煤矸石用作高速公路路基填料的现场碾压试验研究

李承祥

摘要：在我国公路建设不断发展的情况下，更多环保材料应用在公路建设当中，其中，煤矸石是目前高速公路建设当中经常应用到的材料类型，在本文中，将就煤矸石用作高速公路路基填料的现场碾压进行一定的研究。

Abstract： In the case of continuous development of highway construction in China， more environmentally friendly materials are used in highway construction. Coal gangue is one of them. This paper studies the field rolling test of coal gangue used as expressway subgrade filling.

关键词：煤矸石；高速公路；路基填料；现场碾压试验

Key words： coal gangue；expressway；roadbed packing；field rolling test

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0153-03

0 引言

煤矸石填筑路基不需翻晒，可大大加快路基填筑进度，同时可以变废为宝，减少取土占地和环境污染，用作填筑材料还可以降低施工成本，在工程中具有很好的应用价值。但是由于煤矸石矿物成份多，化学成份复杂，风化作用又大，而且大多数煤矸石的物理化学反应尚未完全结束，若不加選择地用其填筑路基，极容易造成路基不稳定，其次是煤矸石在运输及施工过程中粉尘对环境造成污染，因此，在路基填筑工程中需采取特殊设计，在施工方法上从选料到摊铺碾压，也需采取相应的措施。

本文针对高速公路路基填筑施工要求，结合煤矸石的组成成分和工程特性，在山西省长治市武乡县的红色旅游路施工建设中，通过对煤矸石的现场碾压试验探索其用作路基填筑材料的可行性，为工程实践提供了更多具有参考价值的技术经验。

1 煤矸石的工程特性

1.1 煤矸石的组成

煤矸石是与煤层伴生的矿物质，实际上是一种含炭物与岩石的混合物，它主要由易风化的炭质叶岩、泥质叶岩、砂质叶岩等软质岩所组成，其次含有少量的石英、云母等硬质岩。

1.2 物理力学性质

在煤矿生产中，煤矸石是其中排除的废弃物类型，为不同类型风化岩石以及破碎岩石的混合物。经试验，它的压碎值达30%以上，灰粉也超过40%。煤矸石具有颗粒不均匀以及变化范围较大的的特点。

其在性质方面的具体表现有：

第一，自然级配。其为不同粒径的颗粒组成，在不同粒径间，其数量比重方面并不固定。对于Cu≥5，Cc=1～3的，具有较好自然级配的煤矸石，适合应用在路基填方工作当中，而对于自然级配较差、大颗粒在其中占据较大比重的煤矸石则不适合应用为路基填料，可以在经过掺拌粉性土以及破碎处理后应用；

第二，吸水性。根据自身致密性结构特点的存在，煤矸石自身所具有的吸水性较低，在透水性方面具有较好的表现，适合应用为路基填料。而对于部分松散结构煤矸石，其在吸水后体积则将发生明显的膨胀，不适合应用为路基填料；

第三，风化性。对于具有较高抗压强度的煤矸石，其风化速度较慢，自然风化破碎具有较大的难度，适合应用为路基填料。而对于较低抗压强度的煤矸石，在风化条件下则较容易风化破碎，并不适合作为路基填料应用；

第四，自燃性。对于经历过多次自燃的煤矸石，适合作为路基填料应用，而对于自燃不彻底或者没有自燃的煤矸石，则具有较高的挥发成分以及固定碳，在应用当中容易发生自燃情况而不适合作为路基填料应用；

第五，可压缩性。在煤矸石当中，由于具有不同大小的颗粒级配，则适合通过机械材料的应用做好密实以及碾压处理，在经过压实处理后，其承载能力将达到50kPa左右。

2 煤矸石路基碾压施工工艺原理及压实效果的评价方法

2.1 碾压施工原理

在高速公路碾压施工中，虽然不同的工程有不同的施工要求，比如要求静压、振压等，无论哪种工艺，都有一套基本的工艺流程，见图1。

2.1.1 静压工艺

所谓静压，即通过机械重力静滚压力的作用，在使材料发生永久变形的情况下达到压实目标。对于该压实方式而言，其具有循环时间长、应力较大以及状态变化速度不大的特征，在实际操作当中，受到机械自重方面的影响，该方式无论在路基密实程度还是压实深度方面都较为有限，正是该特征的存在，使得该方式适合应用在路基施工的稳压以及初压阶段。

2.1.2 振压工艺

在该方式中，即先将振动器固定在一定质量物体上后，通过其产生的激振力使被压实材料做出垂直强迫振动，以较快的速度实现不同颗粒间内摩擦力的减少，在缩减颗粒间距离的情况下增加密实度，以此达到压实目标。通过振压方式的应用，则能够在重新排列石料颗粒的情况下实现其中存在空隙的减少，在对孔隙比进行降低的情况下减少路基变形、提升路基强度。对于该方式而言，其在处理当中不存在较大的作用面用力，且具有较大的加载频率以及较短的过程时间，且能够根据压实层厚度以及铺筑材料的不同实现振幅以及频率的科学选择，在实现压实效果提升的情况下有效减少碾压编数。从振动波角度看来，压路机在振动的情况下，则会将振动波在实现向地基传递的情况下向四周位置传播，并在振动当中由纵波起到压密作用。通过横波以及面波的存在，将使垫层表面发生松动情况，而纵波传递深度即为振动传递深度。

2.2 压实效果评价方法

2.2.1 压实原理

在粒度构成方面，煤矸石属于碎石类土，其颗粒级配是对压密性形成制约的主要因素，具体压实特性由细料对骨料空隙充满程度以及骨料当中稀料所决定。其具体级配具有细小颗粒比例低以及大块含量比例高的特征，并在压实过程中有效改善煤矸石的级配缺陷。具体压实方面，其将经历两个阶段，在第一阶段中，煤矸石整体较为疏松，在压实当中，主要表现在对颗粒接触状态的调整，颗粒将在不断靠近后重新排列，当相互位移接触紧密、形成支撑骨架之后，在压力不断增加的情况下，则将在超过矸石强度的情况下影响到粗颗粒整体性，并因此重新调整压力，在使其重新处于压力过程的情况下进一步密实。该破碎过程的目的，即改良原有级配存在的缺陷，在提升其中小颗粒比例、降低大颗粒比例的情况下逐渐实现整体级配的改善，并有效提升其密实性。通常情况下，当煤矸石当中具有较高的矸石比例时，第一阶段持续时间较短，重点主要为第二阶段，具有较高的破碎率。当粗粒料比例下降、且粒径逐渐丰富时，在第一阶段边长的情况下影响到其破碎率。总体来说，对于煤矸石的压实即是改良原有颗粒级配的过程，在提升细颗粒比例、降低粗大矸石比例的情况下获得更好的压密效果。

2.2.2 压实效果的影响因素

煤矸石压实性同其自身的颗粒级配以及矿物成分具有密切的关联，且外部因素也将对其压实程度产生较大的影响，如松铺厚度、含水量以及压实能量等：

第一，含水量。对于普通细粒土来说，在其干容重同含水量间存在二次抛物线关系，在一定压实功下，具有最大干密度以及最优含水量。而对于煤矸石材料来说，含水量在压实度影响方面也具有独特的特点，即由于煤矸石自身吸水量较小，则在具有较快排水速度的情况下不能够始终保持水分，并因此难以达到最优含水量。而当含水量偏小时，其表面将具有松散的特点，在碾压中材料可能会出现一定的摊移情况，并因此对压实效果产生影响。此时，在碾压时则可以保证含水量在4%以上，在该种情况下完成碾压后，表面密实性即能够较好的满足要求；

第二，压实能量影响。在煤矸石当中，由于软岩岩块数量较多，在具体碾压当中则经常会发生矸石破碎的情况，且其压密效果则同碾压当中煤矸石的破碎情况具有密切的关系。为了能够实现破碎程度的提升，在具体施工中，使用高强度分层压密方式则是较好的选择，并按照“先静后动、先轻后重”的原则开展工作。

3 煤矸石路基现场碾压试验

3.1 试验设备

碾压试验开始前，先确保所需机械设备就位（见表1）。

3.2 试验方法及试验内容

本文主要介绍单机碾压和冲击碾压试验方法。

3.2.1 单机碾压试验

①观测点布置。

在目标路段50m范围，每10m对一个高程观测试验断面进行布置，试验断面数量为6个，在不同断面上，对6个高程观测点进行布置，高程观测点数量为36。

②参数控制。

单机碾压试验中，需要重点关注以下参数：

第一，注意对碾压技术参数的控制。初压时，先用YJ218振动压路机稳压一遍，速度为4km/h，静压一遍后，开始弱振一次，振动频率在25～30Hz之间，振幅在0.7～1.0mm之间，速度为2.5～4km/h之间。初压过后，调整振动压路机频率在33～50Hz之間，振幅在1.0～1.8mm之间，以3～6km/h的速度强振三遍，碾压时相邻碾压轮距要相错20～30cm，每次碾压完后，技术员测出各控制点的高程，并做好记录。复压后用3Y18～21T光轮压路机以2～3km/h的速度进行碾压，碾压的路线纵向互相平行，行与行之间应重叠后轮宽度1/2，前后相临区段纵向重叠不小于1～2m，做到无漏压、无死角。

第二，注意最佳松铺厚度。在试验中，分别使用厚度为35、45cm的煤矸石进行碾压试验，在使用18T自行压路机碾压8遍之后对相同碾压方式情况下，不同松铺厚度所具有的沉降率进行计算，并对碾压编数同沉降间的关系曲线图进行绘制，根据计算获得数据对松铺厚度同路基沉降率间的关系进行研究，以此为后续碾压施工提供依据。

第三，注意松铺系数K。松铺系数方面，可以经现场碾压试验获得，具体测试方式方面，则可以在试验段以分层的方式填筑厚度为35、45cm的煤矸石，并对碾压密实后的高程进行测量，以此实现松铺系数的计算。其计算公式为：

在上式中，H0为基底高程，H1为松铺高程，H2为压实后高程。

3.2.2 冲击碾压试验

①试验方法。

在研究中，其主要内容有：第一，通过水准仪的应用对路基顶高程随冲压编数的变化情况进行监测，以此对冲击碾压路基的沉降趋势进行研究，在对冲压效果进行评价的基础上实现科学冲击碾压编数的确定；第二，通过贝克曼梁以及标准弯沉测试车方式对冲击碾压前后的路基弯沉值变化进行测试，以此对冲击压实的效果进行评价；第三，通过标准垂击法的应用对冲击碾压影响深度进行研究。

②高程观测及分析。

第一，在冲压前，通过水准仪对不同高程观测点的标高进行观测与记录。在冲压3遍之后，对不同高程观测点的标高进行观测与记录，对不同高程观测点的沉降量进行计算。如60%观测点沉降在8mm以上，则需要继续冲击碾压；第二，每冲击3遍，对高程数据进行一次观测与记录，如最后3遍沉降量在5mm以内，即可以视为沉降稳定，可以停止冲压。

3.2.3 贝克曼梁回弹完成试验

试验仪器方面，为标准的弯沉测试车：双轴、后轴两侧四轮的载重车，并保证其轮胎气压、标准轴荷载以及轮胎间隙等参数都能够满足施工要求。回弹弯沉试验步骤为：第一，在测试路段做好测点的布置，根据需求确定测试距离，保证测点处于行车道轮迹带上，通过粉笔或者白油漆的应用做好标记；第二，将试验车后轮轮隙对准测点后约3-5cm处的位置；第三，在汽车后轮缝隙位置插入弯沉仪，保证其同汽车方向保持一致，在避免梁臂同轮胎触碰的情况下将弯沉仪防置在测点位置，并在测定杆上做好百分表的安装。在将百分表调零处理后，使用手指对弯沉仪进行轻轻的叩打，以此检查其是否能够稳定回零。其计算公式为：

LT=（L1-L2）×2

在上式中，LT表示当路面温度为T时的回弹弯沉值，L1表示车轮中心临近弯沉仪测头时百分表的最大读数，L2表示汽车驶出弯沉影响半径后百分表的终读数。

4 压实质量检测指标

压实厚度：每层压实厚度应控制在30cm以内。

压实宽度：铺筑宽度应大于路基设计宽度30cm，包边土宽度大于等于1m。

压实度：压实度标准与土石路基相同。检测方法采用沉降量控制、即同一点两次碾压后高差应小于5mm。

5 结论

通过上文的研究，可以发现自然级配煤研石颗粒级配良好，压碎值、承载比以及吸水率等都能够对路基填料需求进行满足，为了保障工程质量，需要在施工前做好振压编数、松铺厚度以及组合方式的科学控制，以此获得施工的最佳值。

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