水泥穩(wěn)定煤矸石混合料路用性能分析

摘要：針對(duì)目前我國(guó)煤礦開挖中存在的大量煤矸石利用率低等問題，文章提出了利用廢棄煤矸石替代路基粗骨料的方法。采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和凍融試驗(yàn)研究不同摻量水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的路用性能，并采用XRD對(duì)水泥煤矸石混合料進(jìn)行化學(xué)成分結(jié)構(gòu)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，混合料強(qiáng)度可以達(dá)到4.16 MPa，且抗拉強(qiáng)度與水泥摻量呈正比。通過采用XRD研究發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定煤矸石過程中可生成大量膠凝物質(zhì)。研究結(jié)果可為水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的應(yīng)用研究提供參考。

關(guān)鍵詞：水泥；煤矸石；路用性能；研究分析

0引言

煤矸石是一種在煤礦生產(chǎn)和開挖中產(chǎn)生的灰白色固體廢料，且是一種與煤炭共生的物質(zhì)。煤礦開采時(shí)所排放的煤矸石占全部煤礦總量的10%～25%［1］。隨著采煤量的逐年增加，煤礦開采產(chǎn)生的煤矸石不能得到合理利用，導(dǎo)致煤矸石儲(chǔ)量逐年增加，占用土地和污染問題不容忽視［2］。目前，國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)煤矸石的綜合利用進(jìn)行了研究，但缺少對(duì)水泥穩(wěn)定煤矸石混合基層的力學(xué)性能、抗凍性能和化學(xué)成份的研究，嚴(yán)重限制了煤矸石的大規(guī)模應(yīng)用［3］。為此，本文從水泥穩(wěn)定型煤矸石混合料路用特性入手，對(duì)其力學(xué)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了探討，并對(duì)其強(qiáng)度形成機(jī)制進(jìn)行了分析，可以為今后在高等級(jí)路面上推廣水泥穩(wěn)定煤矸石基層的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 水泥性能

試驗(yàn)使用的水泥為惠縣拜泉生產(chǎn)的P.O 42.5水泥。該水泥細(xì)度為4.12%，正常稠度為28.5%，初凝時(shí)間為215 min，終凝時(shí)間為525 min。水泥漿3 d抗裂及抗壓強(qiáng)度分別為4.8 MPa和24.5 MPa；水泥凝膠砂28 d抗裂抗壓強(qiáng)度分別為7.5 MPa和44.8 MPa，均滿足路面基層施工規(guī)范要求［4］。

1.2 煤矸石骨料

煤礦使用的煤矸石來自河南省焦作市。煤矸石以灰色、白色為主，在煤矸石以外的部分則呈現(xiàn)出棕紅色。煤矸石裸露部分為紅褐色，埋藏部分為灰黑色。由于巖塊較大、較硬，煤矸石被顎式破碎機(jī)破碎成大粒徑煤矸石集料（A組）和小粒徑煤矸石集料（B組）。

煤矸石用破碎機(jī)粉碎成粉。自燃煤矸石破碎后呈黃褐色，非自燃煤矸石破碎后呈灰色。采用PerkinElmer 730電感耦合等離子光譜儀對(duì)自燃煤矸石和非自燃煤矸石的主要化學(xué)成分進(jìn)行定量，如表1所示。

1.3 水泥穩(wěn)定煤矸石混合料配合比設(shè)計(jì)方法

以《高速公路路面基層施工技術(shù)規(guī)程》（JTG/TF20-2015）［5］標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，選用最大粒徑為26.5 mm的瀝青混合料，合成A組和B組骨料，設(shè)定A組和B組骨料按2∶8的比例混合。

通常自燃煤矸石的硬度低于非自燃煤矸石［6］，因此，如果用自燃煤矸石代替非自燃煤矸石，并取代水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的粗骨料，水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的抗壓強(qiáng)度必然降低。有關(guān)研究結(jié)果顯示，自燃煤矸石與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生作用是由其活性組分的化學(xué)反應(yīng)引起的。且大量試驗(yàn)結(jié)果表明，在不燃燒的煤矸石中，僅細(xì)集料粒徑＜2.36 mm的煤矸石才會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)。因此，本文選用粒徑＞2.36 mm的自燃煤矸石和粒徑＜2.36 mm的非自燃煤矸石作為粗骨料。

具體試驗(yàn)安排和步驟如下：將A組和B組破碎煤矸石按2∶8的比例均勻混合，用振動(dòng)篩機(jī)通過2.36 mm篩孔。經(jīng)篩選，粒徑＞2.36 mm的自燃煤矸石（BNS）與粒徑＜2.36 mm的非自燃煤矸石（SNS）的質(zhì)量比應(yīng)為60.89∶27.32。自燃煤矸石由顎式破碎機(jī)破碎成最大粒徑≤2.36 mm的骨料（由于顎式破碎機(jī)破碎粒度有限，大骨料破碎后人工破碎）。自燃煤矸石骨料（SSC）篩分后級(jí)配比曲線如表2所示。

為了研究煤矸石中的自燃煤渣對(duì)粉體的作用，采用4種粒徑＜2.36 mm的細(xì)粒自燃煤粉和未燃燒煤矸石的粉體進(jìn)行試驗(yàn)研究。從表3可以看出，4組煤渣摻量都是一樣的，沒有因?yàn)榉旨?jí)而產(chǎn)生差別，且參考混凝土施工建議，設(shè)定水泥摻量分別為3%、4%、5%、6%，并與煤矸石混合形成不同水泥摻量混合料。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓實(shí)試驗(yàn)

在不同水泥摻量條件下，水泥穩(wěn)定煤矸石混合料最大干密度和最優(yōu)含水率試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，隨著水泥摻量增大，最優(yōu)含水率呈非線性逐漸增大，并且與水泥摻量成正比。究其原因?yàn)椋核鄵搅吭蕉?，需要更多水與水泥進(jìn)行反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)；而最大干密度與水泥摻量呈反比，即隨水泥摻量增加，最大干密度下降。最大干密度越小，表征混合料越密實(shí)，一方面由于水泥摻量的增多，水泥與煤矸石在水的環(huán)境下生成膠凝物質(zhì)，填充混合料孔隙，加大顆粒間接觸面積；另一方面，水泥摻量越大，煤矸石摻量越小，且由于煤矸石在混合料中不均勻分布，易形成較大孔隙，因此減少煤礦石摻量也易于降低孔隙，使混合料更加密實(shí)。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

如圖1所示為養(yǎng)護(hù)7 d條件下，不同水泥摻量煤矸石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)圖。從圖1中可以看出，隨著水泥摻量增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈非線性增長(zhǎng)，且符合3次多項(xiàng)式曲線變化規(guī)律。在水泥摻量為5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率達(dá)到最高；當(dāng)水泥摻量＞5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯下降。因此，結(jié)合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，水泥最優(yōu)摻量為5%。

水泥穩(wěn)定煤矸石強(qiáng)度提高的主要原因是：膠凝物質(zhì)和煤矸石的骨架。在3%～5%的水泥摻量下，膠凝物質(zhì)隨水泥用量的增大而增大，不僅有利于煤矸石集料的粘結(jié)［7］，也會(huì)導(dǎo)致混合料的強(qiáng)度也隨之增加。但隨著水泥摻量的不斷提高（＞5%），水泥的比表面積逐漸變大，用量也隨之加大，從而對(duì)混合料的致密性能產(chǎn)生一定的不利作用。同時(shí)，隨著混合料中細(xì)粒含量的增大，混合料中的煤矸石骨架強(qiáng)度逐漸減小，從而降低了混合料的強(qiáng)度增長(zhǎng)。

將水泥摻量為3%、4%、5%、6%的水泥穩(wěn)定煤矸石混合料各齡期的抗壓強(qiáng)度繪制成曲線圖（見圖2）。由圖2可知，水泥穩(wěn)定煤矸石混合料具有較高的早期強(qiáng)度，混合料試件的齡期與抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)。

由于水泥中硅酸鹽的早期水化反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)7～14 d時(shí)，水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的強(qiáng)度最高提高2.6 MPa。摻入3%的水泥，其抗壓能力增加28.83%，水泥摻量為4%、5%和6%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別增加36.10%，37.28%，32.42%，進(jìn)一步表明水泥最優(yōu)摻量為5%。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，膠凝物質(zhì)生成率降低，其活性成分與水泥的作用已趨于停滯，其發(fā)展速率也較慢。此外，還可以觀察到，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間＞91 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率趨于穩(wěn)定，強(qiáng)度增加幅度較低。

2.3 抗拉強(qiáng)度

由圖3可知，水泥穩(wěn)定煤矸石混合料養(yǎng)護(hù)90 d后的抗拉強(qiáng)度與水泥摻量呈二次多項(xiàng)式曲線關(guān)系，且總體呈正相關(guān)關(guān)系。水泥穩(wěn)定煤矸石混合料90 d的抗拉強(qiáng)度隨水泥摻量的增加呈線性增加，當(dāng)水泥摻量＞5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速率降低。水泥穩(wěn)定型煤矸石混凝土的抗拉性能主要取決于其膠凝性能，在低水泥摻入率下，隨著摻入率的增大，混凝土的抗拉強(qiáng)度增大，而隨著摻入率的不斷提高，膠凝物質(zhì)將會(huì)充填粗細(xì)集料的間隙，抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)在達(dá)到峰值后逐漸下降。

2.4 凍融性能

為進(jìn)一步深入研究水泥穩(wěn)定煤矸石混合料抗凍性能，進(jìn)行10次凍融循環(huán)試驗(yàn)。融化溫度設(shè)定在29 ℃，凍結(jié)溫度設(shè)定在-5 ℃。

如圖4所示，凍融循環(huán)造成的質(zhì)量損失隨水泥用量的增大而減少。在此基礎(chǔ)上，水泥摻量3%的水泥穩(wěn)定煤矸石的質(zhì)量損失達(dá)到3.79%，增加1%摻量后，質(zhì)量損失下降1.16%。在水泥摻量為5%的情況下，質(zhì)量損失繼續(xù)降低0.87%，而在水泥摻量為6%時(shí)，再降低0.54%。隨著水泥摻入量的增大，其對(duì)凍融過程中的質(zhì)量損失的影響程度逐漸降低。

從表5可以看出，水泥摻量對(duì)水泥穩(wěn)定煤矸石的抗凍性總體上表現(xiàn)為：隨著水泥摻量的增加，水泥穩(wěn)定煤矸石凍融后抗壓強(qiáng)度逐漸降低。在水泥中加入3%的水泥，其強(qiáng)度損失達(dá)到23.26%，而1%的水泥用量則提高了5.31%得抗壓強(qiáng)度。在水泥中加入5%時(shí)，其強(qiáng)度損失比4%時(shí)減少3.64%，水泥用量從5%增至6%，強(qiáng)度損失降低2.6%。隨著水泥摻入量的增大，在凍融過程中，混合料的抗壓強(qiáng)度損失也在逐漸降低。根據(jù)《高速公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50-2017），當(dāng)凍結(jié)區(qū)抗壓強(qiáng)度損失值＞70%時(shí)，水泥摻量5%的水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的BDR值達(dá)到了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 水泥穩(wěn)定煤矸石混合料化學(xué)成分分析

水泥穩(wěn)定煤矸石混合料養(yǎng)護(hù)7 d和180 d的XRD圖如圖5所示。由圖5可知，養(yǎng)護(hù)7 d和180 d的水泥穩(wěn)定煤矸石混合料中除了原有的煤矸石礦物外，還會(huì)產(chǎn)生水合硅酸鈣（C-S-H）、水鈣沸石，（CaAl2Si2O8·4（H2O））、硅酸鹽鐵（Fe2（SiO3）3）、Ca（OH）2，且養(yǎng)護(hù)7 d的水泥穩(wěn)定煤矸石混合料中還含有鋁酸鈣［8-9］。水泥水化后生成水化硅酸鈣、Ca（OH）2、鋁酸鈣。由于鋁酸鈣的不穩(wěn)定性，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，鋁酸鈣會(huì)分解重組，所以養(yǎng)護(hù)180 d的水泥穩(wěn)定煤矸石混合料中沒有這種礦物，在水泥穩(wěn)定煤矸石混合料中形成了一種新的礦物相CaAl2Si2O8·4（H2O）。與相關(guān)研究相比，該物質(zhì)應(yīng)該是由水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2與煤矸石中的活性成分發(fā)生火山灰反應(yīng)而形成的。且養(yǎng)護(hù)7 d、180 d的混合料中都含有這種物質(zhì)，表明這種物質(zhì)比較穩(wěn)定，并能提高混合料的強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)180 d的水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的Ca（OH）2顯著高于養(yǎng)護(hù)7 d的Ca（OH）2。其原因是煤矸石中活性SiO2、Al2O3與Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成水鈣沸石，消耗了部分Ca（OH）2。

3 結(jié)語

水泥穩(wěn)定煤矸石可有效提高混合料力學(xué)性能。5%水泥摻量條件下，其抗壓強(qiáng)度最佳，主要得益于水泥與煤矸石共同生成膠凝物質(zhì)填充孔隙，且其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率在7～14 d時(shí)最高。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，混合料抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率逐漸降低，水泥水化反應(yīng)隨時(shí)間延長(zhǎng)而變緩，并逐漸終止。

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作者簡(jiǎn)介：張?bào)w龍（1988—），工程師，主要從事公路工程建設(shè)工作。