摘要：文章以某地區(qū)煤矸石為研究對(duì)象，通過(guò)制備6組不同配合比的水泥穩(wěn)定碎石煤矸石混合料試件，測(cè)試混合料的力學(xué)特性參數(shù)、水穩(wěn)定系數(shù)、凍融強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率等關(guān)鍵路用性能指標(biāo)，研究煤矸石在水穩(wěn)性和抗凍性方面的表現(xiàn)。結(jié)果表明：相同配合比混合料的抗壓強(qiáng)度均與養(yǎng)生齡期成正比，且初期增長(zhǎng)幅度較大；隨煤矸石摻量增加，試樣抗壓回彈模量上升；配合比為碎石A∶碎石B∶煤矸石∶機(jī)制砂=35%∶10%∶40%∶15%的混合料路用性能最佳，更適合研究區(qū)水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石水穩(wěn)基層的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤矸石；配合比設(shè)計(jì)；水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石；路用性能

中文分類號(hào)：U416.1+1A180553

0引言

煤矸石是煤礦開(kāi)采和處理過(guò)程中生成的主要固體廢物之一。煤矸石中富含各類火山灰物質(zhì)，可被廣泛應(yīng)用于建筑材料或道路工程回填等。我國(guó)每年產(chǎn)生的煤矸石約為數(shù)億噸［1］，但綜合利用率僅為60%～70%［2］。大量煤矸石堆積如山，不僅占據(jù)大片土地，浪費(fèi)資源，還對(duì)環(huán)境造成污染，從而危害人體健康，嚴(yán)重違背“綠水青山就是金山銀山”的綠色發(fā)展理念。因此，將煤矸石應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域具有極為重要的實(shí)際意義［3］。

水泥穩(wěn)定碎石混合料是我國(guó)高速公路中最典型的基層材料［4］。通過(guò)使用廢棄的煤矸石替代部分集料，制備水泥穩(wěn)定煤矸石碎石混合料用于路面基層及底基層，既解決了煤矸石資源化利用的問(wèn)題，又緩解了目前砂石材料供應(yīng)緊缺的狀況［5］。王貴林等［6］通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)研發(fā)了水泥穩(wěn)定煤矸石的合理配合比，得出7%水泥用量的混合料穩(wěn)定性更高。高健［7］對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)煤矸石的路用性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明水泥穩(wěn)定內(nèi)蒙古煤矸石混合料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求，且混合料的密實(shí)度較高。常賀［8］對(duì)淮北地區(qū)煤矸石物化特性做了全面分析，確定淮北地區(qū)煤矸石可以作為高等級(jí)公路路基材料使用。葉家彬等［9］選用鶴壁煤矸石作為研究對(duì)象，從微觀角度和耐久性兩個(gè)方面分析煤矸石在水穩(wěn)基層的可行性，結(jié)果表明煤矸石可提升水泥的膠凝效果，大幅度提升水穩(wěn)基層材料的強(qiáng)度。然而，鶴壁場(chǎng)地的煤矸石摻入對(duì)水泥碎石基層的抗凍性能有影響，說(shuō)明不同產(chǎn)地的煤矸石在物理力學(xué)性能上存在顯著差異［10］，因此對(duì)特定產(chǎn)地的煤矸石進(jìn)行路用性能研究變得至關(guān)重要。

本研究聚焦于某地區(qū)的煤矸石，旨在優(yōu)化其在路面基層的應(yīng)用。通過(guò)調(diào)整水泥穩(wěn)定煤矸石的配合比，進(jìn)行細(xì)致的力學(xué)性能試驗(yàn)，并深入研究其在水穩(wěn)性和抗凍性方面的表現(xiàn)。研究成果可為寧夏地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石的實(shí)際路用提供參考。

1原材料

本次試驗(yàn)選用某地區(qū)的煤矸石，其外觀呈黑色，主要以塊狀形式存在，且質(zhì)地堅(jiān)硬難破碎。具體的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2配合比設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)方案

本研究采用當(dāng)?shù)亓綖?0～26.5 mm（碎石A）和10～20 mm（碎石B）且級(jí)配良好的硬質(zhì)天然石灰?guī)r作為粗集料，煤矸石的粒徑為5～10 mm，細(xì)集料使用粒徑為0～5 mm機(jī)制砂。為充分利用煤矸石，計(jì)劃對(duì)6組配合比方案進(jìn)行研究，具體見(jiàn)表2。

2.2擊實(shí)試驗(yàn)

為制作不同配合比設(shè)計(jì)方案試樣，需測(cè)定不同配合比的最大干密度（ρd）和最優(yōu)含水率（wop）。本節(jié)根據(jù)相關(guān)規(guī)范的擊實(shí)方法［11］，對(duì)摻入P·O42.5水泥量為4%的不同配合比設(shè)計(jì)混合料進(jìn)行擊實(shí)，結(jié)果如下頁(yè)表3所示。

從各混合料的擊實(shí)結(jié)果來(lái)看，3號(hào)混合料ρd最大，為2.368 g/cm3；6號(hào)級(jí)配ρd最小，為2.342 g/cm3。在固定水泥和機(jī)制砂摻量的情況下各混合料的ρd和wop相差不大。

2.37 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是衡量材料抗壓能力的重要參數(shù)之一，其高低會(huì)直接影響工程的質(zhì)量和安全，也是水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵指標(biāo)。按照文獻(xiàn)［11］的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，水泥劑量選用4%，開(kāi)展7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，1號(hào)混合料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最小，為5.13 MPa；6號(hào)混合料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，為6.93 MPa。所有試驗(yàn)組7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都大于5.0 MPa的技術(shù)規(guī)定，而2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值相比其他組更大，這說(shuō)明合適的配合比可提高水泥穩(wěn)定碎石煤矸石強(qiáng)度。

3力學(xué)性能試驗(yàn)

為全面評(píng)估水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石在不同配合比下的力學(xué)性能，本研究擬進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及抗壓回彈模量試驗(yàn)。根據(jù)文獻(xiàn)［11］選用2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)配合比，P·O42.5水泥劑量為4%，制備標(biāo)準(zhǔn)試件，隨后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d、60 d和90 d。在養(yǎng)生結(jié)束后，對(duì)試件進(jìn)行28 d、60 d及90 d的力學(xué)性能試驗(yàn)。

3.1抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

結(jié)合上述7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)［11］相關(guān)規(guī)定，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件開(kāi)展28 d、60 d及90 d的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，相同配合比混合料的抗壓強(qiáng)度均與養(yǎng)生齡期成正比，且初期增長(zhǎng)幅度較大，60 d和90 d的抗壓強(qiáng)度相差不大。不同混合料抗壓強(qiáng)度的優(yōu)劣順序?yàn)?號(hào)＞2號(hào)＞5號(hào)，這表明6號(hào)混合料（碎石A∶碎石B∶煤矸石∶機(jī)制砂=35%∶10%∶40%∶15%）試件在不同養(yǎng)生齡期內(nèi)的抗壓性能最佳。

3.2劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

劈裂強(qiáng)度是指路基在承受外部壓力、荷載或環(huán)境變化時(shí)的抗裂性能。按照文獻(xiàn)［11］的試驗(yàn)方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件開(kāi)展28 d、60 d及90 d的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，試件28 d、60 d及90 d的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)同28 d、60 d及90 d抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相似。同一齡期不同混合料劈裂強(qiáng)度大小關(guān)系為6號(hào)＞2號(hào)＞5號(hào)。

3.3抗壓回彈模量試驗(yàn)

抗壓回彈模量作為道路基層材料的重要參數(shù)，通常用于描述材料的剛度和硬度，可用來(lái)評(píng)價(jià)道路的抗裂能力。參照文獻(xiàn)［11］的相關(guān)規(guī)定，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件開(kāi)展28 d、60 d及90 d的抗壓回彈模量試驗(yàn)。

結(jié)果如圖4所示，各組試件的抗壓回彈模量隨著齡期增長(zhǎng)呈線性關(guān)系。在相同齡期下，混合料抗壓回彈模量大小關(guān)系為6號(hào)＞2號(hào)＞5號(hào)，這是因?yàn)?號(hào)和2號(hào)混合料的煤矸石含量較高，壓實(shí)后和水泥的協(xié)同作用引起抗壓回彈模量上升，也說(shuō)明適當(dāng)?shù)拿喉肥瘬饺霑?huì)提高水泥碎石-煤矸石基層的剛度。

4耐久性能試驗(yàn)

以往的研究表明，煤矸石在水中的穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生膨脹或軟化現(xiàn)象。在北方季凍區(qū)域，冬季溫度較低可導(dǎo)致路基水分凍結(jié)，春季融化時(shí)易出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象，縮短基層材料壽命。因此，在使用煤矸石作為基層材料時(shí)，需要重點(diǎn)考察其水穩(wěn)定性和抗凍性，以確?；鶎泳邆浔匾穆酚眯阅堋?/p>

4.1水穩(wěn)性能試驗(yàn)

本研究使用水穩(wěn)系數(shù)評(píng)估試件的水穩(wěn)定性。由圖5可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，各組混合料的水穩(wěn)系數(shù)都顯著增加。6號(hào)混合料的水穩(wěn)系數(shù)增長(zhǎng)最為迅速，7 d與90 d的水穩(wěn)系數(shù)差值達(dá)到了9.7%，而5號(hào)混合料的增長(zhǎng)速度最慢，7 d與90 d的水穩(wěn)系數(shù)差值為8.6%。在90 d齡期時(shí)，2號(hào)、5號(hào)和6號(hào)混合料的水穩(wěn)系數(shù)都在92%～95%，其中6號(hào)混合料的水穩(wěn)系數(shù)最高，為94.9%，說(shuō)明4%水泥摻量對(duì)混合料水穩(wěn)定性的影響程度較小。

4.2抗凍性能試驗(yàn)

參照文獻(xiàn)［11］的試驗(yàn)方法，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d的試件進(jìn)行5次凍融循環(huán)試驗(yàn)。每次凍融循環(huán)后，測(cè)試試件的質(zhì)量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化，再結(jié)合質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率綜合評(píng)價(jià)混合料的抗凍性能。

從圖6可以看出，所有試件的質(zhì)量損失率均不超過(guò)規(guī)范上限5%的要求，說(shuō)明該地區(qū)煤矸石的摻入對(duì)混合料抗凍性影響不大。在第一次凍融循環(huán)后，各組混合料的質(zhì)量損失率無(wú)差；在5次凍融循環(huán)期間，6號(hào)混合料的質(zhì)量損失率（0.624%）始終小于2號(hào)混合料（0.645%）和5號(hào)混合料（0.684%），這說(shuō)明6號(hào)混合料在經(jīng)歷凍融循環(huán)前后的體積穩(wěn)定性較好，不易產(chǎn)生凍脹融沉現(xiàn)象。

從圖7可以明顯看出，各組的強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)相似，但在經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后，各組試件強(qiáng)度損失變化陡增；在經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后，各組的強(qiáng)度損失率都在20%以上，其中6號(hào)混合料強(qiáng)度損失率最小，為20.8%，說(shuō)明煤矸石的摻入對(duì)混合料凍融循環(huán)后期影響較大。

5結(jié)語(yǔ)

本文圍繞某地區(qū)煤矸石在水穩(wěn)基層中的路用性能開(kāi)展研究，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)以及耐久性試驗(yàn)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石煤矸石混合料試件的力學(xué)性能等進(jìn)行研究。獲得以下主要結(jié)論：

（1）相同配合比混合料的抗壓強(qiáng)度均與養(yǎng)生齡期成正比，且初期增長(zhǎng)幅度較大，60 d和90 d的抗壓強(qiáng)度相差不大。

（2）煤矸石含量較高，壓實(shí)后和水泥的協(xié)同作用引起抗壓回彈模量上升，試樣抗壓回彈模量也上升。

（3）6號(hào)混合料（碎石A∶碎石B∶煤矸石∶機(jī)制砂=35%∶10%∶40%∶15%）綜合性能最佳，更適合研究區(qū)水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石水穩(wěn)基層的實(shí)際應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：林達(dá)寧（1986—），工程師，主要從事公路工程試驗(yàn)檢測(cè)方面的工作。