煤矸石在水穩(wěn)基層中應(yīng)用的可行性研究

葉家彬 尹賀軍 戶浩壯

（中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004）

0 引言

煤炭作為不可再生能源，占我國總能源結(jié)構(gòu)的70%以上，現(xiàn)階段在我國經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的地位。煤炭資源的開采過程中，伴隨著煤矸石等產(chǎn)物的大量出現(xiàn)，煤矸石中摻雜有少量可燃物，容易發(fā)生自燃，排放出氮氧化物、二氧化硫及煙塵等有害物質(zhì)，影響周邊居民的身心健康，同時大量堆積會占用土地資源，也存在滑坡、泥石流等安全隱患［1］。作為煤炭開采過程中的一種衍生物，由于煤炭產(chǎn)地及地質(zhì)運動的差異，煤矸石有以下兩種組成類型：①掘進煤矸石，主要由泥巖，砂巖及石灰?guī)r等組成；②洗選煤矸石，主要由煤層中的黏土巖，黃鐵礦結(jié)核等組成。從礦物組成上看，煤矸石由無機質(zhì)及部分有機質(zhì)混合而成，無機質(zhì)主要由Si、Al元素構(gòu)成，同時也有不同數(shù)量的MgO、FeO、K2O、CaO、PO、SO3、Na2O 等物質(zhì)，有機質(zhì)隨煤炭含量的增加而增多［2］。

在煤矸石應(yīng)用中，國內(nèi)外大多將其作為一種填充料或石料替代料應(yīng)用到工程建設(shè)當(dāng)中，但我國煤矸石的利用率并不高。煤矸石通過一定的破碎工藝可以加工成符合工程建設(shè)需要的礦料粒徑，將其作為骨料應(yīng)用到建筑材料當(dāng)中能夠?qū)崿F(xiàn)資源的循環(huán)利用，以便緩解礦料緊缺的狀況［3-4］。從20 世紀(jì)70年代至今，我國一直致力于煤矸石綜合利用的研究，但煤矸石替代常規(guī)集料應(yīng)用到路面工程的研究尚不深入，由于不同產(chǎn)地煤矸石物理力學(xué)性能差異較大，因此，針對特定產(chǎn)地煤矸石的研究至關(guān)重要。狄升貫［5］通過室內(nèi)原材料試驗、施工過程質(zhì)量控制對煤矸石相關(guān)性能展開研究，提出煤矸石能夠作為一種道路建筑材料應(yīng)用于路基填筑工程。劉元泉等［6］依托工程實體，針對煤矸石材料特性進行研究，得出煤矸石能夠滿足路基填料的相關(guān)技術(shù)要求的結(jié)論，將其應(yīng)用到路基工程中完全可行。

本研究以鶴壁掘進煤矸石為研究對象，以路面基層應(yīng)用為目標(biāo)，進行原材料相關(guān)室內(nèi)試驗、水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石混合料微觀分析及耐久性研究，以期合理利用煤矸石資源，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，推動地區(qū)環(huán)境、社會及經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 煤矸石性能

1.1 礦物組成

煤矸石因產(chǎn)地不同，其組成存在較大的差異，主要由泥巖類、頁巖類、碳酸鹽巖類、砂質(zhì)巖類及煤粒、硫結(jié)核構(gòu)成。鶴壁掘進煤矸石呈灰黑色，長期外力作用下，質(zhì)地比較密實。

1.2 物理特性

1.2.1 密度。參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）相關(guān)要求，針對破碎后的不同粒徑煤矸石開展表觀密度、表干密度、毛體積密度試驗，試驗結(jié)果見表1。由表1 可知，鶴壁掘進煤矸石密度與常規(guī)石灰?guī)r碎石密度相近，從密度角度考慮，煤矸石能夠應(yīng)用到路面基層及底基層。

表1 密度試驗結(jié)果

1.2.2 顆粒級配。煤矸石的產(chǎn)地、自身巖性、破碎方式及風(fēng)化程度都會影響其顆粒級配。本研究選用曲率系數(shù)Cv及不均勻系數(shù)Cu來評價煤矸石的顆粒級配，其中Cv用于評價篩分曲線的平滑程度；Cu是限制粒徑與有效粒徑的比值，反映顆粒的均勻程度。當(dāng)Cu＜5 時，顆粒粒徑均勻，級配較差；Cu≥5且1≤Cv≤3時，級配較好，Cu試驗結(jié)果越大，材料粒徑范圍越廣；Cu＜1 或Cv＞3 時，材料級配間斷。對破碎后的鶴壁掘進煤矸石隨機取樣，參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）的相關(guān)要求進行干篩試驗，試驗結(jié)果見表2、表3。由表3可知，鶴壁掘進煤矸石Cu試驗結(jié)果為5.6，大于5，Cv試驗結(jié)果為1.4，在1～3 范圍內(nèi)，表明取樣的煤矸石顆粒級配良好。

表2 篩分結(jié)果

表3 不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)

1.2.3 壓碎值。壓碎值是表征礦料力學(xué)性能的指標(biāo)，用于評價礦料在逐級荷載作用下抵抗壓碎的能力。為確定鶴壁掘進煤矸石的應(yīng)用范圍，參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）的相關(guān)要求進行壓碎值試驗，試驗結(jié)果見表4。由表4 可知，鶴壁掘進煤矸石壓碎值試驗結(jié)果為25.7%，僅滿足高速公路，一級公路極重、特種交通底基層和重、中、輕交通基層和底基層以及二級及二級以下公路的工程建設(shè)需要。因此，在水穩(wěn)基層配合比設(shè)計過程中應(yīng)考慮煤矸石的適用范圍。

表4 壓碎值試驗結(jié)果

1.2.4 天然含水率、吸水率。材料吸水率試驗結(jié)果的大小，在一定程度上能夠決定材料的水穩(wěn)定性能，間接反映材料的力學(xué)性能。煤矸石因產(chǎn)地及礦物組成的差異，其吸水率、天然含水率試驗結(jié)果存在較大差異。當(dāng)煤矸石結(jié)構(gòu)密實，內(nèi)部孔隙及開口孔隙較小時，其吸水能力較低；當(dāng)煤矸石材質(zhì)松散時，天然含水率較高，應(yīng)用到工程當(dāng)中混合料易出現(xiàn)吸水膨脹等病害。為測定鶴壁掘進煤矸石吸水特性，間接評價其水穩(wěn)定性能，參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）的相關(guān)要求進行天然含水率及吸水率試驗，試驗結(jié)果為鶴壁掘進煤矸石的天然含水率為1.54%，遠大于普通碎石，因此在水穩(wěn)基層混合料擊實試驗中應(yīng)加以考慮；其吸水率為1.73%，滿足高等級公路礦料吸水率不大于2%的規(guī)范要求，表明鶴壁掘進煤矸石質(zhì)地密實，內(nèi)部孔隙率及開口孔隙率較小。

1.2.5 耐崩解性、膨脹性。耐崩解性、膨脹性是評價礦料質(zhì)量優(yōu)劣的重要參數(shù)，是表征材料在特定試驗條件下抗崩解、膨脹的重要指標(biāo)。鶴壁掘進煤矸石含有黏土礦物，遇水后易結(jié)晶而發(fā)生膨脹，因此，對煤矸石開展耐崩解性、膨脹性研究顯得尤為重要。本研究選用自由膨脹率試驗來評價煤矸石的抗崩解、膨脹能力。參照《自由膨脹率試驗》（T0124—1993）的相關(guān)要求進行自由膨脹率試驗，試驗結(jié)果為鶴壁掘進煤矸石的耐崩解指數(shù)為94.13%，表明具有較強的抗崩解能力，能夠滿足材料耐崩解性能要求；其自由膨脹率為18.21%，低于膨脹土40%上限要求，屬于非膨脹類物質(zhì)，滿足道路工程礦料膨脹性要求。

2 微觀結(jié)構(gòu)

水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石基層施工成型后，主要有固、液、氣三相組成，三者之間內(nèi)部的聯(lián)系與作用為結(jié)構(gòu)層提供足夠的強度，保證路面結(jié)構(gòu)有足夠的承載能力。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生90 d后的水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石圓柱體試件靜置于80 ℃烘箱內(nèi)24 h 直至恒重，然后取破碎后的直徑小于40 mm 試塊，整平表面，用掃描電鏡設(shè)置150、600、2 000及9 000倍數(shù)進行觀察并采集圖像，水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石微觀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由圖1 可知，從理論及微觀角度分析，水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石水穩(wěn)材料強度的形成是水化物從無定形膠凝狀到高晶度狀演變的過程。從2 000倍圖像能夠看出水泥石、煤矸石、過渡區(qū)微觀形態(tài)；隨著試件零期的增加，煤矸石中的活性成分經(jīng)水化受壓與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，形成水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣等物質(zhì)，具有很強黏結(jié)力，同時形成的碳酸鈣能夠間接增強試件強度。從微觀結(jié)構(gòu)上分析，鶴壁煤矸石能夠作為一種骨料應(yīng)用到水穩(wěn)基層當(dāng)中。

圖1 電鏡掃描下水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石微觀結(jié)構(gòu)

3 耐久性

本研究水泥選用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥劑量為5.8%，用粒徑為5～10 mm 的煤矸石分別以0%、20%、40%、60%、80%、100%的摻量等質(zhì)量替代常規(guī)碎石開展水穩(wěn)定性及抗凍性試驗。

3.1 水穩(wěn)定性

煤矸石具有膨脹、崩解性，會對水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石混合料水穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，對不同煤矸石摻量的混合料開展7 d、28 d 水穩(wěn)定性系數(shù)試驗，評價煤矸石摻量對水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石水穩(wěn)定性的影響，水穩(wěn)定性系數(shù)試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 水穩(wěn)定性系數(shù)試驗結(jié)果

由圖2 可知，不同煤矸石摻量下混合料7 d 水穩(wěn)定系數(shù)試驗結(jié)果均大于80%，煤矸石摻量為80%時，試驗結(jié)果最小為81.3%，表明養(yǎng)護齡期為7 d 時混凝土試件已具備一定程度的抗水穩(wěn)定性；當(dāng)試件齡期為28 d時，不同煤矸石摻量下混合料水穩(wěn)定性系數(shù)試驗結(jié)果均有不同程度的提升，煤矸石摻量為60%時，試驗結(jié)果最小為88.9%；由于水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石混合料生產(chǎn)過程中受到人為拌和不均勻、水泥水化不完全等因素的影響，煤矸石摻量與試件水穩(wěn)定系數(shù)試驗結(jié)果不具有明顯的線性關(guān)系；煤矸石含有軟弱顆粒，在試件壓實成型過程中易破碎，能夠填補礦料孔隙而更加致密，因此一定摻量的煤矸石有助于改善水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石基層的水穩(wěn)定性。

3.2 抗凍性

對不同煤矸石摻量的混合料開展28 d 抗凍性試驗，評價煤矸石摻量對水泥穩(wěn)定碎石-煤矸石抗凍性的影響。不同煤矸石摻量下，試件不同凍融循環(huán)次數(shù)后質(zhì)量損失率試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 凍融循環(huán)質(zhì)量損失結(jié)果

由圖3 可知，相同煤矸石摻量下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件質(zhì)量損失率逐漸增大；相同凍融循環(huán)次數(shù)下，煤矸石的摻入，試件質(zhì)量損失率均有所增加，煤矸石摻量小于40%時，試驗結(jié)果增幅不大，煤矸石摻量超過40%后，5 次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量損失率增幅顯著，但均小于規(guī)范上限5%的要求，表明煤矸石的摻入對混合料抗凍性的影響不大。

4 結(jié)語

本研究通過對鶴壁掘進煤矸石開展相關(guān)性能試驗得出，鶴壁掘進煤矸石質(zhì)地致密，破碎后的礦料具有良好的級配，且壓碎值、吸水率、耐崩解性均能滿足公路工程集料標(biāo)準(zhǔn)。從微觀結(jié)構(gòu)分析，煤矸石有助于水穩(wěn)基層強度的提升；從耐久性方面考慮，煤矸石的摻入有助于改善水穩(wěn)定性，且對抗凍性影響不大。研究表明，鶴壁掘進煤矸石能夠作為一種集料應(yīng)用到水穩(wěn)基層當(dāng)中。