煤矸石路基填料的篩分與滲透分析

摘 要：篩分試驗及級配曲線能直觀反映煤矸石作為路基填料可以達到的密實程度，本文通過滲透試驗對煤矸石的滲透系數進行了分析，且定性分析最佳壓實狀態下煤矸石填料的空隙率，也通過分析煤矸石填料作路基的滲透系數，從而達到指導路基分層鋪筑壓實工序的效果。并且通過分析篩分與滲透數據，比較了3種不同煤矸石作路基填料的差異。并引入分形級配曲線圖與不均勻系數的對比，從兩個角度說明三種煤矸石填料是優秀級配。

關鍵詞：煤矸石；篩分試驗；滲透試驗；分形級配；不均勻系數

引言

長期以來，煤矸石一直被視為污染源和廢棄物，被忽略和遺忘。然而，隨著科技的不斷進步以及對環境可持續性的更高關注，人們開始重新審視煤矸石，并認識到其潛在的再利用價值。煤矸石作為路基填料的概念引發了廣泛興趣，這種做法不僅有助于減少煤礦廢物的積累，還可以降低道路建設的成本，同時減少對自然資源的依賴。然而，要成功將煤矸石用于道路建設，必須經過嚴格的實驗研究，以充分了解其物理和工程性質[1]。

本研究的目標在于深入探討煤矸石作為鐵路路基填料的性能。通過篩分試驗，測定級配煤矸石的性能指標，確定煤矸石中各粒組顆粒的相對含量，得出煤矸石的級配特點，并提出改善級配便于壓實的措施。通過滲透試驗，測試煤矸石在最佳擊實狀態下的滲透性能。通過篩分試驗和滲透試驗，我們將研究煤矸石的工程特性，以揭示其在道路建設中的潛在應用價值。這兩項關鍵實驗將為我們提供深刻的洞察，使我們更好地理解煤矸石在道路建設領域的角色和潛力，進一步促進可持續基礎設施建設的實現[2]。

一、篩分試驗

在篩分試驗中共取三組煤矸石樣品。分別記為：煤矸石1號、煤矸石2號、煤矸石3號。將各材料放入電熱干燥箱，控制溫度在105℃～110℃，進行烘干。選用干篩法開展篩分實驗。根據實驗結果按下式計算不均勻系數

煤矸石1號的不均勻系數平均值為Cu=10.3，曲率系數=1.3，為良好級配，按工程性能和級配特征定名該煤矸石為良好級配粗角礫，填料組別為A1。該組煤矸石顆粒尺寸在10mm～60mm區間內所占質量比重最大；其次是處于2mm～5mm區間內的質量比重；最后是尺寸大于60mm及小于2mm的質量比重。

煤矸石2號的不均勻系數平均值為Cu=5.1，曲率系數=1.2，為均勻級配，按工程性能和級配特征定名該煤矸石為均勻級配中角礫，填料組別為B2。該組煤矸石顆粒尺寸在5mm～40mm區間內所占質量比重最大；其次是處于40mm～60mm及2mm～5mm區間內的質量比重；最后是大于60mm及小于2mm的質量比重。與1號煤矸石相比，粗粒徑含量相對較少，細粒徑含量較少，不均勻系數較小。煤矸石3號的不均勻系數Cu=6.4，曲率系數=1.4，為均勻級配，按工程性能和級配特征定名該煤矸石為均勻級配粗角礫，填料組別B2。該組煤矸石顆粒尺寸在10mm～40mm區間內所占質量比重最大；其次是處于2mm、5mm、40mm篩孔尺寸上的質量比重；最后是小于2mm及大于60mm的質量比重。相對于1號煤矸石和2號煤矸石，其小于10mm孔徑土占總質量的百分比最小，即小于10mm的細粒土含量相對較少。

通過對比三組煤矸石發現，其中煤矸石1號的不均勻系數最大，即在成型密實的情況下，其空隙率最小。煤矸石3號相對于1號、2號，其小于10mm的細粒土含量較少，在相同成型的條件下，其粗顆粒之間形成的空隙只有較少的細粒土填充，空隙率較大。在以煤矸石作為路基填料，對空隙率有一定要求的鐵路路基工程中可以考慮煤矸石3號，如圖2所示。圖 2" 不同粒徑區間及分形維數對應的分形級配曲線

二、煤矸石的滲透試驗

（一）試驗過程

1.試驗主要儀器及方法

使用常水頭滲透系數測試儀來測試煤矸石的滲透系數（如圖3）。由于煤矸石要作為路基填料，應測試最佳擊實狀態下的滲透系數。故初步計劃定制內徑為10cm，高為40cm的鋼桶作為擊實桶，通過重型擊實試驗獲取煤矸石的擊實曲線，然后控制最佳含水率進行重型擊實，獲取最大干密度的煤矸石試樣，然后直接用該金屬封底圓筒進行滲透試驗[4]。

由于現場采集的煤矸石塊很多都是大粒徑，根據級配可知粗集料大約占90%～95%，細集料大約占10%～5%，所以在滲透試驗中選取約95%的粗集料，5%的細集料進行試驗，并得出相關滲透系數。

2.試驗指標

（二）試驗分析

由本試驗采用常水頭滲透試驗法，測定了三種不同的煤矸石的滲透系數。試驗過程中，分別在三個不同的水力坡降下，測量了三種煤矸石的滲透流量，然后根據達西定律，計算了每種煤矸石在每個水力坡降下的滲透系數，最后取三個滲透系數的平均值作為該種煤矸石的滲透系數[5]。試驗結果如表1和圖4所示。

根據表1的數據，煤矸石3號的試樣具有最高的密度，為1.85g/cm3，表明在相同的擊實功下，煤矸石3號的壓實度優于其他兩種煤矸石，其次是煤矸石1號，而煤矸石2號的壓實度最低。同時，煤矸石3號的滲透系數也最高，為1.5cm/s，表明煤矸石3號的滲透性最好，其次是煤矸石1號，而煤矸石2號的滲透性最差。由此可見，煤矸石的密度和滲透系數之間存在著一定的正相關關系，即密度越高，滲透系數越大，滲透性越好。三種煤矸石的密度和滲透系數之間存在著正相關關系，密度越高，滲透系數越高，滲透性越好。此外，三組煤矸石的透水程度均為高滲透性，排水性好。

三、結論

篩分試驗及級配曲線較為直觀反映煤矸石作為路基填料可以達到的密實程度，在此次試驗中通過滲透試驗測得煤矸石的滲透系數，以此來定性分析在最佳壓實狀態下煤矸石填料的空隙率。通過顆粒級配具有分形特征這一特點，根據已有研究所得的分形級配曲線圖與篩分級配曲線圖對比，表明三種煤矸石的級配都是優秀的設計級配。與不均勻系數量化法所確定的級配類型相一致。

從級配類型上看，該類煤矸石作為路基填料合格。良好和均勻的級配保證其在作為路基填料時成型密實均勻且空隙率較小，路基穩定。根據常水頭法測定出來的該材料的滲透系數都大于1，表明該類煤矸石擊實成型后透水性好，在鐵路路基工程中，可根據降雨量選擇該類煤矸石作路基填料，但也要關注煤矸石本身的抗沖刷及崩解，以防在雨水沖刷作用下造成路基強度降低。

由篩分試驗和滲透試驗所得的數據分析，在路基成型工序中，可以適當增加壓實功。在分層擊實時，可以在不同擊實層處采用不同煤矸石鋪筑。其中，由于煤矸石3號細顆粒較少，空隙率較大，滲透系數較大，因此在排水性能上要優于煤矸石1號和煤矸石2號鋪筑的鐵路路基，當鐵路路基經過降雨量較大的地區及對排水有要求的地區時，宜選用煤矸石3號作為路基填料。且煤矸石3號的壓實度最好，更易密實成型。

參考文獻：

[1]周楠，姚依南，宋衛劍，等.煤礦矸石處理技術現狀與展望[J].采礦與安全工程學報，2020，37（01）：136-146.

[2]張華林，滕澤棟，江曉亮，等.廢棄煤矸石資源化利用研究進展[J].環境化學，2024，43（06）：1-14.

[3]張宗堂，高文華，劉昌平，等.級配對煤矸石路基填料壓實與強度特性的影響試驗研究[J].工程地質學報，2023，31（05）：1-8.

[4]程朝偉.高速鐵路基床表層級配碎石滲透特性試驗研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2021.

[5]袁偉濤.強降雨復雜填料路基穩定性研究[D].石家莊：河北科技大學，2019.