煤矸石混合料在路基中的路用性能分析

王冠凯

（中建路桥集团有限公司，河北 石家庄 054000）

煤矸石作为一种矿业废料，其产量约为煤炭产量的20%，而煤矸石的利用率较低，多自然堆放，易造成土地资源浪费[1-4]。而把煤矸石混合料作为公路路基填料，既减少了路基填筑过程中的材料成本，也一定程度上缓解了环境污染问题，具有很好的应用前景[5]。目前，关于煤矸石混合料路用性能的研究较少，因此本文研究了煤矸石混合料的物理和化学特性，并试验了煤矸石混合料的劈裂强度和无侧限抗压强度，验证了煤矸石混合料作为公路路基填料的可行性。

一、煤矸石混合料的材料性质

煤矸石的材料性质主要受内部因素和外部因素两方面影响。一方面，其内部成分复杂，以煤和黄铁矿为主，长时间暴露在空气下，内部会发生低温氧化反应；另一方面，外部的雨水和日照，均会加快低温氧化的速率，从而引发自燃，造成很大的危害。

（一）煤矸石混合料的化学特性

在现场取得煤矸石混合料样品，然后通过室内化学试验得到煤矸石混合料的主要化学成分——三氧化二铝、三氧化二铁、氧化镁、氧化铝及二氧化硅等。同时，根据其物质组成含量的不同分类，当二氧化硅的含量大于70%时，为砂岩矸；当二氧化硅含量在40%至70%之间时，为黏土矸岩；当二氧化硅的含量小于40%时，根据煤矸石混合料中铝和钙含量的不同，分为钙质矸岩和铝质矸岩。

此外，煤矸石混合料中含有一定量的可燃有机物，影响着煤矸石混合料的稳定性。因此根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009），通过煤矸石混合料的烧失量试验，判断混合料中可燃有机物的含量。

首先，现场选取具有代表性的煤矸石混合料，放在烘箱中烘干，并称量烘干后煤矸石混合料的初始重量，然后高温灼烧烘干后的煤矸石，并称量灼烧后的煤矸石混合料，最后计算出煤矸石混合料的烧失量。通过烧失量试验可知，现场煤矸石混合料的可燃有机物含量较低，满足公路路基填筑要求。

（二）煤矸石混合料的物理特性

煤矸石混合料的主要物理特性指标包括压碎值及吸水率等。

1.煤矸石混合料的压碎值

煤矸石混合料的压碎值是影响煤矸石混合料力学特性的重要因素之一，即在外力作用逐渐增大的条件下，煤矸石混合料抵抗破碎的能力。试验时，参照《公路工程集料试验规程》JTGE42-2005，利用万能压实机压实煤矸石混合料，压碎后煤矸石混合料中粒径小于2.36mm，混合料的质量与压实前煤矸石混合料质量的比值即为混合料的压碎值，同理可以得到不同样品煤矸石混合料的压碎值。

规范中要求公路路基填料的压碎值不大于30%，煤矸石混合料的压碎值为28.3%，满足规范要求，适用于公路路基填筑。

2.煤矸石混合料的吸水率

分析煤矸石混合料化学成分可知，水严重影响煤矸石混合料的稳定性，因此选取3组煤矸石混合料为研究对象，依据有关规范，实施煤矸石混合料吸水试验。具体过程为，首先在烘箱中烘干煤矸石混合料，得到混合料的初始干质量，然后把烘干的煤矸石混合料浸泡在水中一定时间后再称量，得到煤矸石混合料湿质量，计算浸泡前后质量的比值，得到煤矸石混合料的吸水率。煤矸石混合料的平均吸水率为5.20%，吸水率较小，说明其结构形式较好，颗粒内部孔隙率大，透水性好，适合作为公路路基排水层填料。

二、煤矸石混合料配合比设计

煤矸石混合料以煤矸石为粗骨料，剔除其中粒径大于31.5mm的粗骨料，然后利用乳化沥青黏合煤矸石，故煤矸石混合料的强度主要来源于乳化沥青之间的的黏合力和煤矸石粗骨料之间的咬合力，煤矸石混合料的配合比设计主要包括级配确定及最佳含水率确定等。

（一）级配值的确定

筛分试验可以得到煤矸石混合料的级配值如表1所示，同时可知煤矸石混合料的不均匀系数与曲率系数，试验结果表明，煤矸石混合料的级配较好，颗粒间空隙较少，适合公路路基填筑。

表1 煤矸石混合料的级配值

（二）最佳含水量

水是影响煤矸石混合料特性的重要因素之一。含水量过低，乳化沥青的作用不能完全发挥，颗粒之间的黏结效果降低，煤矸石混合填料难以压实；含水量过多，则会出现乳化沥青流失的现象，此时煤矸石混合料主要通过颗粒之间的咬合来抵抗变形，抗剪强度降低。

因此，有必要通过室内拌和试验确定煤矸石混合料的最优含水量。同时，通过不同含水量下煤矸石混合料的室内击实试验可以得知，最优含水量为7%，最大干密度为2.04g/cm3。

三、煤矸石混合料的路用性能

在取料场采集煤矸石混合料后，通过劈裂试验和无侧限抗压强度试验，研究煤矸石混合料在公路路基工程中的路用性能。

（一）劈裂试验

煤矸石混合料劈裂试验是通过在煤矸石混合料圆柱形试样的横向施加一组大小相同、方向相反的线性荷载，试件破坏时的荷载值即劈裂强度，煤矸石混合料的劈裂强度严重影响着公路路基的耐久性。根据《公路沥青路面设计规程》（JTG D50-2006），设置3组煤矸石混合料，养护60天后通过劈裂试验，得到煤矸石混合料劈裂强度结果。

根据有关规范可知，公路路基基层填料的劈裂强度不应低于0.40MPa，劈裂试验显示，煤矸石混合料的劈裂强度为0.58MPa，满足规范要求。

（二）无侧限抗压强度试验

在公路运营期，公路承受的主要荷载为车辆动荷载，这就对公路路基的强度、刚度及稳定性有较高的要求。公路路基的主要受力形式和无侧限抗压强度试验类似，因此，可通过无侧限抗压强度对煤矸石混合料路基进行质量控制。试验时，将最优含水量条件下的煤矸石混合料养护6天、浸泡1天后开始试验，并计算出煤矸石混合料的抗压强度。

计算结果显示，煤矸石混合料的无侧限抗压强度为1.35MPa，能够满足规范中关于公路路基材料抗压强度的要求。