劉逢濤，楊杰

（1.中建路橋集團有限公司，河北 邯鄲 056000；2.中路高科（北京）公路技術(shù)有限公司，北京 100088；3.公路建設(shè)與養(yǎng)護新材料技術(shù)應(yīng)用交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100088）

0 引言

我國煤炭資源豐富，開采量和使用量均位居世界前列。煤矸石是在煤炭開采和洗煤過程中產(chǎn)生的一種黑色固體廢渣。據(jù)統(tǒng)計，煤矸石現(xiàn)有堆積量巨大，我國煤矸石山1 600余座，堆積量30億噸，煤矸石的隨意堆放占用大量耕地、污染環(huán)境及地下水，長期堆放的煤矸石山一旦自燃，將產(chǎn)生大量煙霧，對人民身體健康產(chǎn)生巨大危害[1-3]。將煤矸石變廢為寶、二次利用成為亟需解決的問題。與此同時，諸多學(xué)者通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石質(zhì)地較為堅硬、表面棱角豐富、化學(xué)成分復(fù)雜，具有一定的工程應(yīng)用價值。邱玉[4]在不連續(xù)級配的煤矸石中加入煤矸石細(xì)料，發(fā)現(xiàn)可將其用于路基填筑，以二灰對其進(jìn)行穩(wěn)定，可用于道路基層。夏政[5]以淮北天然煤矸石為研究對象，利用水泥對其進(jìn)行穩(wěn)定，研究發(fā)現(xiàn)可將其用于低等級道路底基層，在其中加入一定比例的碎石后，可滿足二級公路基層使用要求。裴富國[6]通過對水泥穩(wěn)定煤矸石作為道路基層研究，確定了煤矸石的摻配比例和施工工藝。閆廣宇[7]通過分選工藝制備出性能優(yōu)良的煤矸石集料，采用5.5%水泥劑量對其進(jìn)行穩(wěn)定制備出水穩(wěn)混合料，并在混合料中加入10%粉煤灰，對其力學(xué)性能進(jìn)行研究，研究表明：采用分選工藝制備的水穩(wěn)混合料可滿足二級道路基層的使用要求，粉煤灰的加入有效改善了煤矸石的抗擊碎能力，提高了煤矸石混合料的力學(xué)性能。王妮妮[8]以沈撫地區(qū)紅色、黑色煤矸石為研究對象，首先通過對其原石材物化性能進(jìn)行分析，研究原石材對基層的影響，其次，對煤矸石路用性能進(jìn)行分析，然后依托試驗路段確定施工工藝，為煤矸石在道路基層中使用提供參考。朱庭勇[9]使用二灰土、二灰煤矸石混合料作為縣、鄉(xiāng)道路基層，通過對混合料的力學(xué)性能、溫縮性能進(jìn)行了全面深入研究，確定了最佳的配合比和級配類型，表明無機材料穩(wěn)定煤矸石作為縣鄉(xiāng)道路基層是經(jīng)濟可行的。從目前國內(nèi)學(xué)者的研究來看，多是將煤矸石用于路基填筑或是低等級道路底基層、基層當(dāng)中，不利于發(fā)揮出煤矸石使用價值，導(dǎo)致煤矸石利用途徑單一、低效。將煤矸石用于高等級道路基層仍有待研究。

綜上，將煤矸石用于道路基層中是可行的?；诖?，本文采用工業(yè)固體廢棄物煤矸石為研究對象，通過篩分得到2.36～13.2mm粒徑煤矸石來替代同等粒徑碎石，根據(jù)規(guī)程[10]研究以5.5%水泥劑量穩(wěn)定混合料的7d無側(cè)限抗壓強度，以期制備出符合高等級道路基層使用的水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石混合料。

1 原材料

原材料包括P·O 42.5 水泥、10～20mm 石灰?guī)r碎石、20～30mm 石灰?guī)r碎石、石粉以及2.36～13.2mm煤矸石。煤矸石的物化性能指標(biāo)試驗結(jié)果如下。

1.1 煤矸石物理性能

煤矸石基本物理性能試驗結(jié)果見表1。

表1 煤矸石基本物理性質(zhì)指標(biāo)

煤矸石中軟巖成分較多，壓碎值較大，在基層中不宜充當(dāng)粗骨料，應(yīng)當(dāng)在碎石形成骨架的前提下，填充其中孔隙，既能避免煤矸石的缺陷，又能最大限度利用煤矸石。煤矸石燒失量和自由膨脹率較低，耐崩解指數(shù)高，具有體積穩(wěn)定性。

1.2 煤矸石化學(xué)組成

煤矸石化學(xué)組成見表2。

表2 煤矸石化學(xué)組成

火山灰活性物質(zhì)（SiO2、Al2O3、Fe2O3）總量高達(dá)88.3%，火山灰活性物質(zhì)在堿性物質(zhì)激發(fā)下與氫氧根離子發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成C-S-H、C-A-H 等膠凝物質(zhì)，可黏結(jié)集料顆粒，有效提高混合料強度。

2 混合料配合比設(shè)計

對碎石、煤矸石、石粉進(jìn)行篩分，根據(jù)細(xì)則[11]和對相關(guān)文獻(xiàn)[12]的研究，對碎石-煤矸石集料進(jìn)行配比設(shè)計。配比設(shè)計見表3。

表3 集料配合比設(shè)計

由表3 可知，20～30mm 碎石由24%逐漸上升到30%，在碎石粗骨料形成骨架的前提下盡可能多地使用煤矸石，因此煤矸石摻配比例由25%上升到40%，為保證骨架密實，在混合料中加入17%的石粉，以此確定10～20mm碎石的用量。

根據(jù)各檔集料篩分結(jié)果及配合比設(shè)計，參考細(xì)則中規(guī)定的級配范圍，確定出4 組級配結(jié)果，4 組配比的合成級配見表4，合成級配圖見圖1～圖4。

圖1 第1組合成級配圖

圖2 第2組合成級配圖

圖3 第3組合成級配圖

圖4 第4組合成級配圖

由表4 可知，3、4 組配合比4.75mm 篩孔通過率高于級配上限，原因在于煤矸石粒徑范圍為2.36～13.2mm，其中包括了4.75mm 以下的粒徑，煤矸石用量逐漸增加，提高了4.75mm 篩孔的通過率，從而使其超過級配上限。

表4 各配比的合成級配

3 試驗方法

3.1 擊實試驗

參考規(guī)程[10]，根據(jù)集料最大容許粒徑，采用丙法進(jìn)行重型擊實試驗，依次采用3%、4%、5%、6%、7%等5個含水率分別對4組配合比混合料進(jìn)行擊實試驗。

3.2 7d無側(cè)限抗壓強度試驗

根據(jù)集料最大容許粒徑，試件尺寸選擇為15cm×15cm 圓柱體，根據(jù)擊實結(jié)果、試件尺寸、壓實度可計算出試件質(zhì)量，再依次計算出各檔集料質(zhì)量，將其拌和均勻，采用靜壓法進(jìn)行試件成型，將成型后的試件，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護7d，在養(yǎng)護齡期前一天，飽水養(yǎng)護24h，將飽水后的試件表面水分擦干，將試件放置在試驗機底座上，開動壓力機保持加載速度為1mm/min，持續(xù)加載直至試件破壞，停止加載記錄壓力值。

3.3 混合料力學(xué)性能試驗

為進(jìn)一步探討水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石混合料的力學(xué)性能，選取7d抗壓強度滿足高等級道路基層要求的兩組，進(jìn)行混合料多齡期力學(xué)性能試驗。

3.4 多齡期抗壓強度試驗

為研究混合料的長期抗壓強度性能，選取7d無側(cè)限抗壓強度滿足高等級道路基層要求的混合料進(jìn)行多齡期抗壓強度試驗。對第3、4 組混合料依次進(jìn)行28d、90d無側(cè)限抗壓強度試驗。

3.5 多齡期劈裂強度試驗

在養(yǎng)護齡期前1d 將試件浸水養(yǎng)護24h，取出浸水養(yǎng)護的試件擦去表面水分，將試件放在劈裂夾具壓條上，將夾具連同試件共同放在壓力機上，壓力機加載速度保持1mm/min 進(jìn)行劈裂試驗，試件破壞時停止加載，記錄壓力機讀數(shù)，計算出劈裂強度。

4 試驗數(shù)據(jù)及分析

4.1 擊實試驗數(shù)據(jù)及分析

由圖5 可知，4 組混合料最佳含水率逐漸減小，這是由于1～4 組混合料20～30mm 碎石含量逐漸增多，混合料內(nèi)部接觸面積減小，導(dǎo)致混合料的最佳含水率減小，20～30mm 碎石從24%增加到30%的過程中，最佳含水率下降了3.7%；1～4 組混合料最大干密度逐漸增大，這是由于2.36～13.2mm煤矸石逐漸增加，煤矸石顆粒較細(xì)，在碎石形成骨架的前提下，可有效填充其中的孔隙，且煤矸石在擊實過程中易被擊碎，煤矸石擊碎后更能填充混合料內(nèi)部孔隙，因此混合料的最大干密度逐漸增加。

圖5 4組擊實試驗結(jié)果

4.2 7d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果及分析

由圖6 可知，20～30mm 碎石含量從24%增加到30%的過程中混合料的強度增大了19.9%，表明20～30mm 碎石含量增加可有效提高混合料的強度。這是由于20～30mm 碎石相互嵌擠搭接形成骨架，在形成骨架的前提下適當(dāng)提高煤矸石顆粒和細(xì)粉，形成骨架密實型結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。四組配合比試驗結(jié)果中，20～30mm 碎石含量為28%～30%時，2.36～13.5mm 煤矸石的利用率可達(dá)到35%～40%，實現(xiàn)煤矸石高利用的同時，也滿足高等級道路基層的使用要求。

圖6 4組混合料7d無側(cè)限抗壓強度

4.3 混合料長期力學(xué)性能研究試驗結(jié)果及其分析

4.3.1 多齡期無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果及其分析

由圖7 可直觀看出隨養(yǎng)護齡期增長混合料抗壓強度呈增長趨勢。第3 組混合料養(yǎng)護齡期由7d 增加至28d 過程中，抗壓強度由5.04MPa 增長至6.06MPa，增幅為20.3%；養(yǎng)護齡期28d增加至90d過程中，抗壓強度由6.06MPa 增長至6.81MPa，增幅為12.4%。第4 組混合料養(yǎng)護齡期由7d 增加至28d 過程中，抗壓強度由5.37MPa 增長至6.72MPa，增幅為25.1%；養(yǎng)護齡期由28d 增長至90d 過程中，抗壓強度由6.72MPa 增長至7.78MPa，增幅為15.8%。第4 組混合料無論是增長速率還是強度值均高于第三組，一方面由于第4 組中煤矸石含量較多，煤矸石中含有火山灰性物質(zhì)，與水泥水化產(chǎn)物可發(fā)生火山灰反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，使強度得到提高，且火山灰反應(yīng)進(jìn)行較為緩慢，因此第4 組混合料具有較高的后期增長潛力。另一方面，第4 組混合料相較于第3組混合料級配性能更優(yōu)良。

圖7 3、4組多齡期無側(cè)限抗壓強度

4.3.2 多齡期劈裂強度試驗結(jié)果及其分析

由圖8 可直觀看出，隨養(yǎng)護齡期增長，混合料劈裂強度呈增長趨勢。第3 組混合料養(yǎng)護齡期由28d 增長至90d 過程中，劈裂強度由0.584MPa 增長至0.694MPa，增幅為19%；第4 組混合料養(yǎng)護齡期由28d 增長至90d 過程中，抗壓強度由0.612MPa 增長至0.759MPa，增幅為24%，其中兩組混合料均可滿足規(guī)范要求的0.4～0.6MPa。但是，無論劈裂強度大小還是增長速率，第4 組混合料均大于第3 組混合料，其原因在于劈裂強度不同于抗壓強度，抗壓強度是試件整體抵抗外界荷載的能力，而劈裂強度主要表現(xiàn)為結(jié)合料與結(jié)合料之間的黏接力和結(jié)合料集料表面的黏接力，骨料之間嵌擠力幾乎可以忽略。其中第4 組混合料中煤矸石摻量最多，煤矸石細(xì)集料均勻分散在混合料中，增大了集料和水、水泥的接觸面積，從而提升了混合料的劈裂強度。

圖8 3、4組多齡期劈裂強度

5 結(jié)論

（1）煤矸石密度與碎石相似，燒失量小、耐崩解指數(shù)高、自由膨脹率小，表明煤矸石具有良好的體積穩(wěn)定性，壓碎值較大，不適宜在混合料中充當(dāng)骨架結(jié)構(gòu)，在碎石形成骨架的前提下將煤矸石填充其中，可有效避免煤矸石的缺陷。

（2）采用5.5%水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石混合料，20～30mm碎石含量為28%～30%時，2.36～13.5mm煤矸石的利用率可達(dá)到35%～40%，且7d抗壓強度達(dá)到了5MPa以上，并且28d、90d的綜合力學(xué)性能均能滿足規(guī)范要求。

（3）滿足高等級道路基層的使用要求。使用2.36～13.2mm 煤矸石替代同粒徑范圍碎石，實現(xiàn)了煤矸石變廢為寶，拓寬了煤矸石的應(yīng)用路徑，節(jié)約工程造價，具有良好的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。