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煤矸石用作路基填料的工程特性研究（交通）

                                 狄科明

               （山西省公路局臨汾分局勘察設(shè)計(jì)院  臨汾  041000）

摘要研究了煤矸石用作路基填料時(shí)的路用性能。通過(guò)篩分、擊實(shí)、C BR試驗(yàn)，以及燒失量試驗(yàn)，得到煤矸石相應(yīng)的路用性能數(shù)據(jù)，并與路基規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，煤矸石雖然級(jí)配較差，但在重型壓實(shí)后，在93%壓實(shí)度下CBR值達(dá)到了16%，而且煤矸石燒失量為10. 73%，說(shuō)明煤矸石在壓實(shí)后能夠很好地滿足規(guī)范要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)性、安全性和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞  煤矸石  路基填料  路用性能

    將煤矸石用作路基填料已經(jīng)是交通業(yè)內(nèi)人士研究的重要課題。煤矸石組成極為復(fù)雜，在不同的地區(qū)，構(gòu)成有所差異。由于其本身的特性，在用作路基填土以后，路基很有可能會(huì)受到風(fēng)化，水損；況且煤矸石中含有一定量的有毒成分，目前煤矸石用作路基填料還存在一定的障礙，因此，目前還沒(méi)有一個(gè)完善的規(guī)范和檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)指導(dǎo)煤矸石在道路工程建設(shè)中的應(yīng)用。所以，對(duì)煤矸石進(jìn)行路用性能的研究具有重要的意義。

1  路基填料性能要求

    路基是道路安全性的重要基礎(chǔ)，因此路基填料需要滿足性能要求�！豆�路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG Fl0- 2006)和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30 - 2015)（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）規(guī)定路基填料需要具備良好的整體穩(wěn)定性。不僅如此，更需要足夠的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。煤矸石作為路基填料時(shí)需要有足夠的承載力，因此在選材時(shí)要選取耐風(fēng)化能力強(qiáng)的，這樣可以保證路基的穩(wěn)定性，其中煤矸石紅色最好，黑色最差。煤矸石中粗料含量越少越便于壓實(shí)，可確保達(dá)到更好的級(jí)配，使其在施工時(shí)滿足規(guī)定的壓實(shí)度要求。

2路用性能室內(nèi)試驗(yàn)

    煤矸石由于所處地理位置的不同，其化學(xué)成分也有所不同。目前，煤矸石用作路基填料，沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)，檢測(cè)方法也沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定。所以，本試驗(yàn)研究參考了《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40 - 2007)，《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)等規(guī)范流程，對(duì)其作為路基填料的路用性能進(jìn)行研究。

    根據(jù)以往的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，以下對(duì)煤矸石的級(jí)配、壓實(shí)度、CBR值，以及燒失量進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.1篩分試驗(yàn)

    采用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)煤矸石進(jìn)行篩分，并計(jì)算天然煤矸石樣品通過(guò)各標(biāo)準(zhǔn)篩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見(jiàn)表1，各煤矸石篩分曲線見(jiàn)圖1。

    篩分結(jié)果表明，煤矸石的粒徑大小具有很大的差異，并且大粒徑較多，細(xì)小顆粒較少，粒徑的分布相當(dāng)不均勻。因此煤矸石具有明顯的級(jí)配缺陷，必須通過(guò)一定的機(jī)械碾壓，提高細(xì)小煤矸石顆粒的含量，改良煤矸石的級(jí)配，使其便于壓實(shí)。

2.2擊實(shí)試驗(yàn)

    在施工時(shí)應(yīng)控制實(shí)際施工的壓實(shí)度，盡可能達(dá)到最佳含水率下的最大干密度，達(dá)到最優(yōu)的路基壓實(shí)效果，從而使路基穩(wěn)定性滿足要求。因此，本試驗(yàn)通過(guò)采用室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)方法，確定煤矸石矸石的最佳含水率和最大干密度。

    在天然級(jí)配下，根據(jù)煤矸石最大干密度試驗(yàn)的擊實(shí)曲線（見(jiàn)圖2），可以得到天然級(jí)配煤矸石的最佳含水量為7%，對(duì)應(yīng)的最大干密度為2.068g／cm³。在不同的粒徑含量下，根據(jù)煤矸石粗細(xì)混合料的最大干密度試驗(yàn)的擊實(shí)曲線（見(jiàn)圖3），可以得到煤矸石在粗料含量為40%左右時(shí)，最大干密度達(dá)到了最大值2. 145 g/cm²。

    由圖2可見(jiàn)，天然級(jí)配煤矸石的干密度隨著含水量的增加先增加到最大值后減少。原因在于，剛開(kāi)始水的進(jìn)入使煤矸石顆粒間摩擦力減小，有利于顆粒的移動(dòng)，使煤矸石顆粒更好地嵌實(shí)。而后水量的增加已經(jīng)使煤矸石顆粒之間不能很好地接觸時(shí)，干密度值越來(lái)越小。

    由圖3可見(jiàn)，在粗粒含量小于40%的時(shí)候，隨著粗粒含量的增加，干密度增加的幅度很大，當(dāng)粗粒含量大于40%時(shí)，干密度值減小，并且在粗粒含量大于50%時(shí)，干密度值減少緩慢。由此可以得出結(jié)論：煤矸石粗粒在擊實(shí)過(guò)程當(dāng)中會(huì)被破壞，原來(lái)的結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，隨著細(xì)粒含量的增加，煤矸石更易壓實(shí)。

2.3    CBR試驗(yàn)

    CBR值是加州承載比的簡(jiǎn)稱，它是評(píng)定材料的承載能力的性能指標(biāo)。煤矸石用作路基填料時(shí)，需要具有一定的強(qiáng)度來(lái)承載自重、路基上的路面荷載和車(chē)輛等移動(dòng)荷載。進(jìn)行CBR試驗(yàn)就是為了確定煤矸石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否滿足路基填料的要求。

    首先按照施工時(shí)路基所需要的含水率和壓實(shí)度在規(guī)定的試筒內(nèi)制備試件，試件需要浸泡4d。試件采用含有50%的粗料的煤矸石分3層擊實(shí)。浸泡后的試件進(jìn)行CBR試驗(yàn)。

    CBR計(jì)算分為2步，首先是計(jì)算貫入度為2.5 mm時(shí)單位壓力和標(biāo)準(zhǔn)壓力的比值CBR。

    通過(guò)計(jì)算，比較貫人度為5 mm和2.5 mm的CBR，如果貫入度為5 mm的承載比較大，那么試驗(yàn)重做，如果結(jié)果仍然是貫入度為5 mm的承載比較大，那么就取5 mm時(shí)的承載比。測(cè)定浸水前后試件的長(zhǎng)度計(jì)算膨脹量，計(jì)算公式如下。

    這樣就得到了壓實(shí)度與CBR的關(guān)系曲線圖，見(jiàn)圖4。同時(shí)得到了膨脹量與壓實(shí)度之間的關(guān)系曲線圖，見(jiàn)圖5。

    由圖4和圖5可見(jiàn)，隨著煤矸石壓實(shí)度的增加CBR值增大。這說(shuō)明，煤矸石壓實(shí)度越大，抗壓能力和抗變形能力越強(qiáng)。粗料含量越多，混合料孔隙就越大，吸水率亦提高，煤矸石試樣的浸水膨脹量隨著其壓實(shí)度的增加而增加，壓實(shí)度越大說(shuō)明起始干密度越大，因而產(chǎn)生的膨脹量越大�！兑�(guī)范》中高速公路填料的最小CBR值為8%，煤矸石在本次試驗(yàn)中的承載比最低達(dá)到了16%，遠(yuǎn)大于一般土用作路基填料的要求。因此，煤矸石在經(jīng)重型壓實(shí)后，能夠滿足路基填料的要求。

2.4燒失量試驗(yàn)

    在煤矸石中含有很多在地質(zhì)條件影響下經(jīng)過(guò)復(fù)雜的化學(xué)作用生成的物質(zhì)，這影響了煤矸石的結(jié)構(gòu)，從而影響其抗壓強(qiáng)度等性能，所以煤矸石作為路基填料時(shí)需要選取燒失量較小的，防止出現(xiàn)路基不穩(wěn)定現(xiàn)象。以下通過(guò)煤矸石燒失量試驗(yàn)，得到煤矸石的燒失量數(shù)據(jù)，與《規(guī)范》要求數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。本次燒失量試驗(yàn)對(duì)5堆煤矸石進(jìn)行取樣（分別為1～5號(hào)），得到對(duì)應(yīng)的煤矸石的燒失量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

    根據(jù)《規(guī)范》中的要求，粉煤灰在用于高速公路路堤時(shí)的燒失量應(yīng)該小于20%。而本實(shí)驗(yàn)得到的煤矸石燒失量平均值為10. 73%，遠(yuǎn)小于20%，說(shuō)明煤矸石里殘留的不穩(wěn)定物質(zhì)對(duì)路基工程影響較小，不會(huì)造成路基失穩(wěn)。

3結(jié)論

    (1)煤矸石級(jí)配分布極不均勻，因此在應(yīng)用于路基填料時(shí)要控制大粒徑含量，如果大粒徑含量較高，需要進(jìn)行加工，以達(dá)到良好的級(jí)配效果。

    (2)試驗(yàn)表明在較高的壓實(shí)度下，煤矸石的CBR值越大，其承載能力越大，并且此時(shí)的CBR完全滿足《規(guī)范》對(duì)于土基的CBR值的要求。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)測(cè)得的壓實(shí)度值能夠很好地反映煤矸石作為路基填料的安全性能。

    (3)在我國(guó)土地資源匱乏的情況下，煤矸石作為工業(yè)廢渣能夠替代一般土應(yīng)用于工程實(shí)際，值得作為路基填料進(jìn)行推廣。