煤矸石作路基填料的試驗及應用研究

王飛

摘要 文章通過室內試驗及工程應用對煤矸石作路基填料的路用性能、施工工藝、碾壓方式、經濟效益等進行了研究。室內試驗表明：煤矸石的最大干密度與粗顆粒的含量密切相關，隨著粗顆粒含量的增加，最大干密度先增后降，當粗顆粒含量為40%時達到最大值2.36 g/cm³；煤矸石具有良好的級配與承載性能，煤矸石的CBR值隨著壓實度的增加逐漸增加，當壓實度為93%時，CBR值已達到13.03%，能夠很好地滿足規范要求；煤矸石作路基填料后，壓實度與彎沉值均能很好地滿足規范與設計要求，實際路用性能優異，經濟效益高，具備推廣價值。

關鍵詞 煤矸石；路基填料；室內試驗；工程實例

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0189-03

0 引言

我國是煤炭生產與使用大國，煤矸石伴隨著煤礦開采而產生，主要由巖石及含碳物質組成，大量分布于我國各大煤礦中，相關統計表明我國每年煤矸石產量約為原煤產量的16%～20%，產量約為6億噸[1-2]。但當前我國煤矸石的利用率較低（不足30%），主要采取露天堆積的方式進行處理，對環境造成了較大威脅，并浪費了土地資源[3]。為解決煤矸石的利用問題，國內外從20世紀70年代開始對煤矸石作為路基填料進行了相關研究，并在多條公路上進行了應用取得了不錯的效果[4-5]。但目前各個地區煤矸石的成分組成差距各有不同，施工時多采用經驗法，缺乏統一的理論體系指導施工。

該文依托具體工程實例，對煤矸石作路基填料的路用性能、施工工藝、碾壓與質量檢測進行了研究，為煤矸石在路基填料中的應用與推廣提供了參考。

1 煤矸石物理化學性質

試驗所用煤矸石來自某新建一級公路施工現場所使用的天然煤矸石路基填料，為灰黑色片狀水洗煤矸石，化學組成見表1，工程特性檢測結果見表2。

煤矸石在使用時應滿足《公路路基施工技術規范》（JTG/T 3610—2019）《公路路基設計規范》（JTGD30—2015）中對路基填料的相關要求，具體指標要求見表3。對比表2～3可知，施工現場所采用煤矸石的性能滿足高等級公路路基填料的相關要求。

2 煤矸石路用性能室內試驗

參照《公路土工試驗規程》（JTG3430—2020），對煤矸石進行篩分、擊實及CBR試驗用以檢測路用性能。

2.1 顆粒級配

篩分試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，煤矸石的粒徑分布范圍涵蓋0.075～

60 mm，分布范圍較大，細顆粒所占比重較小，粒徑小于5 mm的顆粒約為26%。采用曲率系數Cc（描述級配曲線整體變化情況）、不均勻系數Cu（反映級配組成的不均勻程度）綜合對煤矸石的級配情況進行評定，當Cu≥5且1≤Cc≤3，表明級配良好[6]。由圖1計算得到Cu、Cc分別為9.2、1.3，滿足Cu≥5且1≤Cc≤3的要求，表明施工現場所取天然煤矸石試樣的級配良好。

2.2 擊實特性

采用標準擊實試驗對煤矸石擊實特性進行測定，測定最佳含水量與最大干密度用以控制施工時的壓實度。試驗擊錘重量與底面直徑分別為4.5 kg、5 cm，試件分3層擊實，每次擊打98次。施工現場所取天然煤矸石試樣的擊實試驗結果如圖2～3所示。

由圖2所示煤矸石擊實曲線可知，干密度在最佳含水量為5.31%時達到最大值2.203 g/cm3。當含水量超過5.31%后，干密度快速降低，這是因為含水量適量時，煤矸石集料表面相對濕潤，在擊實力的作用下有利于集料相互擠壓密實，但當含水量過多后，多余的水分將會造成集料的錯位與分離，無法有效接觸，使得集料密度降低。

路基填料的壓實效果與路基填料中粗顆粒的含量密切相關。為進一步測定煤矸石最大干密度與粗顆粒含量的關系，分別改變天然煤矸石填料中的粗顆粒的含量進行擊實試驗，得到如圖3所示試驗結果。由圖3可知，一方面，隨著煤矸石集料中粗顆粒占比的增加，最大干密度先增后降，并在粗顆粒占比為40%時達到最大值2.36 g/cm3；另一方面，當煤矸石粗顆粒含量為20%～60%范圍內時，最大干密度受粗顆粒含量的影響較大，當粗顆粒含量大于60%后，最大干密度受粗顆粒含量的影響開始減緩，最大干密度變化程度較小。因此，在實際應用中，應該對煤矸石中粗顆粒的含量引起重視，不宜過多或過少，粗顆粒的含量在40%左右可達最佳壓實效果。

2.3 承載能力

采用CBR試驗對煤矸石承載能力進行評定，確保填料滿足路基的強度與穩定性要求。根據最佳含水率制備試件，試件分3層擊實，每次擊打98次，試驗開始前對試件浸泡96 h，貫入度取2.5 mm。

由試驗結果可知，隨著煤矸石壓實度的增加，煤矸石的CBR值、膨脹率均逐漸增加。煤矸石的CBR最低值為13.03%，很好地滿足《公路路基設計規范》（TGD30—2015）規定的一級公路及高速公路路基填料≥8%的要求，表明煤矸石具有較好的承載能力，強度與穩定性高，可以用于路基填料。

膨脹率隨壓實度增大而增加，究其原因在于壓實度越大，煤矸石初始干密度越大，因而浸水膨脹率越大。

3 工程應用

3.1 工程概況

某新建一級公路全長53.586 km，起終點樁號為K0+

000～K53+586，該新建公路路基采用水洗煤矸石進行鋪筑。現場煤矸石的相關性能檢測結果見室內試驗。煤矸石最佳含水量取5.31%。

3.2 煤矸石路基施工要點

煤矸石路基施工流程如下：

3.2.1 攤鋪

分層填筑煤矸石路基，碾壓前應對粒徑＞15 cm的顆粒進行破碎，同時注意粗細顆粒應均勻鋪筑，確保級配連續。

3.2.2 碾壓

具體碾壓的順序為攤鋪→平整→靜壓→振動壓實→靜壓。煤矸石碾壓時的含水率應比最佳含水率稍大2%左右，壓路機速度不宜超過4 km/h。

3.3 碾壓方式確定

施工現場煤矸石路基的碾壓采用靜壓+振動壓實的方式，松鋪厚度為35 cm。為確定現場煤矸石路基的最佳碾壓次數，選取K23+100～K23+600段鋪筑試驗段，每隔20 m選取路基橫斷面布設標高觀測點，每個路基橫斷面布設5個觀測點，對不同碾壓次數下路基的碾壓沉降量進行觀測，觀測結果如表4所示。

由表4可知，煤矸石路基的平均沉降差隨著振動壓實次數的增多逐漸減小，當振動壓實次數為6次時，煤矸石路基平均沉降差為0.9 mm，此時，振動沉降差滿足《公路路基施工技術規范》（JTG/T 3610—2019）要求的≤2 mm的要求。煤矸石的顆粒較松散，為確保煤矸石路基表面平整密實，振動壓實過后，宜再靜壓1～2次。因此，確定碾壓方式為“靜壓1次+振動壓實6次＋靜壓1次”。

3.4 壓實度與彎沉值檢測

路基施工完成后，選取具有代表性的橫斷面對路基壓實度與彎沉進行檢測，檢測結果如表5所示。

由表5可知，施工現場路基壓實度均滿足《公路路基施工技術規范》（JTG F10—2006）要求的一級公路路基壓實度≥96%的要求，彎沉檢測結果均滿足設計要求。

3.5 經濟效益分析

由施工合同得到該公路項目若采用素土填筑（不計運費），單價為21元/m³；采用水洗煤矸石的材料成本為2元/m³，運費3元/km，平均運距為5 km，采用煤矸石填筑單價為2+3×5=17元/m³；該項目共需借方約1 000 000 m³，由此可計算得到采用煤矸石進行道路鋪筑后可節約工程費用約400萬元，直接經濟效益較好。同時，煤矸石作為廢棄材料，若不及時處理，將會占用土地并污染環境，而用煤矸石作為路基填料后，既減少了環境污染，還能獲得較大的間接經濟效益。

4 結論

該文對煤矸石作路基填料的路用性能、施工工藝、碾壓方式與質量檢測、經濟效益進行了研究，得到以下結論：

（1）煤矸石的粒徑分布范圍較大，粗顆粒占比較大，但級配良好，滿足施工要求。

（2）煤矸石的最大干密度與粗顆粒的含量密切相關。隨著粗顆粒含量的增加，最大干密度先增后降，當粗顆粒含量為40%時達到最大值2.36 g/cm3。

（3）煤矸石的CBR值隨著壓實度的增加逐漸增加。當壓實度為93%時，CBR值已達到13.03%，能夠很好地滿足規范要求。

（4）工程應用表明，煤矸石用作路基填料后，壓實度與彎沉值均能很好地滿足規范與設計要求，實際路用性能優異，經濟效益高，具備推廣價值。

參考文獻

[1]閆秀萍. 煤矸石作為高速公路路基填料的應用[J]. 公路交通科技， 2006（2）： 51-54.

[2]奚彬. 煤矸石在高速公路路基填筑中的應用與探討[J]. 山西交通科技， 2010（4）： 17-18+26.

[3]金明亮， 武旭， 劉寬富， 等. 煤矸石在干旱黃土地區高等級公路路基中的應用研究[J]. 中國建材科技， 2022（2）： 79-84.

[4]鄔俊， 高文華， 張宗堂， 等. 煤矸石路基填料強度與變形特性研究[J]. 鐵道科學與工程學報， 2021（4）： 885-891.

[5]丁峰. 煤矸石填筑路基的現場試驗研究[J]. 公路， 2021（2）： 69-75.

[6]陳希哲. 土力學地基基礎（第四版）[M]. 北京：清華大學出版社， 2004.