煤矸石用作高速公路路基填料的現場碾壓試驗研究

李承祥

摘要：在我國公路建設不斷發展的情況下，更多環保材料應用在公路建設當中，其中，煤矸石是目前高速公路建設當中經常應用到的材料類型，在本文中，將就煤矸石用作高速公路路基填料的現場碾壓進行一定的研究。

Abstract： In the case of continuous development of highway construction in China， more environmentally friendly materials are used in highway construction. Coal gangue is one of them. This paper studies the field rolling test of coal gangue used as expressway subgrade filling.

關鍵詞：煤矸石；高速公路；路基填料；現場碾壓試驗

Key words： coal gangue；expressway；roadbed packing；field rolling test

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）11-0153-03

0 引言

煤矸石填筑路基不需翻曬，可大大加快路基填筑進度，同時可以變廢為寶，減少取土占地和環境污染，用作填筑材料還可以降低施工成本，在工程中具有很好的應用價值。但是由于煤矸石礦物成份多，化學成份復雜，風化作用又大，而且大多數煤矸石的物理化學反應尚未完全結束，若不加選擇地用其填筑路基，極容易造成路基不穩定，其次是煤矸石在運輸及施工過程中粉塵對環境造成污染，因此，在路基填筑工程中需采取特殊設計，在施工方法上從選料到攤鋪碾壓，也需采取相應的措施。

本文針對高速公路路基填筑施工要求，結合煤矸石的組成成分和工程特性，在山西省長治市武鄉縣的紅色旅游路施工建設中，通過對煤矸石的現場碾壓試驗探索其用作路基填筑材料的可行性，為工程實踐提供了更多具有參考價值的技術經驗。

1 煤矸石的工程特性

1.1 煤矸石的組成

煤矸石是與煤層伴生的礦物質，實際上是一種含炭物與巖石的混合物，它主要由易風化的炭質葉巖、泥質葉巖、砂質葉巖等軟質巖所組成，其次含有少量的石英、云母等硬質巖。

1.2 物理力學性質

在煤礦生產中，煤矸石是其中排除的廢棄物類型，為不同類型風化巖石以及破碎巖石的混合物。經試驗，它的壓碎值達30%以上，灰粉也超過40%。煤矸石具有顆粒不均勻以及變化范圍較大的的特點。

其在性質方面的具體表現有：

第一，自然級配。其為不同粒徑的顆粒組成，在不同粒徑間，其數量比重方面并不固定。對于Cu≥5，Cc=1～3的，具有較好自然級配的煤矸石，適合應用在路基填方工作當中，而對于自然級配較差、大顆粒在其中占據較大比重的煤矸石則不適合應用為路基填料，可以在經過摻拌粉性土以及破碎處理后應用；

第二，吸水性。根據自身致密性結構特點的存在，煤矸石自身所具有的吸水性較低，在透水性方面具有較好的表現，適合應用為路基填料。而對于部分松散結構煤矸石，其在吸水后體積則將發生明顯的膨脹，不適合應用為路基填料；

第三，風化性。對于具有較高抗壓強度的煤矸石，其風化速度較慢，自然風化破碎具有較大的難度，適合應用為路基填料。而對于較低抗壓強度的煤矸石，在風化條件下則較容易風化破碎，并不適合作為路基填料應用；

第四，自燃性。對于經歷過多次自燃的煤矸石，適合作為路基填料應用，而對于自燃不徹底或者沒有自燃的煤矸石，則具有較高的揮發成分以及固定碳，在應用當中容易發生自燃情況而不適合作為路基填料應用；

第五，可壓縮性。在煤矸石當中，由于具有不同大小的顆粒級配，則適合通過機械材料的應用做好密實以及碾壓處理，在經過壓實處理后，其承載能力將達到50kPa左右。

2 煤矸石路基碾壓施工工藝原理及壓實效果的評價方法

2.1 碾壓施工原理

在高速公路碾壓施工中，雖然不同的工程有不同的施工要求，比如要求靜壓、振壓等，無論哪種工藝，都有一套基本的工藝流程，見圖1。

2.1.1 靜壓工藝

所謂靜壓，即通過機械重力靜滾壓力的作用，在使材料發生永久變形的情況下達到壓實目標。對于該壓實方式而言，其具有循環時間長、應力較大以及狀態變化速度不大的特征，在實際操作當中，受到機械自重方面的影響，該方式無論在路基密實程度還是壓實深度方面都較為有限，正是該特征的存在，使得該方式適合應用在路基施工的穩壓以及初壓階段。

2.1.2 振壓工藝

在該方式中，即先將振動器固定在一定質量物體上后，通過其產生的激振力使被壓實材料做出垂直強迫振動，以較快的速度實現不同顆粒間內摩擦力的減少，在縮減顆粒間距離的情況下增加密實度，以此達到壓實目標。通過振壓方式的應用，則能夠在重新排列石料顆粒的情況下實現其中存在空隙的減少，在對孔隙比進行降低的情況下減少路基變形、提升路基強度。對于該方式而言，其在處理當中不存在較大的作用面用力，且具有較大的加載頻率以及較短的過程時間，且能夠根據壓實層厚度以及鋪筑材料的不同實現振幅以及頻率的科學選擇，在實現壓實效果提升的情況下有效減少碾壓編數。從振動波角度看來，壓路機在振動的情況下，則會將振動波在實現向地基傳遞的情況下向四周位置傳播，并在振動當中由縱波起到壓密作用。通過橫波以及面波的存在，將使墊層表面發生松動情況，而縱波傳遞深度即為振動傳遞深度。

2.2 壓實效果評價方法

2.2.1 壓實原理

在粒度構成方面，煤矸石屬于碎石類土，其顆粒級配是對壓密性形成制約的主要因素，具體壓實特性由細料對骨料空隙充滿程度以及骨料當中稀料所決定。其具體級配具有細小顆粒比例低以及大塊含量比例高的特征，并在壓實過程中有效改善煤矸石的級配缺陷。具體壓實方面，其將經歷兩個階段，在第一階段中，煤矸石整體較為疏松，在壓實當中，主要表現在對顆粒接觸狀態的調整，顆粒將在不斷靠近后重新排列，當相互位移接觸緊密、形成支撐骨架之后，在壓力不斷增加的情況下，則將在超過矸石強度的情況下影響到粗顆粒整體性，并因此重新調整壓力，在使其重新處于壓力過程的情況下進一步密實。該破碎過程的目的，即改良原有級配存在的缺陷，在提升其中小顆粒比例、降低大顆粒比例的情況下逐漸實現整體級配的改善，并有效提升其密實性。通常情況下，當煤矸石當中具有較高的矸石比例時，第一階段持續時間較短，重點主要為第二階段，具有較高的破碎率。當粗粒料比例下降、且粒徑逐漸豐富時，在第一階段邊長的情況下影響到其破碎率。總體來說，對于煤矸石的壓實即是改良原有顆粒級配的過程，在提升細顆粒比例、降低粗大矸石比例的情況下獲得更好的壓密效果。

2.2.2 壓實效果的影響因素

煤矸石壓實性同其自身的顆粒級配以及礦物成分具有密切的關聯，且外部因素也將對其壓實程度產生較大的影響，如松鋪厚度、含水量以及壓實能量等：

第一，含水量。對于普通細粒土來說，在其干容重同含水量間存在二次拋物線關系，在一定壓實功下，具有最大干密度以及最優含水量。而對于煤矸石材料來說，含水量在壓實度影響方面也具有獨特的特點，即由于煤矸石自身吸水量較小，則在具有較快排水速度的情況下不能夠始終保持水分，并因此難以達到最優含水量。而當含水量偏小時，其表面將具有松散的特點，在碾壓中材料可能會出現一定的攤移情況，并因此對壓實效果產生影響。此時，在碾壓時則可以保證含水量在4%以上，在該種情況下完成碾壓后，表面密實性即能夠較好的滿足要求；

第二，壓實能量影響。在煤矸石當中，由于軟巖巖塊數量較多，在具體碾壓當中則經常會發生矸石破碎的情況，且其壓密效果則同碾壓當中煤矸石的破碎情況具有密切的關系。為了能夠實現破碎程度的提升，在具體施工中，使用高強度分層壓密方式則是較好的選擇，并按照“先靜后動、先輕后重”的原則開展工作。

3 煤矸石路基現場碾壓試驗

3.1 試驗設備

碾壓試驗開始前，先確保所需機械設備就位（見表1）。

3.2 試驗方法及試驗內容

本文主要介紹單機碾壓和沖擊碾壓試驗方法。

3.2.1 單機碾壓試驗

①觀測點布置。

在目標路段50m范圍，每10m對一個高程觀測試驗斷面進行布置，試驗斷面數量為6個，在不同斷面上，對6個高程觀測點進行布置，高程觀測點數量為36。

②參數控制。

單機碾壓試驗中，需要重點關注以下參數：

第一，注意對碾壓技術參數的控制。初壓時，先用YJ218振動壓路機穩壓一遍，速度為4km/h，靜壓一遍后，開始弱振一次，振動頻率在25～30Hz之間，振幅在0.7～1.0mm之間，速度為2.5～4km/h之間。初壓過后，調整振動壓路機頻率在33～50Hz之間，振幅在1.0～1.8mm之間，以3～6km/h的速度強振三遍，碾壓時相鄰碾壓輪距要相錯20～30cm，每次碾壓完后，技術員測出各控制點的高程，并做好記錄。復壓后用3Y18～21T光輪壓路機以2～3km/h的速度進行碾壓，碾壓的路線縱向互相平行，行與行之間應重疊后輪寬度1/2，前后相臨區段縱向重疊不小于1～2m，做到無漏壓、無死角。

第二，注意最佳松鋪厚度。在試驗中，分別使用厚度為35、45cm的煤矸石進行碾壓試驗，在使用18T自行壓路機碾壓8遍之后對相同碾壓方式情況下，不同松鋪厚度所具有的沉降率進行計算，并對碾壓編數同沉降間的關系曲線圖進行繪制，根據計算獲得數據對松鋪厚度同路基沉降率間的關系進行研究，以此為后續碾壓施工提供依據。

第三，注意松鋪系數K。松鋪系數方面，可以經現場碾壓試驗獲得，具體測試方式方面，則可以在試驗段以分層的方式填筑厚度為35、45cm的煤矸石，并對碾壓密實后的高程進行測量，以此實現松鋪系數的計算。其計算公式為：

在上式中，H0為基底高程，H1為松鋪高程，H2為壓實后高程。

3.2.2 沖擊碾壓試驗

①試驗方法。

在研究中，其主要內容有：第一，通過水準儀的應用對路基頂高程隨沖壓編數的變化情況進行監測，以此對沖擊碾壓路基的沉降趨勢進行研究，在對沖壓效果進行評價的基礎上實現科學沖擊碾壓編數的確定；第二，通過貝克曼梁以及標準彎沉測試車方式對沖擊碾壓前后的路基彎沉值變化進行測試，以此對沖擊壓實的效果進行評價；第三，通過標準垂擊法的應用對沖擊碾壓影響深度進行研究。

②高程觀測及分析。

第一，在沖壓前，通過水準儀對不同高程觀測點的標高進行觀測與記錄。在沖壓3遍之后，對不同高程觀測點的標高進行觀測與記錄，對不同高程觀測點的沉降量進行計算。如60%觀測點沉降在8mm以上，則需要繼續沖擊碾壓；第二，每沖擊3遍，對高程數據進行一次觀測與記錄，如最后3遍沉降量在5mm以內，即可以視為沉降穩定，可以停止沖壓。

3.2.3 貝克曼梁回彈完成試驗

試驗儀器方面，為標準的彎沉測試車：雙軸、后軸兩側四輪的載重車，并保證其輪胎氣壓、標準軸荷載以及輪胎間隙等參數都能夠滿足施工要求。回彈彎沉試驗步驟為：第一，在測試路段做好測點的布置，根據需求確定測試距離，保證測點處于行車道輪跡帶上，通過粉筆或者白油漆的應用做好標記；第二，將試驗車后輪輪隙對準測點后約3-5cm處的位置；第三，在汽車后輪縫隙位置插入彎沉儀，保證其同汽車方向保持一致，在避免梁臂同輪胎觸碰的情況下將彎沉儀防置在測點位置，并在測定桿上做好百分表的安裝。在將百分表調零處理后，使用手指對彎沉儀進行輕輕的叩打，以此檢查其是否能夠穩定回零。其計算公式為：

LT=（L1-L2）×2

在上式中，LT表示當路面溫度為T時的回彈彎沉值，L1表示車輪中心臨近彎沉儀測頭時百分表的最大讀數，L2表示汽車駛出彎沉影響半徑后百分表的終讀數。

4 壓實質量檢測指標

壓實厚度：每層壓實厚度應控制在30cm以內。

壓實寬度：鋪筑寬度應大于路基設計寬度30cm，包邊土寬度大于等于1m。

壓實度：壓實度標準與土石路基相同。檢測方法采用沉降量控制、即同一點兩次碾壓后高差應小于5mm。

5 結論

通過上文的研究，可以發現自然級配煤研石顆粒級配良好，壓碎值、承載比以及吸水率等都能夠對路基填料需求進行滿足，為了保障工程質量，需要在施工前做好振壓編數、松鋪厚度以及組合方式的科學控制，以此獲得施工的最佳值。

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