劉延敏

（邢臺華辰交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引言

煤矸石是進行煤炭開采及加工過程中產(chǎn)生的廢棄料，是煤炭的一種伴生巖石。隨著煤炭的不斷開采，煤矸石廢棄料的產(chǎn)生也越來越多，由于煤矸石廢棄料利用困難，因此被堆砌在礦區(qū)周圍，裸露的煤矸石廢棄料不僅占地面積大，在雨雪天氣下還會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生有害物質(zhì)，對土壤及大氣環(huán)境造成污染；而將煤矸石混合料應(yīng)用于高等級公路路基填筑過程中，不僅能夠減小環(huán)境污染和土地資源浪費，還能有效降低公路施工成本。

煤矸石混合料的路用性能與一般的填土或者填石填料有一定的差異，因此在對煤矸石混合料進行利用前，需要對煤矸石混合料的物理力學(xué)特性進行研究。本文以河北邢臺高速改擴建工程為背景，以廢棄的煤矸石混合料作為路基填筑材料，對煤矸石混合料的物理力學(xué)特性及路用性展開研究，為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

案例工程為京滬高速公路的改擴建工程，以河北邢臺高速擴建工程路基路面施工項目段為試驗路段，JHK-YZ23 標段位于河北邢臺境內(nèi)，標段內(nèi)設(shè)：真武互通、丁伙樞紐、江都東互通，樁號范圍為K943+524.000—K969+534.093，全長26.010km。

2 煤矸石混合料物理力學(xué)性能試驗研究

按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005），分析煤矸石混合料的顆粒級配、壓碎值及性能指標。

2.1 顆粒級配

以4.75mm 為煤矸石混合料粗細骨料的界限值，對煤矸石混合料進行了顆粒級配測試，篩分結(jié)果如表1所示，煤矸石混合料級配曲線見圖1。

表1 建筑垃圾級配組成

圖1 煤矸石混合料級配曲線

由表1 及圖1 可知，對煤矸石混合料進行篩分、破碎后的粒徑較為均勻。另外，破碎后的煤矸石混合料粒徑均不大于60.0mm，煤矸石的不均勻系數(shù)為9.2，曲率系數(shù)為1.3，煤矸石混合料的顆粒不均勻且級配連續(xù)，滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）中對底基層公稱粒徑的要求。

2.2 壓碎值

煤矸石混合料的成分復(fù)雜，填料顆粒的強度不均勻，與天然骨料相比，煤矸石混合料的強度較低，因此需要對煤矸石混合料的壓碎值進行測定，檢測是否滿足規(guī)范中對于路基填料的壓碎值要求。

將一定質(zhì)量的煤矸石混合料和天然骨料分別放在壓碎機上的圓桶內(nèi)，然后施加200kN的豎向荷載，將壓碎后的煤矸石混合料和天然骨料進行2.36mm 篩分，根據(jù)下式可得到煤矸石混合料和天然骨料的壓碎值：

式中：m為壓碎前質(zhì)量；n為篩分后質(zhì)量。計算可得，煤矸石混合料的壓碎值為30.1%，天然骨料的壓碎值為20%。

與天然骨料相比，煤矸石混合料中軟巖成分較多，在相同作用下破碎率更高，故煤矸石混合料的壓碎值大于天然骨料。與天然骨料混合料的壓碎值相比，煤矸石混合料的壓碎值并沒有出現(xiàn)較大的下降，由此可以得出，煤矸石再生后的混合料完全可以作為一種路基填料，在路基工程中進行再生利用。

2.3 承載比（CBR）值

為確定煤矸石混合料的路用性能，除物理指標檢測外，還需要對煤矸石混合料的力學(xué)之間進行檢查，施工過程中，通常利用CBR 值對煤矸石混合料的承載能力進行評價。具體試驗步驟如下所示：

（1）通過擊實試驗確定煤矸石混合料的最優(yōu)含水量及最大干密度，然后按照試驗確定的最優(yōu)含水量及最大干密度制備煤矸石混合料；

（2）分3 層將煤矸石混合料填筑到試桶內(nèi)，每填筑一層煤矸石混合料后，擊實98 次，盡量保證試驗煤矸石混合料的壓實度和現(xiàn)場煤矸石混合料的壓實度保持一致；

（3）試樣制備擊實完成后，在加載板表面安裝千分表，并記錄初始讀數(shù)；

（4）將制備完成的試樣放入到水槽里面，浸泡48h，浸泡過程中使水槽內(nèi)液面高于試件頂面大約25mm，利用千分表計算出煤矸石混合料的膨脹量；

（5）利用路面材料強度試驗儀測定其CBR 值，試驗結(jié)果為：膨脹率0.21%，CBR33.5%。

《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）中對于高速公路上路床路基填料的CBR 值要求是不小于8%，而本項目使用煤矸石混合料的CBR 值遠遠超過規(guī)范標準，表明煤矸石具有良好的承載能力，能滿足使用要求。

3 煤矸石混合料路基承載力影響因素研究

施工過程中，利用煤矸石混合料作為路基填料時，需要對混合料進行摻土或者篩分等處理，其中摻土含量及細集料的含量是影響煤矸石混合料承載力的主要因素，因此通過室內(nèi)CBR 試驗，對不同細集料及摻土含量下煤矸石混合料的承載力進行研究，其中，顆粒含量小于5mm的集料稱為細集料，其值大小用P5表示。

3.1 細集料含量對煤矸石混合料承載力的影響

設(shè)置煤矸石混合料中P5含量分別為15%、20%、30%、40%和55%，按照承載力試驗方法，對煤矸石混合料進行裝填、擊實、浸水，最后測定不同細集料含量下煤矸石混合料的CBR值，如表2所示。

表2 不同細集料含量下煤矸石混合料的CBR值

利用Origin 軟件，對試驗結(jié)果進行二次多項式擬合，如圖2所示。

圖2 不同細集料含量下煤矸石的CBR值

由圖2 及表2 可知，隨著細集料含量的增加，煤矸石混合料的承載力表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢，當(dāng)細集料含量達到30%左右時，煤矸石混合料的承載力最小，CBR 值為33.5%，和15%細集料含量相比，煤矸石混合料的CBR 值下降了26.4%；隨著細集料含量的繼續(xù)增加，煤矸石混合料的CBR 值開始回升，當(dāng)細集料含量為55%時，煤矸石混合料的CBR 為48.7%，較30%細集料含量的煤矸石混合料CBR 值相比，CBR 值上升了45.4%。

由土力學(xué)知識可知，煤矸石混合料的CBR 值反映的是混合料內(nèi)部顆粒抵抗變形能力的指標，其值大小主要由煤矸石混合料的黏聚力和內(nèi)摩擦角兩個力學(xué)指標決定的。根據(jù)前人的研究，當(dāng)煤矸石混合料的壓實度控制在95 左右時，當(dāng)混合料內(nèi)部的細顆粒含量在20%～80%之間時，煤矸石混合料的黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律比較明顯：隨著細顆粒含量的增加，煤矸石混合料的內(nèi)摩擦角由36°減小到33°，而黏聚力卻由25kPa 增加到45kPa，表明當(dāng)細顆粒在15%～30%之間，煤矸石混合料的內(nèi)摩擦角決定混合料的抗剪強度，因此CBR 值逐漸降低；當(dāng)細顆粒在30%～60%之間，煤矸石混合料的黏聚力定混合料的抗剪強度，因此CBR值逐漸增加；由此可以得出煤矸石混合料隨著細集料相對含量P5 含量的增加，其抗剪強度先減小后增大，即CBR先減小后增大。

3.2 摻土含量對煤矸石混合料承載力的影響

煤矸石混合料中的摻土量同樣是影響混合料承載力的重要因素之一，因此在原狀煤矸石混合料中設(shè)置的摻土含量分別為10%、20%和30%，然后進行室內(nèi)承載力試驗，并保證每層煤矸石混合料的擊實次數(shù)為98次，得到不同摻土含量下煤矸石混合料的CBR 值如表3所示。

表3 不同摻土含量下煤矸石混合料的CBR值

利用Origin 軟件，對試驗結(jié)果進行繪制，如圖3所示。

圖3 不同摻土量下煤矸石的CBR值

由表4 及圖3 可知，當(dāng)煤矸石混合料的擊實功相同的情況下，在煤矸石混合料中摻土能夠有效提高煤矸石混合料的承載能力，如當(dāng)摻土量為0%時，煤矸石混合料的CBR值為33.5%，摻土量為10%時，煤矸石混合料的CBR 值為44.8%，CBR 值提高了33.7%；摻土量為20%時，煤矸石混合料的CBR 值為48.1%，CBR 值提高了43.6%；摻土量為30%時，煤矸石混合料的CBR值為73.8%，CBR 值提高了120.3%。表明煤矸石混合料摻土量越大，則煤矸石混合料的承載力提高幅度越大。這是由于，在煤矸石混合料中添加一定量的土體，有利于改善煤矸石混合料的顆粒級配，填充了煤矸石混合料中大顆粒之間的空隙，使混合料的結(jié)構(gòu)形式逐漸向密實骨架結(jié)構(gòu)發(fā)展，從而提高了煤矸石混合料的固結(jié)特性和承載能力。

4 結(jié)論

（1）煤矸石混合料的不均勻系數(shù)為9.2，曲率系數(shù)為1.3，煤矸石混合料的顆粒不均勻且級配連續(xù)，滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）中對底基層公稱粒徑的要求。與天然骨料相比，煤矸石混合料中軟巖成分較多，因此在相同作用下破碎率更高，但煤矸石混合料的壓碎值沒有出現(xiàn)較大的下降，可以在路基中進行再生利用。

（2）本項目使用煤矸石混合料的CBR 值遠遠超過《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）中對于高速公路上路床路基填料的CBR 值要求，表明煤矸石具有良好的承載能力，滿足使用要求。

（3）隨著細集料含量的增加，煤矸石混合料的承載力表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，當(dāng)細集料含量達到30%左右時，煤矸石混合料的承載力最小，CBR值為33.5%；當(dāng)煤矸石混合料的擊實功相同的情況下，在煤矸石混合料中摻土能夠有效提高煤矸石混合料的承載能力。