煤矸石用于路基填筑的路用性能探究

邊建民

（邯鄲市交通運(yùn)輸局公路工程管理處，河北 邯鄲 056000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，道路總里程在逐年增加，道路建筑材料的需求量不斷增加，使用土方和石料作為路基回填材料既浪費(fèi)土地資源又破壞自然環(huán)境，為了減少資源浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)有不少學(xué)者研究將煤矸石作為路基填筑材料。

研究表明將煤矸石與石灰等混合后作為路基填料，具有承載能力高、水穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，且施工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低，在雨季可增強(qiáng)路基的抗水性。中國(guó)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司程金生等對(duì)工程中用煤矸石填筑路基的可行性進(jìn)行研究，明確了將煤矸石用于路基填筑的巨大效益。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)劉春榮分析了煤矸石基本物理力學(xué)性質(zhì)，探討了其在路基填筑中的應(yīng)用，認(rèn)為煤矸石是一種良好的筑路材料。遼寧工程技術(shù)大學(xué)周梅對(duì)阜新煤矸石綜合治理進(jìn)行了調(diào)研，從原材料特性、技術(shù)可行性和成熟性、經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面證明煤矸石是一種良好的路基材料。根據(jù)煤矸石的綜合利用現(xiàn)狀，本文從煤矸石的基本性能研究出發(fā)，對(duì)其基本物理性能、化學(xué)成分、擊實(shí)特性及承載特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，確定不同P5含量對(duì)煤矸石混合料的影響，最終確定煤矸石填筑路基的可行性，為煤矸石填筑路基的推廣利用提供了參考依據(jù)。

一、煤矸石理化性能研究

（一）煤矸石基本理化性質(zhì)

經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)煤矸石的自由膨脹率、壓碎值、燒失量及化學(xué)成分等進(jìn)行分析，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同地區(qū)煤矸石基本物理性能

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，峰峰礦區(qū)（黑色）和陶二礦區(qū)煤矸石的壓碎值較高，大于30%，其余煤矸石的各項(xiàng)基本性能均符合煤矸石用于路基填筑的技術(shù)要求；采用XRF試驗(yàn)對(duì)煤矸石化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，煤矸石中SiO2、Al2O3和Fe2O3總含量均在70%以上，屬于堿性礦渣，均滿足路基填料的規(guī)范要求。

（二）煤矸石顆粒級(jí)配分析

根據(jù)規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程（JTG 3430-2020）》中的T0115-1993進(jìn)行篩分試驗(yàn)，對(duì)邯鄲峰峰礦區(qū)、武安礦區(qū)、陶一和陶二礦區(qū)煤矸石顆粒級(jí)配進(jìn)行分析，篩分試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同地區(qū)煤矸石級(jí)配曲線

通過對(duì)顆粒級(jí)配分析及對(duì)不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)的計(jì)算結(jié)果可以看出，4個(gè)地區(qū)的煤矸石顆粒級(jí)配良好，峰峰礦區(qū)除紅色煤矸石曲率系數(shù)較大外，其他4種煤矸石級(jí)配均滿足技術(shù)要求。

二、煤矸石力學(xué)性能研究

本文選用陶一礦區(qū)煤矸石進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和承載比（CBR）試驗(yàn)，分析確定陶一礦區(qū)煤矸石用于路基填料的可行性。

（一）擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范JTG E40-2007中的T0131-2019擊實(shí)試驗(yàn)方法對(duì)陶一礦區(qū)煤矸石進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，選用重型Ⅱ-2進(jìn)行試驗(yàn)，擊實(shí)結(jié)果如圖2所示，根據(jù)二次擬合曲線結(jié)果可知，煤矸石最佳含水量為3.8%，最大干密度為2.216g/cm3。

圖2 陶一礦區(qū)煤矸石擊實(shí)曲線

（二）承載比(CBR)試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范JTG E40-2007中的T0134-2019試驗(yàn)方法進(jìn)行承載比試驗(yàn)，確定陶一礦區(qū)煤矸石承載特性是否滿足路基填筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)承載比(CBR)試驗(yàn)得出，陶一礦區(qū)煤矸石承載比為35.6%，浸水膨脹率為5.2g/cm3，吸水率為107%，滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)路堤填料最小承載比的技術(shù)要求。

三、細(xì)集料含量對(duì)煤矸石力學(xué)性能的影響

為研究不同細(xì)集料摻量對(duì)煤矸石混合料填筑路基性能的影響，設(shè)計(jì)了P5摻量為10%、20%、30%、40%、50%的煤矸石進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，通過擊實(shí)試驗(yàn)和承載比試驗(yàn)確定對(duì)整體性能的影響。

（一）擊實(shí)特性

對(duì)不同P5含量煤矸石混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定不同P5含量煤矸石的最佳含水量與最大干密度，分析P5含量與兩者之間的關(guān)系，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同P5含量煤矸石擊實(shí)結(jié)果

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，隨著P5含量的增加，煤矸石混合料的最佳含水量逐漸增大，最大干密度為先增大后減小，在P5含量為30%左右時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)的最佳含水量為4.2%，最大干密度為2.228g/cm3。

（二）承載特性

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，按照93%的壓實(shí)度壓式成型，每層擊實(shí)98次，分三層擊實(shí)，對(duì)不同P5含量的煤矸石混合料進(jìn)行承載比（CBR）試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同P5摻量承載比試驗(yàn)變化趨勢(shì)

根據(jù)承載比試驗(yàn)結(jié)果，不同P5含量的煤矸石混合料承載比均滿足路基規(guī)范中對(duì)路基填料最小承載比的技術(shù)要求，但根據(jù)變化趨勢(shì)可知，隨著P5含量的增大，煤矸石混合料的承載比呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，分析原因可能是由煤矸石混合料的內(nèi)聚力不斷增加，內(nèi)摩擦力逐漸減小導(dǎo)致的。由此可以得出，煤矸石混合料隨著P5含量的增加，其承載能力先減小后增大。

四、結(jié)語(yǔ)

從室內(nèi)試驗(yàn)研究來看，煤矸石混合料的基本性能可滿足作為路基填料使用的要求，并且其承載能力較高，能夠達(dá)到高等級(jí)公路的技術(shù)要求；根據(jù)不同P5含量煤矸石的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，隨著P5含量的增加，其最佳含水量逐漸增大，最大干密度先增大后減?。怀休d比試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著P5含量增加，承載比先減小后增大，在20%～30%時(shí)承載比最小，但是其膨脹率較低，故P5含量在50%左右時(shí)其性能較為優(yōu)異。