煤矸石-黃土混合料配比對(duì)工程力學(xué)性能的影響研究

劉曉飛 耿 楠 秦 政

（1.山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，山西 太原 030013；2.山西金信清潔引導(dǎo)投資有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

在煤炭洗選和加工過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一些固體廢物煤矸石，在我國(guó)，煤矸石約占煤炭總產(chǎn)量的8%~20%[1]。矸石往往都未經(jīng)處理直接堆積在礦區(qū)周圍，這不僅占用了大量的土地面積，而且長(zhǎng)期露天堆存的矸石山因堆積量大，散熱困難，容易發(fā)生自燃，產(chǎn)生SO2、NOx、CO 等有害氣體，造成空氣污染。所以，研究大規(guī)模利用煤矸石的方法顯得尤為重要。本文通過(guò)試驗(yàn)，探討用作路基填筑料的煤矸石-黃土混合料的配比對(duì)工程特性的影響，為煤矸石的有效利用提供參考。

1 原材料

1.1 原材料選取

本文中煤矸石樣本是采自晉城鳳凰山煤礦，屬于未燃炭質(zhì)頁(yè)巖煤矸石，其結(jié)構(gòu)呈片狀，顏色呈灰色或灰黑色，易粉碎。鳳凰山煤矸石的化學(xué)成分主要為SiO2和Al2O3，其成分占比60%以上。晉城地區(qū)的煤矸石是一種典型的堿性礦渣，活性化合物含量（SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO）超過(guò)了70%。

1.2 原材料表征方法

首先對(duì)選取的晉城地區(qū)3 個(gè)不同地方的煤矸石（編號(hào)分別為3#、9#、15#）進(jìn)行化學(xué)分析，然后通過(guò)X-射線衍射分析儀對(duì)煤矸石的礦物相性進(jìn)行定量分析，其化學(xué)成分分析見表1。

表1 晉城地區(qū)不同編號(hào)煤矸石的化學(xué)成分（單位:%）

1.3 原材料表征結(jié)果

1.3.1 原材料化學(xué)分析結(jié)果

由表1 可以看出，晉城地區(qū)的煤矸石主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，占60%以上，其次為Fe2O3，占比2%~10%不等，由此可見，煤矸石有70%以上的成分是活性化合物，是一種典型的堿性礦渣。從表1 中還可以看出晉城地區(qū)煤矸石的燒失量都比較高且都大于20%。而煤矸石燒失量過(guò)大的話，留下的部分和還有一些有機(jī)質(zhì)含量會(huì)在燃燒或者氧化的條件下發(fā)生分解反應(yīng)，反應(yīng)后煤矸石的密度和結(jié)構(gòu)組成也可能隨之改變，這就容易使得路基結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，承載能力有所下降，所以要將填筑路基的煤矸石燒失量降下去。本文針對(duì)晉城煤矸石燒失量偏高的問(wèn)題，采取與黃土混合使用的方案來(lái)解決問(wèn)題。

1.3.2 原材料物相分析結(jié)果

對(duì)晉城地區(qū)的3#、9#和15#煤矸石進(jìn)行礦物利用X-射線衍射分析儀進(jìn)行成分分析，3 種煤矸石主要物相為：高嶺石、石英、黃鐵礦、方解石、微斜長(zhǎng)石。其中3種煤矸石的高嶺石和石英的總含量分別為59.3%、64.8%和63.7%，均超過(guò)了50%。并且晉城地區(qū)的煤矸石中沒有蒙脫石，所以晉城地區(qū)煤矸石在經(jīng)過(guò)壓實(shí)后并不會(huì)發(fā)生過(guò)大的裂解和膨脹性能。

2 混合材料配比對(duì)工程性能的影響分析

2.1 混合料配合比設(shè)計(jì)

為獲取工程性能最優(yōu)的混合料，確定合理的黃土與煤矸石的混合比，本文設(shè)計(jì)了5 組不同比例混合材料，黃土與煤矸石比例分別為4∶6、3∶7、2∶8、1∶9、0∶10。分別對(duì)應(yīng)試樣A、B、C、D、E。

2.2 混合料表征方法

2.2.1 混合料直剪試驗(yàn)

為了測(cè)定煤矸石-黃土混合料的抗剪程度，對(duì)其進(jìn)行了抗剪試驗(yàn)。本次試驗(yàn)儀器缺少大型直接剪切儀，但是混合料中煤矸石的部分粒徑超過(guò)了普通剪切儀的最大允許值。在現(xiàn)有條件下，只能獲取有一定參考價(jià)值的試驗(yàn)結(jié)果。在保證混合料中煤矸石的總質(zhì)量不變的前提下，本次試驗(yàn)采用等量替代法對(duì)混合料進(jìn)行縮尺處理，對(duì)部分超出粒徑的顆粒采用相同質(zhì)量且符合粒徑要求的煤矸石顆粒替代?；诿喉肥酿ぞ哿Χ急容^小的特點(diǎn)，本次直剪試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)章程》（JTG E40-2007）T0143-1993 砂類土的直剪試驗(yàn)。根據(jù)不同的含水率，橫向?qū)Ρ炔煌壤幕旌狭系目辜魪?qiáng)度。測(cè)量了不同比例煤矸石-黃土混合料的內(nèi)摩擦角和粘聚力。測(cè)試儀器采用ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀，如圖1所示。

圖1 應(yīng)變控制式直剪儀

2.2.2 混合料承載能力試驗(yàn)

要想使公路路面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性更加可靠，則公路的承載能力一定要達(dá)到相關(guān)指標(biāo)。美國(guó)加州公路局提出了加州承載比這一概念，它是表征路基路面結(jié)構(gòu)承載能力的指標(biāo)，取產(chǎn)生相同壓入變形時(shí)路基所承受的單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)碎石所承受的單位壓力之比。所以為了確保煤矸石-黃土混合料路基的施工質(zhì)量，使其穩(wěn)定性更可靠，應(yīng)對(duì)煤矸石-黃土混合料的加州承載比進(jìn)行測(cè)試。

（1）制備試件。事先測(cè)得混合料的風(fēng)干含水量，緊接著對(duì)混合料進(jìn)行均勻?yàn)⑺员闶蛊浜首罱咏顑?yōu)含水率，同時(shí)密封浸潤(rùn)備用。試件擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)參照重型擊實(shí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分層擊實(shí)，按照最佳含水率的標(biāo)準(zhǔn)，將每個(gè)試樣制備3 個(gè)試件，用以進(jìn)行承載比試驗(yàn)。試件制作完成以后，需稱量試筒和試件的總質(zhì)量，并做好記錄。

（2）泡水膨脹。將帶有調(diào)節(jié)桿的多孔板裝配在試件的最上面，然后放上4 個(gè)荷載板，用拉桿扯緊模具并安裝上百分表。之后把試件放在水槽里，水面蓋過(guò)試件約25cm，浸泡靜置96h。浸泡結(jié)束后根據(jù)百分表的讀數(shù)得出試件在浸泡后的膨脹量。接下來(lái)將試件取出靜置15min 后測(cè)得試件重量，并用來(lái)計(jì)算濕度與密度的變化。

（3）貫入試驗(yàn)。將靜置后的試件放在萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)的升降臺(tái)，把4 塊荷載板放置在貫入桿四周，并在上面施加45N 荷載。然后將百分表調(diào)整到整數(shù)，將最開始的讀數(shù)記錄下來(lái)。然后緩緩升高荷載，貫入桿保持在1~1.25mm/min 的速度壓入試件，同時(shí)做好數(shù)據(jù)記錄整理工作。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 混合料直剪試驗(yàn)結(jié)果

內(nèi)摩擦角大小取決于土粒間的摩阻力，內(nèi)摩擦角反映了土的摩阻性質(zhì)。直剪試驗(yàn)的結(jié)果見表2。由表2分析可知：

表2 煤矸石-黃土混合料抗剪強(qiáng)度

（1）內(nèi)摩擦角：隨著煤矸石含量的增加，不同比例的混合料的內(nèi)摩擦角逐漸增大；

（2）黏聚力：隨著煤矸石含量的增加，不同比例混合料的黏聚力先增大，在比例為2∶8 時(shí)達(dá)到最大值后下降。

總體而言，隨著煤矸石含量的增加，試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)黃土與煤矸石比例達(dá)到2∶8 時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最佳。

3.2 混合料承載能力試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算貫入量為2.5mm 時(shí)的單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)壓力的比值作為材料的承載比，按式（1）計(jì)算。

貫入量為5mm時(shí)的承載比，按式（2）計(jì)算。

當(dāng)貫入量為5mm 時(shí)的CBR 值大于貫入量2.5mm時(shí)的CBR值時(shí)，故應(yīng)采用前者的CBR值。

表3 為本次試驗(yàn)測(cè)得的不同試樣濕密度、吸水量、膨脹量、CBR統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 不同煤矸石-黃土混合料加載承載比試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3分析可以得到如下結(jié)果：

（1）濕密度。經(jīng)過(guò)四晝夜浸泡后的試樣，隨著煤矸石含量的增加，濕密度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

（2）膨脹量。試樣經(jīng)過(guò)四晝夜的浸泡，除了黃土與煤矸石比例為4∶6 時(shí)的試樣有微乎其微的膨脹之外，其他試件都未發(fā)生膨脹。

（3）承載比。不同比例的黃土與煤矸石混合材料的承載比，隨著煤矸石含量的增加，試樣的承載比先增大后減小，當(dāng)黃土與煤矸石的比例為2∶8 時(shí)，得到的承載比最大，滿足路基回填材料最小強(qiáng)度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)煤矸石黃土路基混合料的配合比設(shè)計(jì)、物理力學(xué)性能、承載力性能的分析，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、滲透性試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)以及承載比(CBR)試驗(yàn)，研究了不同比例的黃土與煤矸石的混合料在壓實(shí)特性、承載能力特性等方面的表現(xiàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)5 種不同比例試樣進(jìn)行室內(nèi)承載比試驗(yàn)，測(cè)得的承載比數(shù)值分別為7.3%、7.6%、8.5%、7.7% 和8.4%，在黃土與煤矸石比例為2∶8 時(shí)，加州承載比達(dá)到最大值。

（2）綜合承載能力和動(dòng)力強(qiáng)度特性，可以看出：當(dāng)黃土與煤矸石比例為2∶8 時(shí)，可使得各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。此時(shí)可認(rèn)為煤矸石∶黃土=8∶2 時(shí)組成的煤矸石-黃土混合料能夠用作路基回填土。