煤矸石

本文選用鶴壁掘進(jìn)煤矸石展開(kāi)研究，其礦物組成復(fù)雜，質(zhì)地密實(shí)，呈灰黑色或黑色，破碎后的鶴壁掘進(jìn)煤矸石主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤矸石主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 水泥

水泥作為水泥穩(wěn)定碎石的膠凝材料，其性能的優(yōu)劣直接影響水穩(wěn)基層的質(zhì)量。本研究中水泥選用河南省同力水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

本研究水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石選用粒徑分別為20～30 mm、10～20 mm的石灰?guī)r作為粗集料，煤矸石的粒徑為5～10 mm，細(xì)集料粒徑為0～4.75 mm 的機(jī)制砂。配合比設(shè)計(jì)的目的在于確定不同粒徑骨料的摻配比例，以確保設(shè)計(jì)結(jié)果滿足水穩(wěn)基層相關(guān)性能要求。為最大限度地利用煤矸石，減少成本，實(shí)現(xiàn)資源的再生利用，結(jié)合各檔料的篩分結(jié)果，擬定8組配合比方案，見(jiàn)表3。

表3 配合比設(shè)計(jì)方案

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定碎石室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)?zāi)軌蚰M現(xiàn)場(chǎng)基層材料被壓實(shí)的過(guò)程，利用重錘下落產(chǎn)生的沖擊力來(lái)克服骨料之間的摩阻力，通過(guò)壓縮骨料之間的孔隙來(lái)提高試件的密實(shí)度，從而提高試件強(qiáng)度，減少后期失穩(wěn)沉降。為確定不同設(shè)計(jì)方案混合料的最大干密度及最佳含水率，參照《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)方法》（T 0804—1994）相關(guān)要求進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，水泥劑量統(tǒng)一選用5.8%，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表4 可知，8 組混合料最佳含水量最小值及最大值分別為5.56%、5.77%，相差0.21%；最大干密度最小值及最大值分別為2.297 g/cm3、2.325 g/cm3，相差0.028 g/cm3；8 組設(shè)計(jì)方案中機(jī)制砂與煤矸石總量在53%～63%之間，二者的用量對(duì)擊實(shí)結(jié)果有直接影響。由于煤矸石壓碎值較大，破碎后的煤矸石更易填充礦料骨架孔隙。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)鍵的力學(xué)指標(biāo)，也是半剛性水穩(wěn)基層施工過(guò)程質(zhì)量控制的主要指標(biāo)。參照《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)制作方法（圓柱形）》（T 0843—2009）和《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料養(yǎng)生試驗(yàn)方法》（T 0845—2009）中的相關(guān)規(guī)定，水泥劑量選用5.8%，成型圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d 后開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，8組方案試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖1 可知，8 組試驗(yàn)方案中7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值及最大值分別為4.44 MPa、5.49 MPa。方案6#、7#、8#試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)較大，分別為5.27 MPa、5.42 MPa、5.49 MPa。前5 種設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果均低于5 MPa，這主要因?yàn)樽畲罅綖?0～30 mm的碎石用量較少，不能形成有效的骨架結(jié)構(gòu)，承載能力不足所導(dǎo)致；方案6#、7#、8#7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均能滿足技術(shù)細(xì)則中強(qiáng)度不小于5.0 MPa的規(guī)定，故可作為水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石的合理配比供工程應(yīng)用。

2.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石配合比設(shè)計(jì)完成后，為全面驗(yàn)證混合料的力學(xué)性能，應(yīng)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及抗壓回彈模量相關(guān)試驗(yàn)，以確定材料的適用范圍。參照《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)制作方法（圓柱形）》（T 0843—2009）和《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料養(yǎng)生試驗(yàn)方法》（T 0845—2009）中的相關(guān)規(guī)定，選用6#、7#、8#三種設(shè)計(jì)方案展開(kāi)研究，水泥劑量選用5.8%，成型尺寸為150 mm×Φ150 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，并依次標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d 和90 d，養(yǎng)生結(jié)束后，對(duì)試件進(jìn)行28 d 及90 d 的抗壓強(qiáng)度及抗壓回彈模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.4.1 抗壓強(qiáng)度。結(jié)合7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，并參照《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（T 0805—1994）中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件開(kāi)展28 d及90 d 的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖2 可知，相同設(shè)計(jì)方案抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果均隨養(yǎng)生齡期的增加而增大，不同設(shè)計(jì)方案抗壓強(qiáng)度的優(yōu)劣順序?yàn)?#>7#>6#，表明方案8#級(jí)配試件不同養(yǎng)生齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均最優(yōu)，其抗壓性能最好。三種設(shè)計(jì)方案均能滿足規(guī)范關(guān)于強(qiáng)度的要求，可應(yīng)用于高等級(jí)路面基層，同時(shí)相同養(yǎng)生齡期內(nèi)方案8#試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于方案6#、7#，方案8#（碎石1∶碎石2∶煤矸石∶機(jī)制砂=30%∶11%∶43%∶16%）更接近水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石的最優(yōu)級(jí)配。

2.4.2 抗壓回彈模量。水穩(wěn)基層抗壓回彈模量是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，也是反映路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度及承載能力的重要指標(biāo)?？箟夯貜椖Ａ磕軌?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)，同時(shí)也能確定水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石材料的應(yīng)用范圍。參照《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料室內(nèi)抗壓回彈模量試驗(yàn)方法(頂面法)》（T 0808—1994）中的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)前需對(duì)試件表面進(jìn)行水泥凈漿抹平處理，結(jié)合抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，選定P=120 kN 為抗壓破壞荷載，加載分為6級(jí)，每級(jí)壓力為72 kN，并選用0.6P/2=36 kN 進(jìn)行預(yù)壓，然后進(jìn)行逐級(jí)加載、卸載試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖3 抗壓回彈模量試驗(yàn)過(guò)程

圖4 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖4 可知，試件抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果隨齡期增加而增大，同一齡期，不同設(shè)計(jì)方案抗壓回彈模量大小關(guān)系為8#>7#>6#。參照路面設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，水穩(wěn)基層抗壓回彈模量用于拉應(yīng)力換算時(shí)，推薦范圍3 000～4 200 MPa，其中方案8#試件90 d 試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到3 154 MPa，表明該配合比方案滿足水穩(wěn)基層設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

圍繞鶴壁掘進(jìn)煤矸石在水穩(wěn)基層中的應(yīng)用開(kāi)展研究，通過(guò)配合比方案優(yōu)選、擊實(shí)試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度及抗壓回彈模量試驗(yàn)得出，方案8#（碎石1∶碎石2∶煤矸石∶機(jī)制砂=30%∶11%∶43%∶16%）更接近水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石的最優(yōu)級(jí)配，推薦方案8#作為水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石配合比應(yīng)用到水穩(wěn)基層當(dāng)中。