王 朝，田榮燕，王松鋒，杜詠崢，李毅杰

(西藏大學(xué)工學(xué)院,西藏 拉薩 850000)

0 引言

煤矸石為煤質(zhì)沉積巖,化學(xué)組成成分主要為SiO2和Al2O3,還含有少量的CaO,Fe2O3,MgO,TiO2,K2O,P2O5,Na2O,礦物成分以黏土類、石英、碳酸鹽類為主,主要有高嶺土、伊利石、蒙脫石、白云石、硫化鐵、炭質(zhì)以及少量的稀有金屬物等。我國(guó)目前發(fā)電以及工業(yè)生產(chǎn)中,煤炭依舊作為主要能源,占比達(dá)到70%以上。并且我國(guó)目前依靠煤炭發(fā)電的現(xiàn)狀,在以后幾十年有較大概率會(huì)維持下去。煤矸石是與煤伴生的一種巖石,在煤的開采與加工洗選過(guò)程中逐漸被分離出來(lái),而成為一種廢棄物,在煤礦中大量存在。西藏地區(qū)累積堆存尾礦量已超過(guò)6×104t,云南、四川等省已開始對(duì)尾礦進(jìn)行二次開發(fā)。西南地區(qū)采煤過(guò)程中形成的煤矸石堆存量約90 000×104t,在礦坑附近堆積成山,占?jí)捍罅客恋孛娣e,暴雨季節(jié)易形成滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害,污染礦山周邊河湖水系。我國(guó)每年對(duì)煤矸石的利用率不足30%,如在焦煤洗選過(guò)程中,1×108t可排放出約2 000×104t,而1億t動(dòng)力煤可排放出約1 500×104t煤矸石。且每年對(duì)煤矸石山的修整都投入大量資金,也對(duì)煤矸石的廢物利用十分重視,探索煤矸石的利用以及大量消耗煤矸石儲(chǔ)量,都成為一個(gè)重要話題。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國(guó)對(duì)煤矸石應(yīng)用于基層的研究始于20世紀(jì)80年代,起初主要作為路基的填料并進(jìn)行加固[1]。長(zhǎng)安大學(xué)曾采用石灰、煤矸石與土混合用于道路基層,充分發(fā)揮了煤矸石的優(yōu)良性能。同時(shí),劉元泉、胡益眾依托于平頂山至臨汝高速公路工程,將煤矸石用于填筑高速公路路基,進(jìn)而研究煤矸石的材質(zhì)特性、路基填料以及施工等方面內(nèi)容,證明煤矸石符合路基的一般要求。劉春榮、宋宏偉等從煤矸石的基本物理力學(xué)性質(zhì)角度,探討了關(guān)于煤矸石在路基填筑應(yīng)用的主要問(wèn)題,如:煤矸石的拌和、攤鋪及壓實(shí)的質(zhì)量控制問(wèn)題,最終認(rèn)為煤矸石是一種良好的筑路材料;根據(jù)煤矸石自身特點(diǎn),提出了一種煤矸石作為筑路材料時(shí)壓實(shí)度的檢測(cè)方法,并將煤矸石成功應(yīng)用于徐豐公路(S239)龐莊礦區(qū)段;狄升貫以青蘭高速實(shí)體工程為依托,以河北邯鄲礦區(qū)的煤矸石為研究對(duì)象,通過(guò)國(guó)內(nèi)外調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段,深入研究了煤矸石用于高速公路路基的室內(nèi)試驗(yàn)方法、工程力學(xué)特性、施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制及路用性能;王貴林研究水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的合理配合比,并進(jìn)行7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),表面采用較高水泥劑量可滿足低等級(jí)公路要求;但煤石又是重要的資源,可綜合利用[2]。表1為國(guó)內(nèi)實(shí)際工程示例。

表1 國(guó)內(nèi)煤矸石實(shí)際應(yīng)用

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

煤矸石在發(fā)達(dá)國(guó)家中綜合利用率都已達(dá)到 40%以上,甚至部分國(guó)家的利用率更是高達(dá) 60%～80%,英國(guó)現(xiàn)有煤矸石的堆積量大約為16×108t,但煤矸石年利用量?jī)H為600×104t～700×104t,處理方式僅是將煤矸石用于公路路堤、水利工程堤壩及其他土建工程,如:采用相關(guān)技術(shù)將煤矸石應(yīng)用到混凝土中,且成品具有較高的強(qiáng)度;或按一定比例將煤矸石與集料、結(jié)合料攪拌制成混合料,應(yīng)用于路面材料,做成具有較好防滑效果的路面。 二十世紀(jì)七八十年代,美國(guó)通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在道路基層使用粉煤灰煤矸石混合料,無(wú)論技術(shù)方面,還是環(huán)境方面,都是可行的,而且在應(yīng)用于道路底基層也取得了成功。目前對(duì)尾礦綜合利用較好的是美國(guó),美國(guó)尚有300余座煤矸石山,現(xiàn)存煤矸石量達(dá)到2.7×108t。利用“紅矸石”作為路基材料,也利用煤矸石生產(chǎn)輕骨料、空心砌塊、建筑用磚等材料,甚至于生產(chǎn)水泥。表2為國(guó)外實(shí)際工程。

表2 國(guó)外煤矸石實(shí)際應(yīng)用

1.3 研究方向

通過(guò)JTG D30—2015公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范和JTG T3610—2019公路路基施工技術(shù)規(guī)范等相關(guān)規(guī)范對(duì)煤矸石混合料進(jìn)行路用性能探究來(lái)進(jìn)行[3-4],文章主要以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗凍性能試驗(yàn)、抗沖刷性能試驗(yàn)為主來(lái)探究五種不同配比下的煤矸石應(yīng)用到道路基層的性能,通過(guò)測(cè)量其質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度等系數(shù)來(lái)對(duì)比五種配合比的性能,其次再?gòu)纳鐣?huì)與經(jīng)濟(jì)效益方面來(lái)進(jìn)行參照分析。

2 試塊配合比設(shè)計(jì)與制作

道路底基層設(shè)計(jì)需滿足力學(xué)性能、水穩(wěn)性能和強(qiáng)度等的要求,因此本研究采用水泥石灰粉煤灰穩(wěn)定煤矸石碎石混合料來(lái)制作試塊。將煤矸石與天然礦石進(jìn)行替換,設(shè)計(jì)五種不同的配合比[5-6],因此確定較為合理的道路底基層設(shè)計(jì)。

2.1 試塊配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)JTG-E51—2009公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)規(guī)范要求,進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)的試塊均采用D=150 mm,h=150 mm的試模進(jìn)行制作,再按照T0845—2009無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料養(yǎng)生試驗(yàn)方法進(jìn)行7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)之后,再進(jìn)行試驗(yàn)?？箖鲂阅茉囼?yàn)所需的試塊則進(jìn)行28 d養(yǎng)護(hù),采取5次凍融循環(huán),溫度范圍-20 ℃～20 ℃。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),加載速率控制在1 mm/min。5種配合比設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 5種三灰穩(wěn)定煤矸石混合料配合比 %

2.2 試塊制作及養(yǎng)護(hù)

按照表3中的5種配合比進(jìn)行試件制作,都以12.2%的最佳含水率和1.68 g/cm-3干密度來(lái)制作試塊,采用圖1中模具靜壓成型后,再放置于溫度為(20±2)℃,相對(duì)濕度為95%的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),中間利用圖2脫模裝置對(duì)試塊進(jìn)行脫模,養(yǎng)護(hù)完成后以待后期使用[7]。

3 試驗(yàn)及分析

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及結(jié)果分析

利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(如圖3所示)對(duì)7 d養(yǎng)護(hù)齡期的試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將煤矸石應(yīng)用于道路底基層,工況滿足JTG F20T—2015公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范中的高速公路和一級(jí)公路的要求,使用工業(yè)廢渣穩(wěn)定材料的石灰粉煤灰,7 d養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)Rd在極重、特重交通條件下不小于0.8 MPa,且要滿足各種荷載及反復(fù)荷載下的力學(xué)要求。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算:

(1)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 石灰粉煤灰穩(wěn)定材料7 d養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc

從表4結(jié)果可看出5種配合比的混合料試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均可滿足JTG F20T—2015公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范要求。在水泥、石灰和粉煤灰含量不變的情況下,隨煤矸石的含量不斷增多,試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也在不斷增長(zhǎng),達(dá)到峰值后,抗壓強(qiáng)度開始下降。從試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值來(lái)看,初步推薦配合比為m(水泥)∶m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(煤矸石)∶m(碎石)=2∶10∶38∶35∶15。

3.2 凍融抗壓性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

西藏地區(qū)多為凍土地區(qū),若地基抗凍性能較差,會(huì)引起道路路面開裂,嚴(yán)重影響通行及行車安全。將28 d養(yǎng)護(hù)齡期的試塊分為兩組:一組為凍融試驗(yàn)組;一組為空白對(duì)照組。為準(zhǔn)確反映西藏高海拔地區(qū)道路的實(shí)際服役溫度,在G109國(guó)道唐古拉山段埋設(shè)溫濕度傳感器,埋深深度及實(shí)測(cè)溫度的平均值如表5所示,參照道路實(shí)測(cè)溫度,將試驗(yàn)組試件放入-16 ℃恒溫冰箱保持冰凍16 h,然后取出放入溫度為20 ℃的恒溫水槽中融化8 h,凍融循環(huán)5次后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?？瞻讓?duì)照組不進(jìn)行凍融循環(huán),直接進(jìn)行抗壓試驗(yàn),獲取試件破壞時(shí)的抗壓強(qiáng)度。將凍融前后的強(qiáng)度比作為試件凍融抗壓性能的衡量指標(biāo),強(qiáng)度比根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算:

(2)

表5 道路實(shí)測(cè)平均溫度

其中,fm為5次凍融循環(huán)后的殘留;fm1為未經(jīng)凍融試件的飽水抗壓強(qiáng)度平均值,MPa;fm2為經(jīng)5次凍融循環(huán)后的試件飽水抗壓強(qiáng)度平均值,MPa。

依據(jù)JTG D50—2017公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)規(guī)定,要求重凍區(qū)底基層混合料殘留抗壓強(qiáng)度不小于70%。由表6可明顯看出5種配合比的試件凍融殘留抗壓強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求,試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著煤矸石含量增多,試件凍融循環(huán)后的殘留抗壓強(qiáng)度總體上呈上升趨勢(shì)。煤矸石加入后,試塊孔隙填充充足,整體黏聚性增強(qiáng),煤矸石的含量影響到試件整體的抗凍性能。比較5種三灰穩(wěn)定煤矸石混合料的抗凍性能,發(fā)現(xiàn)E>D>B>C>A。

表6 三灰穩(wěn)定煤矸石混合料殘留抗壓強(qiáng)度比

3.3 抗沖刷性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

在道路服役環(huán)境中,表面水可能會(huì)通過(guò)各種方式進(jìn)入路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)層,若結(jié)構(gòu)層內(nèi)的水不能及時(shí)排出,則會(huì)在結(jié)合料顆粒界面之間流動(dòng),降低顆粒之間的嵌擠力,從而破壞路面結(jié)構(gòu)。如若遇到行車荷載,進(jìn)入結(jié)構(gòu)層內(nèi)的水會(huì)產(chǎn)生極大的動(dòng)水壓力,形成動(dòng)積水,對(duì)路面底基層產(chǎn)生沖刷作用,破壞路面底基層結(jié)構(gòu)。因此,抗沖刷性能也可作為底基層路用性能的衡量指標(biāo)。

在頻率為60 Hz的震動(dòng)臺(tái)上安裝一個(gè)480 mm×350 mm×250 mm的塑料容器,容器頂部安裝一個(gè)反力支架來(lái)固定試件,利用震動(dòng)臺(tái)使容器內(nèi)的水產(chǎn)生水動(dòng)力。試驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示。將5種配合比的試件放置于水池中浸泡48 h,得出試件飽水質(zhì)量,分別對(duì)其進(jìn)行5個(gè)階段的沖刷試驗(yàn),獲取累積沖刷量,式(3)中累積沖刷量與飽水質(zhì)量的比值Em衡量試件的抗沖刷性能。

(3)

其中,Em為累積沖刷量與飽水質(zhì)量的比值;m1為試件沖刷掉質(zhì)量之和,g;m0為試件總質(zhì)量,g。

沖刷結(jié)果如表7所示,圖5為累積沖刷率。

表7 沖刷試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)試塊即使達(dá)到壓力最大值,試塊整體性還是較為完好,且沖刷量隨著時(shí)間的增加而減少,逐級(jí)趨于平緩變化。煤矸石量增加后,試塊整體黏聚力增強(qiáng),試塊沖刷量較低。由圖5可看出5種配合比下的試塊沖刷率變化并不是線性,其中E組效果較好,其抗沖刷能力也比較好,后期逐漸趨于平穩(wěn),沖刷率變化幅度變小。

4 結(jié)論及展望

4.1 結(jié)論

將煤矸石替換天然碎石應(yīng)用于路基底基層,設(shè)計(jì)了5種材料配合比,經(jīng)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、凍融抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)、沖刷試驗(yàn),對(duì)底基層材料性能進(jìn)行了全面研究,得出以下結(jié)論:

1)將煤矸石添加至路基材料中,可以提高路基材料的抗壓強(qiáng)度,保持水泥、石灰和粉煤灰的質(zhì)量不變,煤矸石含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在25%到35%時(shí),抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),但之后再繼續(xù)增加煤矸石的含量,路基材料抗壓強(qiáng)度會(huì)下降,煤矸石含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))相對(duì)在35%左右時(shí),路基材料抗壓強(qiáng)度最大。

2)5組不同配合比制作的試塊,整體抗壓強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,其中煤矸石含量稍多于碎石含量時(shí),在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、凍融抗壓強(qiáng)度及抗沖刷等方面效果最佳。綜合比較試驗(yàn)結(jié)果,推薦配合比為m(水泥)∶m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(煤矸石)∶m(碎石)=2∶10∶38∶35∶15。

3)將煤矸石應(yīng)用于底基層材料中,可以提高試塊內(nèi)部黏聚力,具體表現(xiàn)在抗壓試驗(yàn)完成后,試塊的整體性較好,并沒(méi)有完全開裂,即便在水流沖擊下,試塊整體性依舊良好。

4.2 展望

我國(guó)西南地區(qū)在開采礦產(chǎn)資源時(shí),極易形成大量煤矸石、廢石、煤灰渣等固體廢棄物,不僅容易引發(fā)當(dāng)?shù)氐V山地質(zhì)災(zāi)害,且對(duì)礦產(chǎn)資源造成了極大的浪費(fèi)。我國(guó)目前對(duì)煤矸石利用率不高,伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,煤炭用量不斷增加,致使煤矸石的產(chǎn)量也在不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2022年,中國(guó)煤矸石儲(chǔ)量已超60×108t,且每年新增量超5×108t。產(chǎn)出量巨大,但無(wú)法消耗,導(dǎo)致多數(shù)煤矸石堆積起來(lái),無(wú)法被有效利用,形成了一座座煤矸石山,侵占了土地資源,極大地破壞了環(huán)境。將煤矸石應(yīng)用于道路底基層,不僅替換了原有道路底基層的天然礫石,且極大地消耗了煤矸石儲(chǔ)量。

減少環(huán)境污染:煤矸石主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁、固定碳,含有少量鉀、鈣、鎂等金屬元素以及氮、磷、硫等非金屬元素。煤矸石堆積較多,會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象,導(dǎo)致部分煤矸石排放出一定量的二氧化硫、氮氧以及一氧化碳等有毒氣體。煤矸石的風(fēng)化流失,可能會(huì)污染空氣,自然風(fēng)化會(huì)導(dǎo)致露天存放的煤矸石破碎為細(xì)小顆粒,從而進(jìn)入土壤和空氣,引起土壤污染和揚(yáng)塵,危害人民健康。另外,部分煤矸石中的金屬元素會(huì)隨降雨滲透進(jìn)入地下,污染地下水。將煤矸石用于填充路基,可以為公路工程建設(shè)提供廉價(jià)的原材料,且用量極其巨大,既解決了環(huán)境污染,又改善了人民的生活質(zhì)量。

減少占地空間:2023年我國(guó)人均耕地面積僅為933.338 m2,位居世界第113位,并且還要堅(jiān)持12×1011m2耕地紅線,再加上人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng),致使土地資源無(wú)比珍貴。將煤矸石應(yīng)用于道路底基層,可消耗一定儲(chǔ)量的煤矸石,節(jié)約出一定的土地資源,應(yīng)用于耕地或其他用途,造福人民。

目前應(yīng)用于路基的碎石價(jià)格為450元/t,而煤矸石的價(jià)格僅為50元/t,將煤矸石替換碎石填充于路基中,一方面極大地縮減了公路建設(shè)成本;另一方面也解決了煤矸石露天堆積的環(huán)境污染問(wèn)題,減少環(huán)境治理的資金投入。