煤矸石混合料在路基中的路用性能分析

王冠凱

（中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 054000）

煤矸石作為一種礦業廢料，其產量約為煤炭產量的20%，而煤矸石的利用率較低，多自然堆放，易造成土地資源浪費[1-4]。而把煤矸石混合料作為公路路基填料，既減少了路基填筑過程中的材料成本，也一定程度上緩解了環境污染問題，具有很好的應用前景[5]。目前，關于煤矸石混合料路用性能的研究較少，因此本文研究了煤矸石混合料的物理和化學特性，并試驗了煤矸石混合料的劈裂強度和無側限抗壓強度，驗證了煤矸石混合料作為公路路基填料的可行性。

一、煤矸石混合料的材料性質

煤矸石的材料性質主要受內部因素和外部因素兩方面影響。一方面，其內部成分復雜，以煤和黃鐵礦為主，長時間暴露在空氣下，內部會發生低溫氧化反應；另一方面，外部的雨水和日照，均會加快低溫氧化的速率，從而引發自燃，造成很大的危害。

（一）煤矸石混合料的化學特性

在現場取得煤矸石混合料樣品，然后通過室內化學試驗得到煤矸石混合料的主要化學成分——三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鎂、氧化鋁及二氧化硅等。同時，根據其物質組成含量的不同分類，當二氧化硅的含量大于70%時，為砂巖矸；當二氧化硅含量在40%至70%之間時，為黏土矸巖；當二氧化硅的含量小于40%時，根據煤矸石混合料中鋁和鈣含量的不同，分為鈣質矸巖和鋁質矸巖。

此外，煤矸石混合料中含有一定量的可燃有機物，影響著煤矸石混合料的穩定性。因此根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009），通過煤矸石混合料的燒失量試驗，判斷混合料中可燃有機物的含量。

首先，現場選取具有代表性的煤矸石混合料，放在烘箱中烘干，并稱量烘干后煤矸石混合料的初始重量，然后高溫灼燒烘干后的煤矸石，并稱量灼燒后的煤矸石混合料，最后計算出煤矸石混合料的燒失量。通過燒失量試驗可知，現場煤矸石混合料的可燃有機物含量較低，滿足公路路基填筑要求。

（二）煤矸石混合料的物理特性

煤矸石混合料的主要物理特性指標包括壓碎值及吸水率等。

1.煤矸石混合料的壓碎值

煤矸石混合料的壓碎值是影響煤矸石混合料力學特性的重要因素之一，即在外力作用逐漸增大的條件下，煤矸石混合料抵抗破碎的能力。試驗時，參照《公路工程集料試驗規程》JTGE42-2005，利用萬能壓實機壓實煤矸石混合料，壓碎后煤矸石混合料中粒徑小于2.36mm，混合料的質量與壓實前煤矸石混合料質量的比值即為混合料的壓碎值，同理可以得到不同樣品煤矸石混合料的壓碎值。

規范中要求公路路基填料的壓碎值不大于30%，煤矸石混合料的壓碎值為28.3%，滿足規范要求，適用于公路路基填筑。

2.煤矸石混合料的吸水率

分析煤矸石混合料化學成分可知，水嚴重影響煤矸石混合料的穩定性，因此選取3組煤矸石混合料為研究對象，依據有關規范，實施煤矸石混合料吸水試驗。具體過程為，首先在烘箱中烘干煤矸石混合料，得到混合料的初始干質量，然后把烘干的煤矸石混合料浸泡在水中一定時間后再稱量，得到煤矸石混合料濕質量，計算浸泡前后質量的比值，得到煤矸石混合料的吸水率。煤矸石混合料的平均吸水率為5.20%，吸水率較小，說明其結構形式較好，顆粒內部孔隙率大，透水性好，適合作為公路路基排水層填料。

二、煤矸石混合料配合比設計

煤矸石混合料以煤矸石為粗骨料，剔除其中粒徑大于31.5mm的粗骨料，然后利用乳化瀝青黏合煤矸石，故煤矸石混合料的強度主要來源于乳化瀝青之間的的黏合力和煤矸石粗骨料之間的咬合力，煤矸石混合料的配合比設計主要包括級配確定及最佳含水率確定等。

（一）級配值的確定

篩分試驗可以得到煤矸石混合料的級配值如表1所示，同時可知煤矸石混合料的不均勻系數與曲率系數，試驗結果表明，煤矸石混合料的級配較好，顆粒間空隙較少，適合公路路基填筑。

表1 煤矸石混合料的級配值

（二）最佳含水量

水是影響煤矸石混合料特性的重要因素之一。含水量過低，乳化瀝青的作用不能完全發揮，顆粒之間的黏結效果降低，煤矸石混合填料難以壓實；含水量過多，則會出現乳化瀝青流失的現象，此時煤矸石混合料主要通過顆粒之間的咬合來抵抗變形，抗剪強度降低。

因此，有必要通過室內拌和試驗確定煤矸石混合料的最優含水量。同時，通過不同含水量下煤矸石混合料的室內擊實試驗可以得知，最優含水量為7%，最大干密度為2.04g/cm3。

三、煤矸石混合料的路用性能

在取料場采集煤矸石混合料后，通過劈裂試驗和無側限抗壓強度試驗，研究煤矸石混合料在公路路基工程中的路用性能。

（一）劈裂試驗

煤矸石混合料劈裂試驗是通過在煤矸石混合料圓柱形試樣的橫向施加一組大小相同、方向相反的線性荷載，試件破壞時的荷載值即劈裂強度，煤矸石混合料的劈裂強度嚴重影響著公路路基的耐久性。根據《公路瀝青路面設計規程》（JTG D50-2006），設置3組煤矸石混合料，養護60天后通過劈裂試驗，得到煤矸石混合料劈裂強度結果。

根據有關規范可知，公路路基基層填料的劈裂強度不應低于0.40MPa，劈裂試驗顯示，煤矸石混合料的劈裂強度為0.58MPa，滿足規范要求。

（二）無側限抗壓強度試驗

在公路運營期，公路承受的主要荷載為車輛動荷載，這就對公路路基的強度、剛度及穩定性有較高的要求。公路路基的主要受力形式和無側限抗壓強度試驗類似，因此，可通過無側限抗壓強度對煤矸石混合料路基進行質量控制。試驗時，將最優含水量條件下的煤矸石混合料養護6天、浸泡1天后開始試驗，并計算出煤矸石混合料的抗壓強度。

計算結果顯示，煤矸石混合料的無側限抗壓強度為1.35MPa，能夠滿足規范中關于公路路基材料抗壓強度的要求。