水泥穩(wěn)定煤矸石混合料路用性能分析

摘要：針對目前我國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。采用無側限抗壓強度、抗拉強度和凍融試驗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對水泥煤矸石混合料進行化學成分結構研究。試驗結果表明，當水泥摻量為5%時，混合料強度可以達到4.16 MPa，且抗拉強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。研究結果可為水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的應用研究提供參考。

關鍵詞：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和開挖中產生的灰白色固體廢料，且是一種與煤炭共生的物質。煤礦開采時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，煤礦開采產生的煤矸石不能得到合理利用，導致煤矸石儲量逐年增加，占用土地和污染問題不容忽視［2］。目前，國內外雖然對煤矸石的綜合利用進行了研究，但缺少對水泥穩(wěn)定煤矸石混合基層的力學性能、抗凍性能和化學成份的研究，嚴重限制了煤矸石的大規(guī)模應用［3］。為此，本文從水泥穩(wěn)定型煤矸石混合料路用特性入手，對其力學發(fā)展規(guī)律進行了探討，并對其強度形成機制進行了分析，可以為今后在高等級路面上推廣水泥穩(wěn)定煤矸石基層的應用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 水泥性能

試驗使用的水泥為惠縣拜泉生產的P.O 42.5水泥。該水泥細度為4.12%，正常稠度為28.5%，初凝時間為215 min，終凝時間為525 min。水泥漿3 d抗裂及抗壓強度分別為4.8 MPa和24.5 MPa；水泥凝膠砂28 d抗裂抗壓強度分別為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自燃煤矸石和非自燃煤矸石的主要化學成分進行定量，如表1所示。

1.3 水泥穩(wěn)定煤矸石混合料配合比設計方法

以《高速公路路面基層施工技術規(guī)程》（JTG/TF20-2015）［5］標準為基準，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度必然降低。有關研究結果顯示，自燃煤矸石與其他化學物質發(fā)生作用是由其活性組分的化學反應引起的。且大量試驗結果表明，在不燃燒的煤矸石中，僅細集料粒徑＜2.36 mm的煤矸石才會發(fā)生化學反應，生成膠凝物質。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，用振動篩機通過2.36 mm篩孔。經篩選，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）的質量比應為60.89∶27.32。自燃煤矸石由顎式破碎機破碎成最大粒徑≤2.36 mm的骨料（由于顎式破碎機破碎粒度有限，大骨料破碎后人工破碎）。自燃煤矸石骨料（SSC）篩分后級配比曲線如表2所示。

為了研究煤矸石中的自燃煤渣對粉體的作用，采用4種粒徑＜2.36 mm的細粒自燃煤粉和未燃燒煤矸石的粉體進行試驗研究。從表3可以看出，4組煤渣摻量都是一樣的，沒有因為分級而產生差別，且參考混凝土施工建議，設定水泥摻量分別為3%、4%、5%、6%，并與煤矸石混合形成不同水泥摻量混合料。

2 結果與討論

2.1 壓實試驗

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)含水率試驗結果如表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。究其原因為：水泥摻量越多，需要更多水與水泥進行反應，生成膠凝物質；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，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，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。

2.2 無側限抗壓強度

如圖1所示為養(yǎng)護7 d條件下，不同水泥摻量煤矸石混合料無側限抗壓強度的變化趨勢圖。從圖1中可以看出，隨著水泥摻量增加，無側限抗壓強度呈非線性增長，且符合3次多項式曲線變化規(guī)律。在水泥摻量為5%時，抗壓強度增長速率達到最高；當水泥摻量＞5%時，抗壓強度增長速率明顯下降。因此，結合經濟指標，水泥最優(yōu)摻量為5%。

水泥穩(wěn)定煤矸石強度提高的主要原因是：膠凝物質和煤矸石的骨架。在3%～5%的水泥摻量下，膠凝物質隨水泥用量的增大而增大，不僅有利于煤矸石集料的粘結［7］，也會導致混合料的強度也隨之增加。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，從而對混合料的致密性能產生一定的不利作用。同時，隨著混合料中細粒含量的增大，混合料中的煤矸石骨架強度逐漸減小，從而降低了混合料的強度增長。

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度，混合料試件的齡期與抗壓強度呈正相關。

由于水泥中硅酸鹽的早期水化反應，養(yǎng)護7～14 d時，水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的強度最高提高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，其抗壓強度分別增加36.10%，37.28%，32.42%，進一步表明水泥最優(yōu)摻量為5%。隨著養(yǎng)護時間增加，膠凝物質生成率降低，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，當養(yǎng)護時間＞91 d時，抗壓強度增長速率趨于穩(wěn)定，強度增加幅度較低。

2.3 抗拉強度

由圖3可知，水泥穩(wěn)定煤矸石混合料養(yǎng)護90 d后的抗拉強度與水泥摻量呈二次多項式曲線關系，且總體呈正相關關系。水泥穩(wěn)定煤矸石混合料90 d的抗拉強度隨水泥摻量的增加呈線性增加，當水泥摻量＞5%時，抗拉強度增長速率降低。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，混凝土的抗拉強度增大，而隨著摻入率的不斷提高，膠凝物質將會充填粗細集料的間隙，抗拉強度增長在達到峰值后逐漸下降。

2.4 凍融性能

為進一步深入研究水泥穩(wěn)定煤矸石混合料抗凍性能，進行10次凍融循環(huán)試驗。融化溫度設定在29 ℃，凍結溫度設定在-5 ℃。

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

從表5可以看出，水泥摻量對水泥穩(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度逐漸降低。在水泥中加入3%的水泥，其強度損失達到23.26%，而1%的水泥用量則提高了5.31%得抗壓強度。在水泥中加入5%時，其強度損失比4%時減少3.64%，水泥用量從5%增至6%，強度損失降低2.6%。隨著水泥摻入量的增大，在凍融過程中，混合料的抗壓強度損失也在逐漸降低。根據(jù)《高速公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTGD50-2017），當凍結區(qū)抗壓強度損失值＞70%時，水泥摻量5%的水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的BDR值達到了規(guī)范標準。

2.5 水泥穩(wěn)定煤矸石混合料化學成分分析

水泥穩(wěn)定煤矸石混合料養(yǎng)護7 d和180 d的XRD圖如圖5所示。由圖5可知，養(yǎng)護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，還會產生水合硅酸鈣（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)護時間的增加，鋁酸鈣會分解重組，所以養(yǎng)護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）。與相關研究相比，該物質應該是由水泥水化產物Ca（OH）2與煤矸石中的活性成分發(fā)生火山灰反應而形成的。且養(yǎng)護7 d、180 d的混合料中都含有這種物質，表明這種物質比較穩(wěn)定，并能提高混合料的強度。養(yǎng)護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)生火山灰反應生成水鈣沸石，消耗了部分Ca（OH）2。

3 結語

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

參考文獻：

［1］張軒碩，嚴鵬飛，丁永發(fā)，等.水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石混合料的收縮試驗［J］.科學技術與工程，2022，22（8）：3 325-3 331.

［2］王海成，金 嬌，劉 帥，等.環(huán)境友好型綠色道路研究進展與展望［J］.中南大學學報（自然科學版），2021，52（7）：2 137-2 169.

［3］蘇躍宏，王曉敏，呂 川，等.低摻量水泥穩(wěn)定煤矸石耐久性研究［J］.內蒙古農業(yè)大學學報（自然科學版），2021，42（2）：67-72.

［4］于保陽，王子靖，孫寶蕓.遼寧地區(qū)普通公路煤矸石基層材料的路用性能試驗研究［J］.公路交通科技（應用技術版），2016，12（2）：115-117.

［5］于 玲，周 宇，包龍生，等.營口地區(qū)煤矸石應用于道路底基層配合比及路用性能試驗［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2009，25（5）：930-933.

［6］張建俊，姚柏聰，孫源駿，等.離子固化劑對水泥穩(wěn)定煤矸石結合料耐久性能的影響［J］.煤炭學報，2022，47（9）：3 472-3 482.

［7］儲安健，李英明，黃順杰，等.納米SiO_2和聚丙烯纖維對煤矸石二灰混合料改性試驗研究［J］.硅酸鹽通報，2022，41（5）：1 669-1 676.

［8］祝小靚，張 明，王棟民，等.大摻量掘進煤矸石道路基層和混凝土的制備及力學性能研究［J］.金屬礦山，2022（1）：21-27.

［9］雷小磊，崔玉龍.水泥改性瀝青膠漿路用性能及微觀機理試驗研究［J］.宿州學院學報，2020，35（10）：75-80.

作者簡介：張體龍（1988—），工程師，主要從事公路工程建設工作。