煤矸石-黃土混合料配比對工程力學性能的影響研究

劉曉飛 耿 楠 秦 政

（1.山西鐵道職業技術學院交通工程系，山西 太原 030013；2.山西金信清潔引導投資有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

在煤炭洗選和加工過程中不可避免會產生一些固體廢物煤矸石，在我國，煤矸石約占煤炭總產量的8%~20%[1]。矸石往往都未經處理直接堆積在礦區周圍，這不僅占用了大量的土地面積，而且長期露天堆存的矸石山因堆積量大，散熱困難，容易發生自燃，產生SO2、NOx、CO 等有害氣體，造成空氣污染。所以，研究大規模利用煤矸石的方法顯得尤為重要。本文通過試驗，探討用作路基填筑料的煤矸石-黃土混合料的配比對工程特性的影響，為煤矸石的有效利用提供參考。

1 原材料

1.1 原材料選取

本文中煤矸石樣本是采自晉城鳳凰山煤礦，屬于未燃炭質頁巖煤矸石，其結構呈片狀，顏色呈灰色或灰黑色，易粉碎。鳳凰山煤矸石的化學成分主要為SiO2和Al2O3，其成分占比60%以上。晉城地區的煤矸石是一種典型的堿性礦渣，活性化合物含量（SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO）超過了70%。

1.2 原材料表征方法

首先對選取的晉城地區3 個不同地方的煤矸石（編號分別為3#、9#、15#）進行化學分析，然后通過X-射線衍射分析儀對煤矸石的礦物相性進行定量分析，其化學成分分析見表1。

表1 晉城地區不同編號煤矸石的化學成分（單位:%）

1.3 原材料表征結果

1.3.1 原材料化學分析結果

由表1 可以看出，晉城地區的煤矸石主要化學成分為SiO2和Al2O3，占60%以上，其次為Fe2O3，占比2%~10%不等，由此可見，煤矸石有70%以上的成分是活性化合物，是一種典型的堿性礦渣。從表1 中還可以看出晉城地區煤矸石的燒失量都比較高且都大于20%。而煤矸石燒失量過大的話，留下的部分和還有一些有機質含量會在燃燒或者氧化的條件下發生分解反應，反應后煤矸石的密度和結構組成也可能隨之改變，這就容易使得路基結構發生變形，承載能力有所下降，所以要將填筑路基的煤矸石燒失量降下去。本文針對晉城煤矸石燒失量偏高的問題，采取與黃土混合使用的方案來解決問題。

1.3.2 原材料物相分析結果

對晉城地區的3#、9#和15#煤矸石進行礦物利用X-射線衍射分析儀進行成分分析，3 種煤矸石主要物相為：高嶺石、石英、黃鐵礦、方解石、微斜長石。其中3種煤矸石的高嶺石和石英的總含量分別為59.3%、64.8%和63.7%，均超過了50%。并且晉城地區的煤矸石中沒有蒙脫石，所以晉城地區煤矸石在經過壓實后并不會發生過大的裂解和膨脹性能。

2 混合材料配比對工程性能的影響分析

2.1 混合料配合比設計

為獲取工程性能最優的混合料，確定合理的黃土與煤矸石的混合比，本文設計了5 組不同比例混合材料，黃土與煤矸石比例分別為4∶6、3∶7、2∶8、1∶9、0∶10。分別對應試樣A、B、C、D、E。

2.2 混合料表征方法

2.2.1 混合料直剪試驗

為了測定煤矸石-黃土混合料的抗剪程度，對其進行了抗剪試驗。本次試驗儀器缺少大型直接剪切儀，但是混合料中煤矸石的部分粒徑超過了普通剪切儀的最大允許值。在現有條件下，只能獲取有一定參考價值的試驗結果。在保證混合料中煤矸石的總質量不變的前提下，本次試驗采用等量替代法對混合料進行縮尺處理，對部分超出粒徑的顆粒采用相同質量且符合粒徑要求的煤矸石顆粒替代。基于煤矸石的黏聚力都比較小的特點，本次直剪試驗參照《公路土工試驗章程》（JTG E40-2007）T0143-1993 砂類土的直剪試驗。根據不同的含水率，橫向對比不同比例的混合料的抗剪強度。測量了不同比例煤矸石-黃土混合料的內摩擦角和粘聚力。測試儀器采用ZJ 型應變控制式直剪儀，如圖1所示。

圖1 應變控制式直剪儀

2.2.2 混合料承載能力試驗

要想使公路路面的強度和穩定性更加可靠，則公路的承載能力一定要達到相關指標。美國加州公路局提出了加州承載比這一概念，它是表征路基路面結構承載能力的指標，取產生相同壓入變形時路基所承受的單位壓力與標準碎石所承受的單位壓力之比。所以為了確保煤矸石-黃土混合料路基的施工質量，使其穩定性更可靠，應對煤矸石-黃土混合料的加州承載比進行測試。

（1）制備試件。事先測得混合料的風干含水量，緊接著對混合料進行均勻灑水，以便使其含水率最接近最優含水率，同時密封浸潤備用。試件擊實標準參照重型擊實試驗標準進行分層擊實，按照最佳含水率的標準，將每個試樣制備3 個試件，用以進行承載比試驗。試件制作完成以后，需稱量試筒和試件的總質量，并做好記錄。

（2）泡水膨脹。將帶有調節桿的多孔板裝配在試件的最上面，然后放上4 個荷載板，用拉桿扯緊模具并安裝上百分表。之后把試件放在水槽里，水面蓋過試件約25cm，浸泡靜置96h。浸泡結束后根據百分表的讀數得出試件在浸泡后的膨脹量。接下來將試件取出靜置15min 后測得試件重量，并用來計算濕度與密度的變化。

（3）貫入試驗。將靜置后的試件放在萬能壓力試驗機的升降臺，把4 塊荷載板放置在貫入桿四周，并在上面施加45N 荷載。然后將百分表調整到整數，將最開始的讀數記錄下來。然后緩緩升高荷載，貫入桿保持在1~1.25mm/min 的速度壓入試件，同時做好數據記錄整理工作。

3 試驗結果分析

3.1 混合料直剪試驗結果

內摩擦角大小取決于土粒間的摩阻力，內摩擦角反映了土的摩阻性質。直剪試驗的結果見表2。由表2分析可知：

表2 煤矸石-黃土混合料抗剪強度

（1）內摩擦角：隨著煤矸石含量的增加，不同比例的混合料的內摩擦角逐漸增大；

（2）黏聚力：隨著煤矸石含量的增加，不同比例混合料的黏聚力先增大，在比例為2∶8 時達到最大值后下降。

總體而言，隨著煤矸石含量的增加，試樣的抗剪強度逐漸增強，當黃土與煤矸石比例達到2∶8 時，抗剪強度達到最佳。

3.2 混合料承載能力試驗結果

計算貫入量為2.5mm 時的單位壓力與標準壓力的比值作為材料的承載比，按式（1）計算。

貫入量為5mm時的承載比，按式（2）計算。

當貫入量為5mm 時的CBR 值大于貫入量2.5mm時的CBR值時，故應采用前者的CBR值。

表3 為本次試驗測得的不同試樣濕密度、吸水量、膨脹量、CBR統計結果。

表3 不同煤矸石-黃土混合料加載承載比試驗結果

根據表3分析可以得到如下結果：

（1）濕密度。經過四晝夜浸泡后的試樣，隨著煤矸石含量的增加，濕密度呈現出先增大后減小的趨勢。

（2）膨脹量。試樣經過四晝夜的浸泡，除了黃土與煤矸石比例為4∶6 時的試樣有微乎其微的膨脹之外，其他試件都未發生膨脹。

（3）承載比。不同比例的黃土與煤矸石混合材料的承載比，隨著煤矸石含量的增加，試樣的承載比先增大后減小，當黃土與煤矸石的比例為2∶8 時，得到的承載比最大，滿足路基回填材料最小強度要求。

4 結束語

本文通過對煤矸石黃土路基混合料的配合比設計、物理力學性能、承載力性能的分析，通過擊實試驗、滲透性試驗、直剪試驗以及承載比(CBR)試驗，研究了不同比例的黃土與煤矸石的混合料在壓實特性、承載能力特性等方面的表現，根據試驗結果得到如下結論：

（1）對5 種不同比例試樣進行室內承載比試驗，測得的承載比數值分別為7.3%、7.6%、8.5%、7.7% 和8.4%，在黃土與煤矸石比例為2∶8 時，加州承載比達到最大值。

（2）綜合承載能力和動力強度特性，可以看出：當黃土與煤矸石比例為2∶8 時，可使得各項指標滿足規范要求。此時可認為煤矸石∶黃土=8∶2 時組成的煤矸石-黃土混合料能夠用作路基回填土。