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(山西交通職業(yè)技術學院 工程管理系，山西 太原 030031)

引言

隨著我國對煤炭的大量開采，煤矸石的數(shù)量也在不斷增加，嚴重污染了環(huán)境，危害著人們的健康。隨著環(huán)境保護意識的增強，各種工業(yè)廢渣的利用問題已受到人們的普遍重視。對于煤矸石的環(huán)境治理，目前國內(nèi)外主要從兩個方面加以解決：一是采用一定的措施控制煤矸石山的物化作用；二是對煤矸石進行綜合利用[1]，其中將煤矸石用于道路水穩(wěn)底基層是一條合適的途徑。

我國目前利用煤矸石筑路還處于試驗階段，尚無一套成熟的經(jīng)驗。因此，有必要對煤矸石的物理力學特性進行分析與研究。本文通過對當?shù)孛喉肥M行室內(nèi)和室外試驗，驗證了煤矸石作為道路底基層材料的可行性。

1 煤矸石路面基層強度的形成機理

1.1 煤矸石的化學組成

煤矸石是煤礦地下工程開挖的固體廢棄物，來自于煤系地層，是含炭質(zhì)巖石和其他巖石組成的混合物。煤矸石主要有兩種：一種是未自燃的，外觀呈黑褐色；另一種是由于存放時間較長，其中的可燃成分自燃以后，形成了淺紅色或白灰色的自燃煤矸石。煤矸石的化學組成主要有SiO2、Al2O3和Fe2O3。此外，還含有少量鈣、鎂、鉀、鈉等的氧化物和碳，性質(zhì)比較穩(wěn)定，是一種惰性材料，內(nèi)部反應程度較弱，容易風化破碎[2]。

1.2 煤矸石路面基層強度的形成機理

煤矸石混合料基層是以煤矸石為骨料，以消解石灰為粘結(jié)料，以粉煤灰為摻合料，加水拌和均勻的混合材料。煤矸石骨料空隙和表面被石灰、粉煤灰及煤矸石粉末裹覆和填充，經(jīng)過機械壓實后，空隙大大縮小，由于煤矸石顆粒之間的嵌鎖作用和結(jié)合料的粘結(jié)作用，產(chǎn)生一定的初期強度；另外，由于粉煤灰和煤矸石粉末中含有硅、鋁、鐵、鈣、鎂等氧化物，在適當?shù)乃趾蜏囟葪l件下，能與Ca(OH)2發(fā)生火山灰效應，主要生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，呈凝膠狀態(tài)或纖維狀結(jié)晶體，使煤矸石顆粒之間的粘結(jié)力增強。隨著齡期的增長，這些水化物日益增多，使煤矸石混合料基層獲得越來越大的抵抗荷載作用的能力。煤矸石混合料基層的主要化學反應如下[3]：

CaO+H2O→Ca(OH)2

(1)

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

(2)

XCa(OH)2+SiO2+mH2O→XCaO·SiO2·mH2O

(3)

YCa(OH)2+Al2O3+nH2O→YCa(OH)2·Al2O3·nH2O

(4)

2 室內(nèi)試驗

2.1 煤矸石的顆粒組成

路基材料的級配是保證壓實的重要指標。煤矸石在開挖、運輸和堆放過程中受到風化作用，顆粒大小不一，具有一定的級配。表1為煤矸石原材料的篩分試驗結(jié)果。

表1 煤矸石的篩分試驗結(jié)果

從篩分結(jié)果來看，煤矸石中的小顆粒含量較高。對照規(guī)范[4]，2.36 mm篩孔的含量稍超出級配范圍。

2.2 液塑限試驗

對煤矸石進行液塑限試驗，測得液限WL=41.7，塑限Wp=18.5，塑性指數(shù)Ip=23.2。

2.3 煤矸石混合料的試驗結(jié)果

由于當?shù)赝临Y源比較匱乏，而石料比較豐富，所以考慮用石粉來代替土作為細集料。通過試驗，10%的石粉和90%的煤矸石外摻6%的水泥，其強度可達到3.7 MPa，完全滿足強度要求。表2是煤矸石摻土或石粉與不同劑量水泥后的試驗結(jié)果。

表2 煤矸石摻土或石粉與不同劑量水泥后的試驗結(jié)果

由于煤矸石的篩分試驗中2.36 mm篩孔的含量稍超出級配范圍，所以摻入一定量的石粉來改善其級配。對摻入10%石粉的煤矸石進行液塑限試驗，測得液限WL=37.4，塑限Wp=22.9，塑性指數(shù)Ip=14.5?？梢钥闯觯湟合抟约八苄灾笖?shù)較煤矸石有所減小。

試驗測得的壓碎值為29.1%，符合技術規(guī)范的要求(壓碎值≯30%)。

2.4 擊實試驗與CBR試驗

對摻入10%石粉的煤矸石做擊實試驗，求得其最大干密度為1.97 g/cm3，最佳含水量為11.2%。通過CBR試驗[5]測得的CBR值非常高，遠遠大于設計值，并且膨脹量為零，滿足技術要求。

2.5 無機結(jié)合料滴定試驗

通過無機結(jié)合料滴定試驗，測定水泥劑量消耗的EDTA體積見表3。

表3 不同劑量水泥的EDTA消耗量

2.6 水穩(wěn)煤矸石底基層試驗段試驗

水穩(wěn)煤矸石底基層試驗段的配合比為：石粉∶煤矸石(質(zhì)量比)=10∶90，設計無側(cè)限抗壓強度為2.0 MPa，實測強度為2.9 MPa，由于摻加6%的水泥強度高于設計值很多，所以建議試驗段水泥摻配比例為5.5%。最大干密度為1.97 g/cm3，最佳含水量為11.2%。

3 施工工藝

煤矸石中含有硫和鈣成分，水泥中也含有大量鈣的化合物，遇水容易與硫酸鹽反應形成CaSO4。雖然鹽類有助于水穩(wěn)成型，但由于易溶于水，鹽的流失直接影響其強度。所以，在施工過程中必須在路基兩側(cè)用土路肩進行封閉。

4 室外試驗

4.1 無側(cè)限強度試驗

隨著施工的進行，對每天的煤矸石無機結(jié)合料抽檢并做試件進行強度檢測。對2012年4月30日和5月30日的煤矸石無機結(jié)合料留樣，并進行其不同齡期的無側(cè)限強度試驗。從無側(cè)限試驗結(jié)果來看，隨著齡期的增加其強度在不斷地提升并且逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 抽檢強度

該工程設計強度為2.0 MPa，壓實度要求96%。抽查10個強度數(shù)據(jù)的平均值為3.1 MPa，并且每組的平均值均大于其評定值，強度滿足設計要求。另外，現(xiàn)場檢測壓實度平均值達到97.5%，評定值為97.2%，檢測結(jié)果也滿足要求。對4月30日攤鋪的段落，在5月7日進行了鉆芯試驗，試驗結(jié)果證明煤矸石成型完好密實。

4.3 綜合評價

對試驗段進行現(xiàn)場觀察，鋪筑水穩(wěn)煤矸石底基層已有幾個月的時間，由于運料車往返碾壓，除表面稍有松散外，未發(fā)現(xiàn)有任何病害；從彎沉來看，不做水穩(wěn)煤矸石的路基平均彎沉為80.9 mm，已做水穩(wěn)煤矸石底基層的彎沉為39.1 mm，說明其物理力學性能較好，完全滿足一級路底基層的要求[6]。

5 結(jié)論

5.1 煤矸石的塑性指數(shù)可通過摻配石粉予以改善，壓碎值沒有超過規(guī)范規(guī)定的30%，膨脹量為零。參照規(guī)范[7]，如果級配不好，可通過粉碎機粉碎并過篩，煤矸石底基層強度可控制在1.5～2.5 MPa。水泥劑量采用5%～6%，水泥采用初凝和終凝時間較長的32.5 MPa水泥。

5.2 煤矸石作為公路工程底基層材料的優(yōu)點是：在有水的條件下可以生成鹽填充于內(nèi)部的空隙，使結(jié)合料結(jié)合得更加緊密，有助于水穩(wěn)的成型，而且可以解決廢物利用問題。

5.3 煤矸石用作公路工程底基層材料的缺點是：煤矸石裸露在空氣中容易風化，在有流動水的作用下可以溶解早期形成的鹽，并將之帶走，使結(jié)合料失去結(jié)合作用的鹽而導致呈不穩(wěn)定狀態(tài)。

5.4 煤矸石用作道路底基層材料的實踐表明，不僅可提高道路質(zhì)量，降低工程造價，而且解決了環(huán)境污染及占地問題，但其穩(wěn)定性還有待于進一步研究。

參考文獻：

[1] 蔣愛良.煤矸石的組成特征及利用途徑[J].中國煤炭，2000，26(3)：25-27.

[2] 劉春榮，宋宏偉，董斌.煤矸石用于路基填筑的探討[J].中國礦業(yè)大學學報，2001，30(3)：294-297.

[3] 何上軍.煤矸石作路面基層材料的探討[J].鐵道工程學報，1999(1)：114-117.

[4] JTG E42—2005，公路工程集料試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2005.

[5] JTG E40—2007，公路土工試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2007.

[6] JTG F80/1—2004，公路工程質(zhì)量檢驗評定標準(土建工程)[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7] JTJ 034—2000，公路路面基層施工技術規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2000.

Abstract：For the engineering properties of coal gangue，the present research states the formation mechanism of coal gangue highway subbase lays strength and leading indicators of coal gangue being used as highway subbase lay material.Combined with practical engineering，this essay demonstrates the feasibility of coal gangue being used as highway subbase lay material，and puts forward problems and matters needing attention in construction application.

Key words：coal gangue；cement stabilized coal gangue；highway subbase lay；orthogonal experiment