煤矸石用作路基填料的工程特性研究（交通）
煤矸石用作路基填料的工程特性研究（交通）
狄科明
（山西省公路局臨汾分局勘察設計院 臨汾 041000）
摘要研究了煤矸石用作路基填料時的路用性能。通過篩分、擊實、C BR試驗，以及燒失量試驗，得到煤矸石相應的路用性能數據，并與路基規范要求進行對比。結果表明，煤矸石雖然級配較差，但在重型壓實后，在93%壓實度下CBR值達到了16%，而且煤矸石燒失量為10. 73%，說明煤矸石在壓實后能夠很好地滿足規范要求，具有良好的經濟性、安全性和社會效益。
關鍵詞 煤矸石 路基填料 路用性能
將煤矸石用作路基填料已經是交通業內人士研究的重要課題。煤矸石組成極為復雜，在不同的地區，構成有所差異。由于其本身的特性，在用作路基填土以后，路基很有可能會受到風化，水損；況且煤矸石中含有一定量的有毒成分，目前煤矸石用作路基填料還存在一定的障礙，因此，目前還沒有一個完善的規范和檢驗的標準體系來指導煤矸石在道路工程建設中的應用。所以，對煤矸石進行路用性能的研究具有重要的意義。
1 路基填料性能要求
路基是道路安全性的重要基礎，因此路基填料需要滿足性能要求?！豆仿坊┕ぜ夹g規范》(JTG Fl0- 2006)和《公路路基設計規范》(JTGD30 - 2015)（以下簡稱《規范》）規定路基填料需要具備良好的整體穩定性。不僅如此，更需要足夠的強度和水穩定性。煤矸石作為路基填料時需要有足夠的承載力，因此在選材時要選取耐風化能力強的，這樣可以保證路基的穩定性，其中煤矸石紅色最好，黑色最差。煤矸石中粗料含量越少越便于壓實，可確保達到更好的級配，使其在施工時滿足規定的壓實度要求。
2路用性能室內試驗
煤矸石由于所處地理位置的不同，其化學成分也有所不同。目前，煤矸石用作路基填料，沒有相應的標準來規范各項檢測指標，檢測方法也沒有統一規定。所以，本試驗研究參考了《公路土工試驗規程》(JTG E40 - 2007)，《公路工程集料試驗規程》(JTG E42-2005)等規范流程，對其作為路基填料的路用性能進行研究。
根據以往的實際工程經驗，以下對煤矸石的級配、壓實度、CBR值，以及燒失量進行試驗分析。
2.1篩分試驗
采用標準篩對煤矸石進行篩分，并計算天然煤矸石樣品通過各標準篩的質量分數，見表1，各煤矸石篩分曲線見圖1。
篩分結果表明，煤矸石的粒徑大小具有很大的差異，并且大粒徑較多，細小顆粒較少，粒徑的分布相當不均勻。因此煤矸石具有明顯的級配缺陷，必須通過一定的機械碾壓，提高細小煤矸石顆粒的含量，改良煤矸石的級配，使其便于壓實。
2.2擊實試驗
在施工時應控制實際施工的壓實度，盡可能達到最佳含水率下的最大干密度，達到最優的路基壓實效果，從而使路基穩定性滿足要求。因此，本試驗通過采用室內重型擊實試驗方法，確定煤矸石矸石的最佳含水率和最大干密度。
在天然級配下，根據煤矸石最大干密度試驗的擊實曲線（見圖2），可以得到天然級配煤矸石的最佳含水量為7%，對應的最大干密度為2.068g／cm3。在不同的粒徑含量下，根據煤矸石粗細混合料的最大干密度試驗的擊實曲線（見圖3），可以得到煤矸石在粗料含量為40%左右時，最大干密度達到了最大值2. 145 g/cm2。
由圖2可見，天然級配煤矸石的干密度隨著含水量的增加先增加到最大值后減少。原因在于，剛開始水的進入使煤矸石顆粒間摩擦力減小，有利于顆粒的移動，使煤矸石顆粒更好地嵌實。而后水量的增加已經使煤矸石顆粒之間不能很好地接觸時，干密度值越來越小。
由圖3可見，在粗粒含量小于40%的時候，隨著粗粒含量的增加，干密度增加的幅度很大，當粗粒含量大于40%時，干密度值減小，并且在粗粒含量大于50%時，干密度值減少緩慢。由此可以得出結論：煤矸石粗粒在擊實過程當中會被破壞，原來的結構發生重組，隨著細粒含量的增加，煤矸石更易壓實。
2.3 CBR試驗
CBR值是加州承載比的簡稱，它是評定材料的承載能力的性能指標。煤矸石用作路基填料時，需要具有一定的強度來承載自重、路基上的路面荷載和車輛等移動荷載。進行CBR試驗就是為了確定煤矸石的強度和穩定性是否滿足路基填料的要求。
首先按照施工時路基所需要的含水率和壓實度在規定的試筒內制備試件，試件需要浸泡4d。試件采用含有50%的粗料的煤矸石分3層擊實。浸泡后的試件進行CBR試驗。
CBR計算分為2步，首先是計算貫入度為2.5 mm時單位壓力和標準壓力的比值CBR。
通過計算，比較貫人度為5 mm和2.5 mm的CBR，如果貫入度為5 mm的承載比較大，那么試驗重做，如果結果仍然是貫入度為5 mm的承載比較大，那么就取5 mm時的承載比。測定浸水前后試件的長度計算膨脹量，計算公式如下。
這樣就得到了壓實度與CBR的關系曲線圖，見圖4。同時得到了膨脹量與壓實度之間的關系曲線圖，見圖5。
由圖4和圖5可見，隨著煤矸石壓實度的增加CBR值增大。這說明，煤矸石壓實度越大，抗壓能力和抗變形能力越強。粗料含量越多，混合料孔隙就越大，吸水率亦提高，煤矸石試樣的浸水膨脹量隨著其壓實度的增加而增加，壓實度越大說明起始干密度越大，因而產生的膨脹量越大?！兑幏丁分懈咚俟诽盍系淖钚?/font>CBR值為8%，煤矸石在本次試驗中的承載比最低達到了16%，遠大于一般土用作路基填料的要求。因此，煤矸石在經重型壓實后，能夠滿足路基填料的要求。
2.4燒失量試驗
在煤矸石中含有很多在地質條件影響下經過復雜的化學作用生成的物質，這影響了煤矸石的結構，從而影響其抗壓強度等性能，所以煤矸石作為路基填料時需要選取燒失量較小的，防止出現路基不穩定現象。以下通過煤矸石燒失量試驗，得到煤矸石的燒失量數據，與《規范》要求數值進行對比。本次燒失量試驗對5堆煤矸石進行取樣（分別為1～5號），得到對應的煤矸石的燒失量，試驗結果見表2。
根據《規范》中的要求，粉煤灰在用于高速公路路堤時的燒失量應該小于20%。而本實驗得到的煤矸石燒失量平均值為10. 73%，遠小于20%，說明煤矸石里殘留的不穩定物質對路基工程影響較小，不會造成路基失穩。
3結論
(1)煤矸石級配分布極不均勻，因此在應用于路基填料時要控制大粒徑含量，如果大粒徑含量較高，需要進行加工，以達到良好的級配效果。
(2)試驗表明在較高的壓實度下，煤矸石的CBR值越大，其承載能力越大，并且此時的CBR完全滿足《規范》對于土基的CBR值的要求。因此，現場施工時測得的壓實度值能夠很好地反映煤矸石作為路基填料的安全性能。
(3)在我國土地資源匱乏的情況下，煤矸石作為工業廢渣能夠替代一般土應用于工程實際，值得作為路基填料進行推廣。
