煤矸石路用性能研究

晏衛革

(邢臺市交通運輸局)

1 煤矸石路用性能室內試驗

(1)分別從邢臺煤礦的三個煤矸石山上取三組試樣，按照直觀顏色，分為灰褐色煤矸石(1#試樣)、紅色煤矸石(2#試樣)、黑色煤矸石(3#試樣)。

(2)結合以往煤矸石在其他路段的使用經驗，確定對以上三組試樣進行顆粒分析、界限含水量、天然含水量、擊實試驗、承載比CBR、壓碎值、崩解性、膨脹性、礦物成分、燒失量和有機質含量試驗。

①顆粒分析試驗

采用圓孔篩篩分法進行顆粒分析試驗，煤矸石天然樣品篩分通過率和篩分曲線如表1和圖1。

表1 煤矸石天然樣品篩分通過率 %

圖1 不同煤矸石篩分曲線圖

根據以上篩分試驗結果，三種煤矸石都具有良好的連續級配，且最大粒徑均滿足規范要求，可作為路基填料。

②界限含水量、天然含水量

采用液塑限聯合測定儀測定煤矸石的液限和塑限，計算天然稠度和塑性指數。

表2 煤矸石的液塑限試驗結果

由試驗結果可知，三種煤矸石液限均處于20～25之間，塑性指數在10左右，符合路基設計規范中對填料路用性能的要求，可用于路基填筑。

③擊實試驗

試驗之前將三組試樣中大于38 mm顆粒取出，計算通過百分率，對小于38mm部分，每組分3～5層分別進行擊實試驗，并對試驗所得的最大干密度和最佳含水量進行修正，試驗結果如表3。

表3 煤矸石擊實試驗結果

④CBR試驗

采用浸水CBR試驗測定煤矸石的強度及水穩性能，室內CBR試驗按路基施工時的含水量及壓實度要求在試筒內制備試件，并在加載前浸泡在水中飽水96 h，灌入試驗使用路面材料強度試驗儀，試驗結果見表4。

表4 煤矸石的CBR試驗結果

⑤壓碎值

三組煤矸石試樣的壓碎值試驗結果如表5。

表5 煤矸石壓碎值試驗結果

煤矸石的礦物組成包括泥質頁巖、砂巖，容易導致煤矸石破碎，其巖性決定了煤矸石的壓碎值較大，試驗結果表明煤矸石的壓碎值滿足路基設計規范要求。

⑥崩解性

因煤矸石中的軟巖成分遇水易發生崩解軟化，故需對其進行崩解性試驗，試驗方法為取某一粒徑大小的煤矸石浸水3 d后，可計算出崩解部分質量占原試樣質量的百分比，即為試樣的崩解量。三組試樣崩解性試驗結果如表6。

試驗結果表明，三組煤矸石試樣的崩解性較小，均較穩定。

⑦膨脹性

試驗目的主要是測定粒徑小于0.5 mm的煤矸石粉樣的自由膨脹率。結果見表7。

表6 煤矸石崩解性試驗結果 %

表7 煤矸石自由膨脹率試驗結果

試驗結果表明三組試樣的自由膨脹率均小于40%，滿足《公路路基設計規范》(JTG D30-2004)要求，可做直接作為路基填料使用。

⑧礦物成分

采用化學滴定方法測定三種煤矸石的化學組分，如表8。

表8 煤矸石礦物成分試驗結果

從礦物成分數據來看，三組煤矸石試樣中SiO2、Al2O3、Fe2O3等總含量均超過70%，未發現不適宜作為路基填料的成分。

⑨燒失量

分別對三組煤矸石試樣進行燒失量試驗，結果如表9。

表9 矸石燒失量試驗結果

試驗結果表明，三組試樣的燒失量均小于20%，不會對路基穩定性造成影響。2#試樣(紅色煤矸石)的燒失量比3#試樣(黑色煤矸石)小，主要原因為黑色煤矸石中含有殘留煤、有機質等成分，在外界環境作用下發生風化、崩解、自燃、有機質灰化等反應，因此黑色煤矸石相比于紅色煤矸石性質不穩定，在施工中宜采用紅色煤矸石作為路基填料。

⑩有機質含量

根據三組煤矸石試樣化學成分分析，三組煤矸石有機質含量均小于10%，滿足規范要求。

2 試驗結果分析

(1)根據篩分試驗結果，煤矸石級配良好，最大粒徑滿足設計與施工技術規范要求，可以經過碾壓達到密實。

(2)化學成分及自由膨脹率試驗結果表明，煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O3等礦物成分總含量大于70%，自由膨脹率小于40%，有機質含量不超過10%，滿足規范對路基填料的要求。

(3)根據最佳含水量成型的試件，在壓實度達到96%時，試件在4 d飽水后的CBR值為20%以上，完全滿足設計與施工規范要求，表明煤矸石在浸水狀態下，仍然具有足夠的強度適宜作為路基填料。

(4)崩解性試驗結果表明，煤矸石崩解性較小，大塊的煤矸石崩解后變為較小的煤矸石顆粒，崩解性會進一步降低，穩定性將進一步增加。

(5)燒失量試驗結果表明，該煤矸石的燒失量較小，對路基工程有不良影響的成分較少，不會對路堤穩定性產生影響。

3 結語

通過對三組煤矸石試樣進行室內試驗，結果表明其各種路用性能指標均滿足設計和施工規范要求，可以利用作為路基填料。在施工中，宜優先選用穩定性能較好的紅色煤矸石，其次是灰褐色煤矸石，黑色煤矸石燒失量偏大，使用前應嚴格進行現場檢驗，符合技術要求者方可使用。另外，要做好試驗路段，認真總結完善施工工藝、質量檢測方法和質量控制措施，做好沉降觀測，保證煤矸石路基具有足夠的強度、穩定性和耐久性。