煤矸石在道路工程中的應用研究

張金龍

（華陸工程科技有限責任公司，西安710065）

1 引言

煤矸石用作道路基層材料有著明顯優勢：（1）煤矸石的種類和品質無特殊要求，對有害成分含量限制要求不高；（2）煤矸石堆存量大，應用在道路工程中無須進行特殊處理及采用特殊技術手段。目前，煤矸石用于道路基層的研究尚不多，應用實例有限，因此，分析目前研究與應用現狀，明確未解決的關鍵技術問題，對煤矸石在公路工程中的推廣應用十分必要。

2 煤矸石在道路工程中的應用現狀

目前，關于煤矸石的分類未達成統一標準，根據實際施工情況，可根據煤矸石的燃燒情況分為未燃煤矸石和已燃煤矸石。未然煤矸石以黑色為主，風化程度低；已燃煤矸石多為塊狀及顆粒狀，可燃性成分少，氧化鋁、氧化硅的含量較高，礦物成分活性大，利于工程應用。煤矸石的穩定性指標包括顆粒組成、膨脹和崩解性、壓縮性、燒失率、有機質含量、滲透性、水穩定性、抗剪切特性等。研究表明，煤矸石水穩定性不好，有弱膨脹性及崩解性，且存在自燃等問題，在用于路基填筑材料時，需摻入一定比例的細顆粒和合適的穩定材料，并充分壓密，保證較好的排水、隔水條件。

東南大學巖土工程研究所劉松玉[1]等對徐州北部地區路用煤矸石的基本粒度特性及其顆粒破碎細化規律進行了試驗研究，分析了其對各種工程力學特性的影響，包括壓實度、滲透、水穩、壓縮、承載、變形與強度特性等。建立了煤矸石的“強度-變形”的本構關系，并擬合出煤矸石路基在循環動力荷載作用下“動應力-動應變”關系曲線，為煤矸石路堤的動強度、動變形及循環荷載下累計變形的計算提供了理論模型。

中國礦業大學馬占國[2]對某礦松散煤矸石進行破碎、顆粒分級，通過壓實特性試驗得到煤矸石壓實曲線、側壓曲線，討論粒度對壓實特性的影響，為該礦區利用煤矸石進行路基充填提供了試驗依據；同時，總結了軸向應變、橫向應變、泊松比、彈性模量等變形模量的變化規律，對壓實過程中的變形機理做出合理解釋。

長安大學公路學院王修山[3]等通過調研山東某公路的煤矸石路基實際使用狀況，評價了煤矸石路基替代石灰土和素土在路基使用后所產生的經濟優勢和生態優勢：有效節約耕地資源和植被，顯著減少固體廢棄物污染。

目前，煤矸石材料主要用作道路基層材料，在面層的應用研究相對較少。楊麗英[4]等通過研究發現，煤矸石與普通礦質集料具有相似的物理力學性能，除針片狀顆粒含量較高外，其余各項指標均滿足規范要求。煤矸石的密度小、黏附性較差，需摻配傳統石灰巖集料拌制混合料。北京長安街大修工程和海淀區惠新西街均有煤矸石瀝青混合料面層的鋪裝應用，根據檢測結果，用煤矸石替代部分粗集料的瀝青混合料，其高溫穩定性良好，不同粗骨料對水穩定性（RS 與TSR 值）和低溫抗裂性影響不大，具有可觀的應用前景。

3 煤矸石實體工程應用與評價

我國煤矸石應用于路基的研究始于20 世紀80 年代，工程實踐表明，煤矸石是一種高性能、經濟環保的石礦材料，其作為土工填充材料的應用已成為國內綜合利用煤矸石資源的主要方式。本文通過調研，總結了國內煤矸石路基應用實體工程及其使用效果，詳見表1。

表1 煤矸石路基實體工程應用案例

由表1 可知：（1）用石灰、粉煤灰穩定煤矸石材料的應用效果最佳，主要原因是粉煤灰的活性較高，混合料的反應程度增加，強度得到提升，推薦配合比為石灰∶粉煤灰∶煤矸石=5∶15∶80；（2）綜合利用赤泥等化工廠廢棄物，可制備更為耐久的生態型基層材料；（3）煤矸石填筑路基的實際應用效果較好，材料的力學性能、耐久性能和環境性能優良。

4 煤矸石混合料基層施工工藝

煤矸石混合料壓實過程是一個破碎壓密的過程，矸石塊經過破碎、壓密、再破碎、再壓密的漸進壓密，粗大矸石塊的比例降低，細小顆粒比例提高，混合料的顆粒級配逐步得到改良。若采用傳統碾壓工藝進行施工，在碾壓過程中煤矸石破碎會消耗部分壓實力，將導致基層壓實度和強度達不到規范要求。

針對煤矸石混合料自身特點，推薦使用“J3Z4N2 法”開展施工。總體施工流程為：基層地面處理→施工放樣→攤鋪→拌和→整平→“J3Z4N2 法”壓實→養護。其中，“J3Z4”即振動壓路機進行靜壓和振壓交替壓實，靜壓3 遍、振壓4 遍，通過靜壓使煤矸石充分破碎，振動碾壓進一步調整煤矸石的接觸狀態，使其顆粒相互靠近、重新排列，改良原有級配，以減小混合料的空隙率、提高密實度；“N2”即振壓后使用凈碾壓路機對路段進行碾壓2 遍，使混合料充分密實并最終穩定。碾壓應在最佳含水量下進行，并隨時檢查路面基層的密實情況。

5 結語

煤矸石用作道路基層材料的研究與應用已取得一定成效和進展。本文通過系統闡述煤矸石的分類情況、理化特性及其在道路基層和面層中的應用情況與施工工藝，得出以下結論：

1）燃矸性質穩定，活性大，自然級配較好，工程應用效果好；未燃矸級配不良，常要經過破碎程序，使用時需摻入細料，成本較高，且性質不穩定，不建議工程應用；

2）用石灰、粉煤灰穩定煤矸石材料的應用效果最佳，主要原因是粉煤灰的活性較高，混合料的反應程度增加，強度得到提升，推薦配合比為石灰∶粉煤灰∶煤矸石=5∶15∶80；

3）煤矸石混合料施工過程建議采用“J3Z4N2 法”，采用靜壓和振壓交替壓實，使混合料充分密實；

4）煤矸石填筑路基的實際應用效果較好，材料的力學性能、耐久性能和環境性能優良，具有廣闊的發展前景。