水泥穩定碎石-煤矸石性能研究

吳靖江 李 瑞 梁朋毅 邵景干 李文凱

（1.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004；2.河南交院工程技術集團有限公司，河南 鄭州 450046）

0 引言

20 世紀70 年代，如何處理煤炭開采過程中產生的大量煤矸石這一難題引起了我國相關部門的重視。經過長期探索實踐，現階段解決的方法有兩種：一是集中堆放、集中管理；二是將煤矸石破碎后應用到工程當中，實現資源的循環利用。露天堆放不僅會占用大量的土地資源，同時也會污染周邊環境。將破碎后的煤矸石應用到工程當中，不僅能夠實現資源的再生利用，符合國家方針政策，同時也能夠緩解現階段工程建設過程中礦料緊缺的難題。

國內道路建設工作者關于煤矸石在工程中的應用研究開展了多次嘗試，在鐵路、公路、水運等基礎設施工程中進行了相關研究，并取得了一定成效。劉春榮等［1］針對煤矸石在路基填筑工程中的適用性進行了研究，并對煤矸石混合物的拌和、運輸、攤鋪及碾壓等施工過程質量控制展開了探討。結果表明，煤矸石是一種良好的填筑材料，提出了煤矸石作為一種建筑材料的壓實度控制方法，并成功應用到了工程中。邱鈺等［2］通過研究得出，破碎后的煤矸石顆粒級配及水穩定性較差，但細骨料的摻入能夠改善混合料的整體礦料級配，能夠被充分壓實，可用于路堤填筑，且未風化的煤矸石與粉煤灰具有相似的化學活性，混合料中摻入粉煤灰后，能夠作為高等級公路路面基層材料。尹志剛［3］通過正交試驗對粉煤灰、風積砂土及煤矸石進行相關性能研究，得出優化后的煤矸石穩定土配合比能夠用于道路工程。 裴富國［4］開展了水泥穩定煤矸石替代水泥穩定砂礫的研究，并進行了混合料力學性能的驗證，確定了煤矸石的最佳摻量。研究結果表明，水泥穩定煤矸石能夠作為路面底基層材料。王貴林等［5］通過試驗確定了煤矸石在水泥穩定碎石中的最佳摻量，并開展7 d、28 d 水泥穩定煤矸石無側限抗壓強度試驗，得出較高水泥劑量的水泥穩定煤矸石僅適用于低等級的公路要求。孟文清等［6］開展了8 組煤矸石混合料配合比方案研究，并進行了力學性能試驗，運用分析模型評價不同膠凝材料對煤矸石混合料力學性能的影響。研究結果表明，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的無側限抗壓強度也隨之增大；大劑量水泥時，粉煤灰摻量對強度結果影響較大；石灰劑量過大時，會對強度結果產生不利影響。劉曉明等［7］選用煤矸石、粉煤灰及赤泥為原材料開展路面基層混合料力學及耐久性能研究。研究結果表明，當煤矸石與赤泥總摻量為75%時，混合料7 d 無側限抗壓強度超過6.0 MPa，同時具備較好的耐久性能。

本文以鶴壁掘進煤矸石為研究對象，以路面基層應用為目標，進行水泥穩定煤矸石配合比優選、抗壓強度及回彈模量試驗，以期更加合理地利用煤矸石資源，實現資源的循環利用，為煤矸石在水穩基層中的應用提供參考。

1 原材料

1.1 煤矸石

本文選用鶴壁掘進煤矸石展開研究，其礦物組成復雜，質地密實，呈灰黑色或黑色，破碎后的鶴壁掘進煤矸石主要技術指標試驗結果見表1。

表1 煤矸石主要技術指標試驗結果

1.2 水泥

水泥作為水泥穩定碎石的膠凝材料，其性能的優劣直接影響水穩基層的質量。本研究中水泥選用河南省同力水泥有限公司生產的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要技術指標試驗結果見表2。

2 配合比設計

2.1 設計方案

本研究水泥穩定碎石-煤矸石選用粒徑分別為20～30 mm、10～20 mm的石灰巖作為粗集料，煤矸石的粒徑為5～10 mm，細集料粒徑為0～4.75 mm 的機制砂。配合比設計的目的在于確定不同粒徑骨料的摻配比例，以確保設計結果滿足水穩基層相關性能要求。為最大限度地利用煤矸石，減少成本，實現資源的再生利用，結合各檔料的篩分結果，擬定8組配合比方案，見表3。

表3 配合比設計方案

2.2 擊實試驗

水泥穩定碎石室內擊實試驗能夠模擬現場基層材料被壓實的過程，利用重錘下落產生的沖擊力來克服骨料之間的摩阻力，通過壓縮骨料之間的孔隙來提高試件的密實度，從而提高試件強度，減少后期失穩沉降。為確定不同設計方案混合料的最大干密度及最佳含水率，參照《無機結合料穩定材料擊實試驗方法》（T 0804—1994）相關要求進行擊實試驗，水泥劑量統一選用5.8%，擊實試驗結果見表4。

表4 擊實試驗結果

由表4 可知，8 組混合料最佳含水量最小值及最大值分別為5.56%、5.77%，相差0.21%；最大干密度最小值及最大值分別為2.297 g/cm3、2.325 g/cm3，相差0.028 g/cm3；8 組設計方案中機制砂與煤矸石總量在53%～63%之間，二者的用量對擊實結果有直接影響。由于煤矸石壓碎值較大，破碎后的煤矸石更易填充礦料骨架孔隙。

2.3 無側限抗壓強度

7 d 無側限抗壓強度是水泥穩定碎石配合比設計過程中關鍵的力學指標，也是半剛性水穩基層施工過程質量控制的主要指標。參照《無機結合料穩定材料試驗制作方法（圓柱形）》（T 0843—2009）和《無機結合料穩定材料養生試驗方法》（T 0845—2009）中的相關規定，水泥劑量選用5.8%，成型圓柱體標準試件，標準養生7 d 后開展無側限抗壓強度試驗，8組方案試驗結果如圖1所示。

圖1 無側限抗壓強度試驗結果

由圖1 可知，8 組試驗方案中7 d 無側限抗壓強度最小值及最大值分別為4.44 MPa、5.49 MPa。方案6#、7#、8#試驗結果相對較大，分別為5.27 MPa、5.42 MPa、5.49 MPa。前5 種設計方案的試驗結果均低于5 MPa，這主要因為最大粒徑為20～30 mm的碎石用量較少，不能形成有效的骨架結構，承載能力不足所導致；方案6#、7#、8#7 d 無側限抗壓強度試驗結果均能滿足技術細則中強度不小于5.0 MPa的規定，故可作為水泥穩定碎石-煤矸石的合理配比供工程應用。

2.4 力學性能試驗

水泥穩定碎石-煤矸石配合比設計完成后，為全面驗證混合料的力學性能，應進行抗壓強度及抗壓回彈模量相關試驗，以確定材料的適用范圍。參照《無機結合料穩定材料試驗制作方法（圓柱形）》（T 0843—2009）和《無機結合料穩定材料養生試驗方法》（T 0845—2009）中的相關規定，選用6#、7#、8#三種設計方案展開研究，水泥劑量選用5.8%，成型尺寸為150 mm×Φ150 mm 的標準圓柱體試件，并依次標準養生28 d 和90 d，養生結束后，對試件進行28 d 及90 d 的抗壓強度及抗壓回彈模量試驗，試驗結果為路面結構設計提供依據。

2.4.1 抗壓強度。結合7 d無側限抗壓強度試驗結果，并參照《無機結合料穩定材料無側限抗壓強度試驗方法》（T 0805—1994）中的相關規定，對標準試件開展28 d及90 d 的抗壓強度試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 抗壓強度試驗結果

由圖2 可知，相同設計方案抗壓強度的試驗結果均隨養生齡期的增加而增大，不同設計方案抗壓強度的優劣順序為8#>7#>6#，表明方案8#級配試件不同養生齡期的抗壓強度試驗結果均最優，其抗壓性能最好。三種設計方案均能滿足規范關于強度的要求，可應用于高等級路面基層，同時相同養生齡期內方案8#試件的抗壓強度試驗結果均優于方案6#、7#，方案8#（碎石1∶碎石2∶煤矸石∶機制砂=30%∶11%∶43%∶16%）更接近水泥穩定碎石-煤矸石的最優級配。

2.4.2 抗壓回彈模量。水穩基層抗壓回彈模量是路面結構設計的關鍵參數，也是反映路面結構層強度及承載能力的重要指標。抗壓回彈模量能夠為路面結構設計提供技術參數，同時也能確定水泥穩定碎石-煤矸石材料的應用范圍。參照《無機結合料穩定材料室內抗壓回彈模量試驗方法(頂面法)》（T 0808—1994）中的相關規定，試驗前需對試件表面進行水泥凈漿抹平處理，結合抗壓強度試驗結果，選定P=120 kN 為抗壓破壞荷載，加載分為6級，每級壓力為72 kN，并選用0.6P/2=36 kN 進行預壓，然后進行逐級加載、卸載試驗，試驗過程如圖3所示，試驗結果如圖4所示。

圖3 抗壓回彈模量試驗過程

圖4 抗壓回彈模量試驗結果

由圖4 可知，試件抗壓回彈模量試驗結果隨齡期增加而增大，同一齡期，不同設計方案抗壓回彈模量大小關系為8#>7#>6#。參照路面設計規范規定，水穩基層抗壓回彈模量用于拉應力換算時，推薦范圍3 000～4 200 MPa，其中方案8#試件90 d 試驗結果達到3 154 MPa，表明該配合比方案滿足水穩基層設計要求。

3 結論

圍繞鶴壁掘進煤矸石在水穩基層中的應用開展研究，通過配合比方案優選、擊實試驗、抗壓強度及抗壓回彈模量試驗得出，方案8#（碎石1∶碎石2∶煤矸石∶機制砂=30%∶11%∶43%∶16%）更接近水泥穩定碎石-煤矸石的最優級配，推薦方案8#作為水泥穩定碎石-煤矸石配合比應用到水穩基層當中。