煤矸石作路基填料的試驗及應用研究

王飛

摘要 文章通過室內試驗及工程應用對煤矸石作路基填料的路用性能、施工工藝、碾壓方式、經濟效益等進行了研究。室內試驗表明：煤矸石的最大干密度與粗顆粒的含量密切相關，隨著粗顆粒含量的增加，最大干密度先增后降，當粗顆粒含量為40%時達到最大值2.36 g/cm³；煤矸石具有良好的級配與承載性能，煤矸石的CBR值隨著壓實度的增加逐漸增加，當壓實度為93%時，CBR值已達到13.03%，能夠很好地滿足規(guī)范要求；煤矸石作路基填料后，壓實度與彎沉值均能很好地滿足規(guī)范與設計要求，實際路用性能優(yōu)異，經濟效益高，具備推廣價值。

關鍵詞 煤矸石；路基填料；室內試驗；工程實例

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0189-03

0 引言

我國是煤炭生產與使用大國，煤矸石伴隨著煤礦開采而產生，主要由巖石及含碳物質組成，大量分布于我國各大煤礦中，相關統(tǒng)計表明我國每年煤矸石產量約為原煤產量的16%～20%，產量約為6億噸[1-2]。但當前我國煤矸石的利用率較低（不足30%），主要采取露天堆積的方式進行處理，對環(huán)境造成了較大威脅，并浪費了土地資源[3]。為解決煤矸石的利用問題，國內外從20世紀70年代開始對煤矸石作為路基填料進行了相關研究，并在多條公路上進行了應用取得了不錯的效果[4-5]。但目前各個地區(qū)煤矸石的成分組成差距各有不同，施工時多采用經驗法，缺乏統(tǒng)一的理論體系指導施工。

該文依托具體工程實例，對煤矸石作路基填料的路用性能、施工工藝、碾壓與質量檢測進行了研究，為煤矸石在路基填料中的應用與推廣提供了參考。

1 煤矸石物理化學性質

試驗所用煤矸石來自某新建一級公路施工現(xiàn)場所使用的天然煤矸石路基填料，為灰黑色片狀水洗煤矸石，化學組成見表1，工程特性檢測結果見表2。

煤矸石在使用時應滿足《公路路基施工技術規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）《公路路基設計規(guī)范》（JTGD30—2015）中對路基填料的相關要求，具體指標要求見表3。對比表2～3可知，施工現(xiàn)場所采用煤矸石的性能滿足高等級公路路基填料的相關要求。

2 煤矸石路用性能室內試驗

參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG3430—2020），對煤矸石進行篩分、擊實及CBR試驗用以檢測路用性能。

2.1 顆粒級配

篩分試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，煤矸石的粒徑分布范圍涵蓋0.075～

60 mm，分布范圍較大，細顆粒所占比重較小，粒徑小于5 mm的顆粒約為26%。采用曲率系數(shù)Cc（描述級配曲線整體變化情況）、不均勻系數(shù)Cu（反映級配組成的不均勻程度）綜合對煤矸石的級配情況進行評定，當Cu≥5且1≤Cc≤3，表明級配良好[6]。由圖1計算得到Cu、Cc分別為9.2、1.3，滿足Cu≥5且1≤Cc≤3的要求，表明施工現(xiàn)場所取天然煤矸石試樣的級配良好。

2.2 擊實特性

采用標準擊實試驗對煤矸石擊實特性進行測定，測定最佳含水量與最大干密度用以控制施工時的壓實度。試驗擊錘重量與底面直徑分別為4.5 kg、5 cm，試件分3層擊實，每次擊打98次。施工現(xiàn)場所取天然煤矸石試樣的擊實試驗結果如圖2～3所示。

由圖2所示煤矸石擊實曲線可知，干密度在最佳含水量為5.31%時達到最大值2.203 g/cm3。當含水量超過5.31%后，干密度快速降低，這是因為含水量適量時，煤矸石集料表面相對濕潤，在擊實力的作用下有利于集料相互擠壓密實，但當含水量過多后，多余的水分將會造成集料的錯位與分離，無法有效接觸，使得集料密度降低。

路基填料的壓實效果與路基填料中粗顆粒的含量密切相關。為進一步測定煤矸石最大干密度與粗顆粒含量的關系，分別改變天然煤矸石填料中的粗顆粒的含量進行擊實試驗，得到如圖3所示試驗結果。由圖3可知，一方面，隨著煤矸石集料中粗顆粒占比的增加，最大干密度先增后降，并在粗顆粒占比為40%時達到最大值2.36 g/cm3；另一方面，當煤矸石粗顆粒含量為20%～60%范圍內時，最大干密度受粗顆粒含量的影響較大，當粗顆粒含量大于60%后，最大干密度受粗顆粒含量的影響開始減緩，最大干密度變化程度較小。因此，在實際應用中，應該對煤矸石中粗顆粒的含量引起重視，不宜過多或過少，粗顆粒的含量在40%左右可達最佳壓實效果。

2.3 承載能力

采用CBR試驗對煤矸石承載能力進行評定，確保填料滿足路基的強度與穩(wěn)定性要求。根據(jù)最佳含水率制備試件，試件分3層擊實，每次擊打98次，試驗開始前對試件浸泡96 h，貫入度取2.5 mm。

由試驗結果可知，隨著煤矸石壓實度的增加，煤矸石的CBR值、膨脹率均逐漸增加。煤矸石的CBR最低值為13.03%，很好地滿足《公路路基設計規(guī)范》（TGD30—2015）規(guī)定的一級公路及高速公路路基填料≥8%的要求，表明煤矸石具有較好的承載能力，強度與穩(wěn)定性高，可以用于路基填料。

膨脹率隨壓實度增大而增加，究其原因在于壓實度越大，煤矸石初始干密度越大，因而浸水膨脹率越大。

3 工程應用

3.1 工程概況

某新建一級公路全長53.586 km，起終點樁號為K0+

000～K53+586，該新建公路路基采用水洗煤矸石進行鋪筑。現(xiàn)場煤矸石的相關性能檢測結果見室內試驗。煤矸石最佳含水量取5.31%。

3.2 煤矸石路基施工要點

煤矸石路基施工流程如下：

3.2.1 攤鋪

分層填筑煤矸石路基，碾壓前應對粒徑＞15 cm的顆粒進行破碎，同時注意粗細顆粒應均勻鋪筑，確保級配連續(xù)。

3.2.2 碾壓

具體碾壓的順序為攤鋪→平整→靜壓→振動壓實→靜壓。煤矸石碾壓時的含水率應比最佳含水率稍大2%左右，壓路機速度不宜超過4 km/h。

3.3 碾壓方式確定

施工現(xiàn)場煤矸石路基的碾壓采用靜壓+振動壓實的方式，松鋪厚度為35 cm。為確定現(xiàn)場煤矸石路基的最佳碾壓次數(shù)，選取K23+100～K23+600段鋪筑試驗段，每隔20 m選取路基橫斷面布設標高觀測點，每個路基橫斷面布設5個觀測點，對不同碾壓次數(shù)下路基的碾壓沉降量進行觀測，觀測結果如表4所示。

由表4可知，煤矸石路基的平均沉降差隨著振動壓實次數(shù)的增多逐漸減小，當振動壓實次數(shù)為6次時，煤矸石路基平均沉降差為0.9 mm，此時，振動沉降差滿足《公路路基施工技術規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）要求的≤2 mm的要求。煤矸石的顆粒較松散，為確保煤矸石路基表面平整密實，振動壓實過后，宜再靜壓1～2次。因此，確定碾壓方式為“靜壓1次+振動壓實6次＋靜壓1次”。

3.4 壓實度與彎沉值檢測

路基施工完成后，選取具有代表性的橫斷面對路基壓實度與彎沉進行檢測，檢測結果如表5所示。

由表5可知，施工現(xiàn)場路基壓實度均滿足《公路路基施工技術規(guī)范》（JTG F10—2006）要求的一級公路路基壓實度≥96%的要求，彎沉檢測結果均滿足設計要求。

3.5 經濟效益分析

由施工合同得到該公路項目若采用素土填筑（不計運費），單價為21元/m³；采用水洗煤矸石的材料成本為2元/m³，運費3元/km，平均運距為5 km，采用煤矸石填筑單價為2+3×5=17元/m³；該項目共需借方約1 000 000 m³，由此可計算得到采用煤矸石進行道路鋪筑后可節(jié)約工程費用約400萬元，直接經濟效益較好。同時，煤矸石作為廢棄材料，若不及時處理，將會占用土地并污染環(huán)境，而用煤矸石作為路基填料后，既減少了環(huán)境污染，還能獲得較大的間接經濟效益。

4 結論

該文對煤矸石作路基填料的路用性能、施工工藝、碾壓方式與質量檢測、經濟效益進行了研究，得到以下結論：

（1）煤矸石的粒徑分布范圍較大，粗顆粒占比較大，但級配良好，滿足施工要求。

（2）煤矸石的最大干密度與粗顆粒的含量密切相關。隨著粗顆粒含量的增加，最大干密度先增后降，當粗顆粒含量為40%時達到最大值2.36 g/cm3。

（3）煤矸石的CBR值隨著壓實度的增加逐漸增加。當壓實度為93%時，CBR值已達到13.03%，能夠很好地滿足規(guī)范要求。

（4）工程應用表明，煤矸石用作路基填料后，壓實度與彎沉值均能很好地滿足規(guī)范與設計要求，實際路用性能優(yōu)異，經濟效益高，具備推廣價值。

參考文獻

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[2]奚彬. 煤矸石在高速公路路基填筑中的應用與探討[J]. 山西交通科技， 2010（4）： 17-18+26.

[3]金明亮， 武旭， 劉寬富， 等. 煤矸石在干旱黃土地區(qū)高等級公路路基中的應用研究[J]. 中國建材科技， 2022（2）： 79-84.

[4]鄔俊， 高文華， 張宗堂， 等. 煤矸石路基填料強度與變形特性研究[J]. 鐵道科學與工程學報， 2021（4）： 885-891.

[5]丁峰. 煤矸石填筑路基的現(xiàn)場試驗研究[J]. 公路， 2021（2）： 69-75.

[6]陳希哲. 土力學地基基礎（第四版）[M]. 北京：清華大學出版社， 2004.