煤矸石在道路瀝青路面底基層的利用★

王 朝，田榮燕，王松鋒，杜詠崢，李毅杰

(西藏大學工學院,西藏 拉薩 850000)

0 引言

煤矸石為煤質沉積巖,化學組成成分主要為SiO2和Al2O3,還含有少量的CaO,Fe2O3,MgO,TiO2,K2O,P2O5,Na2O,礦物成分以黏土類、石英、碳酸鹽類為主,主要有高嶺土、伊利石、蒙脫石、白云石、硫化鐵、炭質以及少量的稀有金屬物等。我國目前發電以及工業生產中,煤炭依舊作為主要能源,占比達到70%以上。并且我國目前依靠煤炭發電的現狀,在以后幾十年有較大概率會維持下去。煤矸石是與煤伴生的一種巖石,在煤的開采與加工洗選過程中逐漸被分離出來,而成為一種廢棄物,在煤礦中大量存在。西藏地區累積堆存尾礦量已超過6×104t,云南、四川等省已開始對尾礦進行二次開發。西南地區采煤過程中形成的煤矸石堆存量約90 000×104t,在礦坑附近堆積成山,占壓大量土地面積,暴雨季節易形成滑坡、泥石流地質災害,污染礦山周邊河湖水系。我國每年對煤矸石的利用率不足30%,如在焦煤洗選過程中,1×108t可排放出約2 000×104t,而1億t動力煤可排放出約1 500×104t煤矸石。且每年對煤矸石山的修整都投入大量資金,也對煤矸石的廢物利用十分重視,探索煤矸石的利用以及大量消耗煤矸石儲量,都成為一個重要話題。

1 國內外研究現狀

1.1 國內研究現狀

中國對煤矸石應用于基層的研究始于20世紀80年代,起初主要作為路基的填料并進行加固[1]。長安大學曾采用石灰、煤矸石與土混合用于道路基層,充分發揮了煤矸石的優良性能。同時,劉元泉、胡益眾依托于平頂山至臨汝高速公路工程,將煤矸石用于填筑高速公路路基,進而研究煤矸石的材質特性、路基填料以及施工等方面內容,證明煤矸石符合路基的一般要求。劉春榮、宋宏偉等從煤矸石的基本物理力學性質角度,探討了關于煤矸石在路基填筑應用的主要問題,如:煤矸石的拌和、攤鋪及壓實的質量控制問題,最終認為煤矸石是一種良好的筑路材料;根據煤矸石自身特點,提出了一種煤矸石作為筑路材料時壓實度的檢測方法,并將煤矸石成功應用于徐豐公路(S239)龐莊礦區段;狄升貫以青蘭高速實體工程為依托,以河北邯鄲礦區的煤矸石為研究對象,通過國內外調研、室內試驗及現場試驗段,深入研究了煤矸石用于高速公路路基的室內試驗方法、工程力學特性、施工現場質量控制及路用性能;王貴林研究水泥穩定煤矸石混合料的合理配合比,并進行7 d無側限抗壓強度試驗,表面采用較高水泥劑量可滿足低等級公路要求;但煤石又是重要的資源,可綜合利用[2]。表1為國內實際工程示例。

表1 國內煤矸石實際應用

1.2 國外研究現狀

煤矸石在發達國家中綜合利用率都已達到 40%以上,甚至部分國家的利用率更是高達 60%～80%,英國現有煤矸石的堆積量大約為16×108t,但煤矸石年利用量僅為600×104t～700×104t,處理方式僅是將煤矸石用于公路路堤、水利工程堤壩及其他土建工程,如:采用相關技術將煤矸石應用到混凝土中,且成品具有較高的強度;或按一定比例將煤矸石與集料、結合料攪拌制成混合料,應用于路面材料,做成具有較好防滑效果的路面。 二十世紀七八十年代,美國通過試驗研究發現,在道路基層使用粉煤灰煤矸石混合料,無論技術方面,還是環境方面,都是可行的,而且在應用于道路底基層也取得了成功。目前對尾礦綜合利用較好的是美國,美國尚有300余座煤矸石山,現存煤矸石量達到2.7×108t。利用“紅矸石”作為路基材料,也利用煤矸石生產輕骨料、空心砌塊、建筑用磚等材料,甚至于生產水泥。表2為國外實際工程。

表2 國外煤矸石實際應用

1.3 研究方向

通過JTG D30—2015公路路基設計規范和JTG T3610—2019公路路基施工技術規范等相關規范對煤矸石混合料進行路用性能探究來進行[3-4],文章主要以無側限抗壓強度、抗凍性能試驗、抗沖刷性能試驗為主來探究五種不同配比下的煤矸石應用到道路基層的性能,通過測量其質量損失率和抗壓強度等系數來對比五種配合比的性能,其次再從社會與經濟效益方面來進行參照分析。

2 試塊配合比設計與制作

道路底基層設計需滿足力學性能、水穩性能和強度等的要求,因此本研究采用水泥石灰粉煤灰穩定煤矸石碎石混合料來制作試塊。將煤矸石與天然礦石進行替換,設計五種不同的配合比[5-6],因此確定較為合理的道路底基層設計。

2.1 試塊配合比設計

依據JTG-E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程相關規范要求,進行無側限抗壓強度等試驗的試塊均采用D=150 mm,h=150 mm的試模進行制作,再按照T0845—2009無機結合料穩定材料養生試驗方法進行7 d標準養護之后,再進行試驗。抗凍性能試驗所需的試塊則進行28 d養護,采取5次凍融循環,溫度范圍-20 ℃～20 ℃。無側限抗壓強度試驗使用萬能試驗機,加載速率控制在1 mm/min。5種配合比設計如表3所示。

表3 5種三灰穩定煤矸石混合料配合比 %

2.2 試塊制作及養護

按照表3中的5種配合比進行試件制作,都以12.2%的最佳含水率和1.68 g/cm-3干密度來制作試塊,采用圖1中模具靜壓成型后,再放置于溫度為(20±2)℃,相對濕度為95%的環境中進行養護,中間利用圖2脫模裝置對試塊進行脫模,養護完成后以待后期使用[7]。

3 試驗及分析

3.1 無側限抗壓強度試驗及結果分析

利用萬能試驗機(如圖3所示)對7 d養護齡期的試件進行無側限抗壓強度試驗。將煤矸石應用于道路底基層,工況滿足JTG F20T—2015公路路面基層施工技術規范中的高速公路和一級公路的要求,使用工業廢渣穩定材料的石灰粉煤灰,7 d養護齡期無側限抗壓強度標準Rd在極重、特重交通條件下不小于0.8 MPa,且要滿足各種荷載及反復荷載下的力學要求。無側限抗壓強度根據式(1)進行計算:

(1)

無側限抗壓強度試驗結果見表4。

表4 石灰粉煤灰穩定材料7 d養護齡期無側限抗壓強度Rc

從表4結果可看出5種配合比的混合料試件7 d無側限抗壓強度均可滿足JTG F20T—2015公路路面基層施工技術規范要求。在水泥、石灰和粉煤灰含量不變的情況下,隨煤矸石的含量不斷增多,試件的無側限抗壓強度值也在不斷增長,達到峰值后,抗壓強度開始下降。從試件7 d無側限抗壓強度值來看,初步推薦配合比為m(水泥)∶m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(煤矸石)∶m(碎石)=2∶10∶38∶35∶15。

3.2 凍融抗壓性能試驗及結果分析

西藏地區多為凍土地區,若地基抗凍性能較差,會引起道路路面開裂,嚴重影響通行及行車安全。將28 d養護齡期的試塊分為兩組:一組為凍融試驗組;一組為空白對照組。為準確反映西藏高海拔地區道路的實際服役溫度,在G109國道唐古拉山段埋設溫濕度傳感器,埋深深度及實測溫度的平均值如表5所示,參照道路實測溫度,將試驗組試件放入-16 ℃恒溫冰箱保持冰凍16 h,然后取出放入溫度為20 ℃的恒溫水槽中融化8 h,凍融循環5次后進行抗壓強度試驗。空白對照組不進行凍融循環,直接進行抗壓試驗,獲取試件破壞時的抗壓強度。將凍融前后的強度比作為試件凍融抗壓性能的衡量指標,強度比根據式(2)進行計算:

(2)

表5 道路實測平均溫度

其中,fm為5次凍融循環后的殘留;fm1為未經凍融試件的飽水抗壓強度平均值,MPa;fm2為經5次凍融循環后的試件飽水抗壓強度平均值,MPa。

依據JTG D50—2017公路瀝青路面設計規范有關規定,要求重凍區底基層混合料殘留抗壓強度不小于70%。由表6可明顯看出5種配合比的試件凍融殘留抗壓強度均滿足規范要求,試驗結果顯示,隨著煤矸石含量增多,試件凍融循環后的殘留抗壓強度總體上呈上升趨勢。煤矸石加入后,試塊孔隙填充充足,整體黏聚性增強,煤矸石的含量影響到試件整體的抗凍性能。比較5種三灰穩定煤矸石混合料的抗凍性能,發現E>D>B>C>A。

表6 三灰穩定煤矸石混合料殘留抗壓強度比

3.3 抗沖刷性能試驗及結果分析

在道路服役環境中,表面水可能會通過各種方式進入路面內部結構層,若結構層內的水不能及時排出,則會在結合料顆粒界面之間流動,降低顆粒之間的嵌擠力,從而破壞路面結構。如若遇到行車荷載,進入結構層內的水會產生極大的動水壓力,形成動積水,對路面底基層產生沖刷作用,破壞路面底基層結構。因此,抗沖刷性能也可作為底基層路用性能的衡量指標。

在頻率為60 Hz的震動臺上安裝一個480 mm×350 mm×250 mm的塑料容器,容器頂部安裝一個反力支架來固定試件,利用震動臺使容器內的水產生水動力。試驗裝置示意圖如圖4所示。將5種配合比的試件放置于水池中浸泡48 h,得出試件飽水質量,分別對其進行5個階段的沖刷試驗,獲取累積沖刷量,式(3)中累積沖刷量與飽水質量的比值Em衡量試件的抗沖刷性能。

(3)

其中,Em為累積沖刷量與飽水質量的比值;m1為試件沖刷掉質量之和,g;m0為試件總質量,g。

沖刷結果如表7所示,圖5為累積沖刷率。

表7 沖刷試驗結果

實際試驗過程中,發現試塊即使達到壓力最大值,試塊整體性還是較為完好,且沖刷量隨著時間的增加而減少,逐級趨于平緩變化。煤矸石量增加后,試塊整體黏聚力增強,試塊沖刷量較低。由圖5可看出5種配合比下的試塊沖刷率變化并不是線性,其中E組效果較好,其抗沖刷能力也比較好,后期逐漸趨于平穩,沖刷率變化幅度變小。

4 結論及展望

4.1 結論

將煤矸石替換天然碎石應用于路基底基層,設計了5種材料配合比,經抗壓強度試驗、凍融抗壓強度比試驗、沖刷試驗,對底基層材料性能進行了全面研究,得出以下結論:

1)將煤矸石添加至路基材料中,可以提高路基材料的抗壓強度,保持水泥、石灰和粉煤灰的質量不變,煤矸石含量(質量分數)在25%到35%時,抗壓強度逐漸增強,但之后再繼續增加煤矸石的含量,路基材料抗壓強度會下降,煤矸石含量(質量分數)相對在35%左右時,路基材料抗壓強度最大。

2)5組不同配合比制作的試塊,整體抗壓強度高于標準規范要求,其中煤矸石含量稍多于碎石含量時,在無側限抗壓強度、凍融抗壓強度及抗沖刷等方面效果最佳。綜合比較試驗結果,推薦配合比為m(水泥)∶m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(煤矸石)∶m(碎石)=2∶10∶38∶35∶15。

3)將煤矸石應用于底基層材料中,可以提高試塊內部黏聚力,具體表現在抗壓試驗完成后,試塊的整體性較好,并沒有完全開裂,即便在水流沖擊下,試塊整體性依舊良好。

4.2 展望

我國西南地區在開采礦產資源時,極易形成大量煤矸石、廢石、煤灰渣等固體廢棄物,不僅容易引發當地礦山地質災害,且對礦產資源造成了極大的浪費。我國目前對煤矸石利用率不高,伴隨經濟的發展,煤炭用量不斷增加,致使煤矸石的產量也在不斷增加。據不完全統計,截至2022年,中國煤矸石儲量已超60×108t,且每年新增量超5×108t。產出量巨大,但無法消耗,導致多數煤矸石堆積起來,無法被有效利用,形成了一座座煤矸石山,侵占了土地資源,極大地破壞了環境。將煤矸石應用于道路底基層,不僅替換了原有道路底基層的天然礫石,且極大地消耗了煤矸石儲量。

減少環境污染:煤矸石主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁、固定碳,含有少量鉀、鈣、鎂等金屬元素以及氮、磷、硫等非金屬元素。煤矸石堆積較多,會發生自燃現象,導致部分煤矸石排放出一定量的二氧化硫、氮氧以及一氧化碳等有毒氣體。煤矸石的風化流失,可能會污染空氣,自然風化會導致露天存放的煤矸石破碎為細小顆粒,從而進入土壤和空氣,引起土壤污染和揚塵,危害人民健康。另外,部分煤矸石中的金屬元素會隨降雨滲透進入地下,污染地下水。將煤矸石用于填充路基,可以為公路工程建設提供廉價的原材料,且用量極其巨大,既解決了環境污染,又改善了人民的生活質量。

減少占地空間:2023年我國人均耕地面積僅為933.338 m2,位居世界第113位,并且還要堅持12×1011m2耕地紅線,再加上人口數量的不斷增長,致使土地資源無比珍貴。將煤矸石應用于道路底基層,可消耗一定儲量的煤矸石,節約出一定的土地資源,應用于耕地或其他用途,造福人民。

目前應用于路基的碎石價格為450元/t,而煤矸石的價格僅為50元/t,將煤矸石替換碎石填充于路基中,一方面極大地縮減了公路建設成本;另一方面也解決了煤矸石露天堆積的環境污染問題,減少環境治理的資金投入。