煤矸石路用性能研究

晏衛(wèi)革

(邢臺(tái)市交通運(yùn)輸局)

1 煤矸石路用性能室內(nèi)試驗(yàn)

(1)分別從邢臺(tái)煤礦的三個(gè)煤矸石山上取三組試樣，按照直觀顏色，分為灰褐色煤矸石(1#試樣)、紅色煤矸石(2#試樣)、黑色煤矸石(3#試樣)。

(2)結(jié)合以往煤矸石在其他路段的使用經(jīng)驗(yàn)，確定對(duì)以上三組試樣進(jìn)行顆粒分析、界限含水量、天然含水量、擊實(shí)試驗(yàn)、承載比CBR、壓碎值、崩解性、膨脹性、礦物成分、燒失量和有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)。

①顆粒分析試驗(yàn)

采用圓孔篩篩分法進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，煤矸石天然樣品篩分通過率和篩分曲線如表1和圖1。

表1 煤矸石天然樣品篩分通過率 %

圖1 不同煤矸石篩分曲線圖

根據(jù)以上篩分試驗(yàn)結(jié)果，三種煤矸石都具有良好的連續(xù)級(jí)配，且最大粒徑均滿足規(guī)范要求，可作為路基填料。

②界限含水量、天然含水量

采用液塑限聯(lián)合測定儀測定煤矸石的液限和塑限，計(jì)算天然稠度和塑性指數(shù)。

表2 煤矸石的液塑限試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，三種煤矸石液限均處于20～25之間，塑性指數(shù)在10左右，符合路基設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)填料路用性能的要求，可用于路基填筑。

③擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)之前將三組試樣中大于38 mm顆粒取出，計(jì)算通過百分率，對(duì)小于38mm部分，每組分3～5層分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)所得的最大干密度和最佳含水量進(jìn)行修正，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 煤矸石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

④CBR試驗(yàn)

采用浸水CBR試驗(yàn)測定煤矸石的強(qiáng)度及水穩(wěn)性能，室內(nèi)CBR試驗(yàn)按路基施工時(shí)的含水量及壓實(shí)度要求在試筒內(nèi)制備試件，并在加載前浸泡在水中飽水96 h，灌入試驗(yàn)使用路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 煤矸石的CBR試驗(yàn)結(jié)果

⑤壓碎值

三組煤矸石試樣的壓碎值試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 煤矸石壓碎值試驗(yàn)結(jié)果

煤矸石的礦物組成包括泥質(zhì)頁巖、砂巖，容易導(dǎo)致煤矸石破碎，其巖性決定了煤矸石的壓碎值較大，試驗(yàn)結(jié)果表明煤矸石的壓碎值滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

⑥崩解性

因煤矸石中的軟巖成分遇水易發(fā)生崩解軟化，故需對(duì)其進(jìn)行崩解性試驗(yàn)，試驗(yàn)方法為取某一粒徑大小的煤矸石浸水3 d后，可計(jì)算出崩解部分質(zhì)量占原試樣質(zhì)量的百分比，即為試樣的崩解量。三組試樣崩解性試驗(yàn)結(jié)果如表6。

試驗(yàn)結(jié)果表明，三組煤矸石試樣的崩解性較小，均較穩(wěn)定。

⑦膨脹性

試驗(yàn)?zāi)康闹饕菧y定粒徑小于0.5 mm的煤矸石粉樣的自由膨脹率。結(jié)果見表7。

表6 煤矸石崩解性試驗(yàn)結(jié)果 %

表7 煤矸石自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明三組試樣的自由膨脹率均小于40%，滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2004)要求，可做直接作為路基填料使用。

⑧礦物成分

采用化學(xué)滴定方法測定三種煤矸石的化學(xué)組分，如表8。

表8 煤矸石礦物成分試驗(yàn)結(jié)果

從礦物成分?jǐn)?shù)據(jù)來看，三組煤矸石試樣中SiO2、Al2O3、Fe2O3等總含量均超過70%，未發(fā)現(xiàn)不適宜作為路基填料的成分。

⑨燒失量

分別對(duì)三組煤矸石試樣進(jìn)行燒失量試驗(yàn)，結(jié)果如表9。

表9 矸石燒失量試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，三組試樣的燒失量均小于20%，不會(huì)對(duì)路基穩(wěn)定性造成影響。2#試樣(紅色煤矸石)的燒失量比3#試樣(黑色煤矸石)小，主要原因?yàn)楹谏喉肥泻袣埩裘骸⒂袡C(jī)質(zhì)等成分，在外界環(huán)境作用下發(fā)生風(fēng)化、崩解、自燃、有機(jī)質(zhì)灰化等反應(yīng)，因此黑色煤矸石相比于紅色煤矸石性質(zhì)不穩(wěn)定，在施工中宜采用紅色煤矸石作為路基填料。

⑩有機(jī)質(zhì)含量

根據(jù)三組煤矸石試樣化學(xué)成分分析，三組煤矸石有機(jī)質(zhì)含量均小于10%，滿足規(guī)范要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)根據(jù)篩分試驗(yàn)結(jié)果，煤矸石級(jí)配良好，最大粒徑滿足設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范要求，可以經(jīng)過碾壓達(dá)到密實(shí)。

(2)化學(xué)成分及自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果表明，煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O3等礦物成分總含量大于70%，自由膨脹率小于40%，有機(jī)質(zhì)含量不超過10%，滿足規(guī)范對(duì)路基填料的要求。

(3)根據(jù)最佳含水量成型的試件，在壓實(shí)度達(dá)到96%時(shí)，試件在4 d飽水后的CBR值為20%以上，完全滿足設(shè)計(jì)與施工規(guī)范要求，表明煤矸石在浸水狀態(tài)下，仍然具有足夠的強(qiáng)度適宜作為路基填料。

(4)崩解性試驗(yàn)結(jié)果表明，煤矸石崩解性較小，大塊的煤矸石崩解后變?yōu)檩^小的煤矸石顆粒，崩解性會(huì)進(jìn)一步降低，穩(wěn)定性將進(jìn)一步增加。

(5)燒失量試驗(yàn)結(jié)果表明，該煤矸石的燒失量較小，對(duì)路基工程有不良影響的成分較少，不會(huì)對(duì)路堤穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3 結(jié)語

通過對(duì)三組煤矸石試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明其各種路用性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求，可以利用作為路基填料。在施工中，宜優(yōu)先選用穩(wěn)定性能較好的紅色煤矸石，其次是灰褐色煤矸石，黑色煤矸石燒失量偏大，使用前應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行現(xiàn)場檢驗(yàn)，符合技術(shù)要求者方可使用。另外，要做好試驗(yàn)路段，認(rèn)真總結(jié)完善施工工藝、質(zhì)量檢測方法和質(zhì)量控制措施，做好沉降觀測，保證煤矸石路基具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性。