煤矸石用作路基填料的工程特性研究（交通）

                                 狄科明

               （山西省公路局临汾分局勘察设计院  临汾  041000）

摘要研究了煤矸石用作路基填料时的路用性能。通过筛分、击实、C BR试验，以及烧失量试验，得到煤矸石相应的路用性能数据，并与路基规范要求进行对比。结果表明，煤矸石虽然级配较差，但在重型压实后，在93%压实度下CBR值达到了16%，而且煤矸石烧失量为10. 73%，说明煤矸石在压实后能够很好地满足规范要求，具有良好的经济性、安全性和社会效益。

关键词  煤矸石  路基填料  路用性能

    将煤矸石用作路基填料已经是交通业内人士研究的重要课题。煤矸石组成极为复杂，在不同的地区，构成有所差异。由于其本身的特性，在用作路基填土以后，路基很有可能会受到风化，水损；况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还存在一定的障碍，因此，目前还没有一个完善的规范和检验的标准体系来指导煤矸石在道路工程建设中的应用。所以，对煤矸石进行路用性能的研究具有重要的意义。

1  路基填料性能要求

    路基是道路安全性的重要基础，因此路基填料需要满足性能要求。《公路路基施工技术规范》(JTG Fl0- 2006)和《公路路基设计规范》(JTGD30 - 2015)（以下简称《规范》）规定路基填料需要具备良好的整体稳定性。不仅如此，更需要足够的强度和水稳定性。煤矸石作为路基填料时需要有足够的承载力，因此在选材时要选取耐风化能力强的，这样可以保证路基的稳定性，其中煤矸石红色最好，黑色最差。煤矸石中粗料含量越少越便于压实，可确保达到更好的级配，使其在施工时满足规定的压实度要求。

2路用性能室内试验

    煤矸石由于所处地理位置的不同，其化学成分也有所不同。目前，煤矸石用作路基填料，没有相应的标准来规范各项检测指标，检测方法也没有统一规定。所以，本试验研究参考了《公路土工试验规程》(JTG E40 - 2007)，《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)等规范流程，对其作为路基填料的路用性能进行研究。

    根据以往的实际工程经验，以下对煤矸石的级配、压实度、CBR值，以及烧失量进行试验分析。

2.1筛分试验

    采用标准筛对煤矸石进行筛分，并计算天然煤矸石样品通过各标准筛的质量分数，见表1，各煤矸石筛分曲线见图1。

    筛分结果表明，煤矸石的粒径大小具有很大的差异，并且大粒径较多，细小颗粒较少，粒径的分布相当不均匀。因此煤矸石具有明显的级配缺陷，必须通过一定的机械碾压，提高细小煤矸石颗粒的含量，改良煤矸石的级配，使其便于压实。

2.2击实试验

    在施工时应控制实际施工的压实度，尽可能达到最佳含水率下的最大干密度，达到最优的路基压实效果，从而使路基稳定性满足要求。因此，本试验通过采用室内重型击实试验方法，确定煤矸石矸石的最佳含水率和最大干密度。

    在天然级配下，根据煤矸石最大干密度试验的击实曲线（见图2），可以得到天然级配煤矸石的最佳含水量为7%，对应的最大干密度为2.068g／cm³。在不同的粒径含量下，根据煤矸石粗细混合料的最大干密度试验的击实曲线（见图3），可以得到煤矸石在粗料含量为40%左右时，最大干密度达到了最大值2. 145 g/cm²。

    由图2可见，天然级配煤矸石的干密度随着含水量的增加先增加到最大值后减少。原因在于，刚开始水的进入使煤矸石颗粒间摩擦力减小，有利于颗粒的移动，使煤矸石颗粒更好地嵌实。而后水量的增加已经使煤矸石颗粒之间不能很好地接触时，干密度值越来越小。

    由图3可见，在粗粒含量小于40%的时候，随着粗粒含量的增加，干密度增加的幅度很大，当粗粒含量大于40%时，干密度值减小，并且在粗粒含量大于50%时，干密度值减少缓慢。由此可以得出结论：煤矸石粗粒在击实过程当中会被破坏，原来的结构发生重组，随着细粒含量的增加，煤矸石更易压实。

2.3    CBR试验

    CBR值是加州承载比的简称，它是评定材料的承载能力的性能指标。煤矸石用作路基填料时，需要具有一定的强度来承载自重、路基上的路面荷载和车辆等移动荷载。进行CBR试验就是为了确定煤矸石的强度和稳定性是否满足路基填料的要求。

    首先按照施工时路基所需要的含水率和压实度在规定的试筒内制备试件，试件需要浸泡4d。试件采用含有50%的粗料的煤矸石分3层击实。浸泡后的试件进行CBR试验。

    CBR计算分为2步，首先是计算贯入度为2.5 mm时单位压力和标准压力的比值CBR。

    通过计算，比较贯人度为5 mm和2.5 mm的CBR，如果贯入度为5 mm的承载比较大，那么试验重做，如果结果仍然是贯入度为5 mm的承载比较大，那么就取5 mm时的承载比。测定浸水前后试件的长度计算膨胀量，计算公式如下。

    这样就得到了压实度与CBR的关系曲线图，见图4。同时得到了膨胀量与压实度之间的关系曲线图，见图5。

    由图4和图5可见，随着煤矸石压实度的增加CBR值增大。这说明，煤矸石压实度越大，抗压能力和抗变形能力越强。粗料含量越多，混合料孔隙就越大，吸水率亦提高，煤矸石试样的浸水膨胀量随着其压实度的增加而增加，压实度越大说明起始干密度越大，因而产生的膨胀量越大。《规范》中高速公路填料的最小CBR值为8%，煤矸石在本次试验中的承载比最低达到了16%，远大于一般土用作路基填料的要求。因此，煤矸石在经重型压实后，能够满足路基填料的要求。

2.4烧失量试验

    在煤矸石中含有很多在地质条件影响下经过复杂的化学作用生成的物质，这影响了煤矸石的结构，从而影响其抗压强度等性能，所以煤矸石作为路基填料时需要选取烧失量较小的，防止出现路基不稳定现象。以下通过煤矸石烧失量试验，得到煤矸石的烧失量数据，与《规范》要求数值进行对比。本次烧失量试验对5堆煤矸石进行取样（分别为1～5号），得到对应的煤矸石的烧失量，试验结果见表2。

    根据《规范》中的要求，粉煤灰在用于高速公路路堤时的烧失量应该小于20%。而本实验得到的煤矸石烧失量平均值为10. 73%，远小于20%，说明煤矸石里残留的不稳定物质对路基工程影响较小，不会造成路基失稳。

3结论

    (1)煤矸石级配分布极不均匀，因此在应用于路基填料时要控制大粒径含量，如果大粒径含量较高，需要进行加工，以达到良好的级配效果。

    (2)试验表明在较高的压实度下，煤矸石的CBR值越大，其承载能力越大，并且此时的CBR完全满足《规范》对于土基的CBR值的要求。因此，现场施工时测得的压实度值能够很好地反映煤矸石作为路基填料的安全性能。

    (3)在我国土地资源匮乏的情况下，煤矸石作为工业废渣能够替代一般土应用于工程实际，值得作为路基填料进行推广。