煤矸石作为道路基层材料的试验研究

胡兆胜，张 鑫

(中化环境科技工程有限公司 北京分公司，北京 100070)

我国是全球煤炭开采量和使用量最大的国家，2018年我国煤炭产量占全球煤炭总产量的46.7%，煤炭消费量占全球煤炭消费量的50.5%[1]。煤炭在我国能源结构中也占有极大的比例，根据国家统计局数据显示，2018年我国煤炭消费总量占能源消费总量的59%。2018年我国煤矸石产量为3.5亿t，综合利用率为53.7%。煤矸石累计堆放量约45～50亿t，规模较大的煤矸石山约2 600座。煤矸石已成为我国排放量最大的工业废物，约占我国工业固体废物的1/4。煤矸石具有经济的两面性，一方面煤矸石会对环境造成污染，另一方面也是一种可以利用的资源。美国等西方发达国家的煤矸石综合利用率已达到90%以上，而我国目前的综合利用率仅略高于50%。我国煤矸石主要用于煤矸石发电(56%)、生产建材(32%)以及土地复垦、回填等(12%)，加快煤矸石的资源化综合利用是我国以煤为主的能源结构的必然选择[2]。

1 煤矸石的定义及分类

煤矸石是一种与煤层共生的灰黑色岩石[3]，其含碳量比普通煤炭低，但硬度高于煤炭，一般情况下，砂岩含量高的硬度在4～5，而页岩含量高的硬度在2～3。煤矸石被归为沉积岩类，是因为它是由多种矿物构成的混合物[4]。

煤矸石是煤矿在建设和原煤开采、洗选过程中产生的，主要包括煤层之中的岩石夹层，煤层顶板、底板，矿井掘进及原煤洗选过程中排出的岩石。一般情况下，其产生量占原煤产量的10%～20%[5-8]。

煤矸石一般是干基灰分大于50%的岩石[9]，主要成分是Al2O3、SiO2以及少量的MgO、Na2O、Fe2O3、CaO、K2O、SO3、P2O5和稀有元素等微量成分[10]。

关于煤矸石的分类命名，目前国内外至今尚无系统、完整和统一的方案，多是不同研究者根据某些特征提出自己的分类标准。对煤矸石的分类和命名不仅是煤矸石综合利用的基础工作，也是一项综合性较强的工作。目前常见的分类依据有来源、自然存在状态、分级分类法以及利用途径分类法。

根据煤矸石的产出方式即来源可以将煤矸石分为洗矸、手选矸、煤巷矸、岩巷矸和剥离矸。其中洗矸和手选矸是选煤过程中产生的矸石，煤巷矸是采煤巷道产生的矸石，岩巷矸和剥离矸是掘进排出的矸石。各类矸石所占比例见表1。

表1 煤矸石比例

根据自然存在状态可将煤矸石分为新鲜矸石(风化矸石)和自燃矸石两类，这两种矸石在内部结构上有很大的区别，因而其胶凝活性差异很大。

煤矸石分级分类法，以上方法对煤矸石进行分类只能反映煤矸石某一方面的特性，不利于煤矸石的综合作用。欧洲各主要产煤国以及美国、澳大利亚等国对煤矸石的综合利用进行了大量的研究，提出过多种分类方案，其中以前苏联的研究最具代表意义。他们按煤矸石的来源、特点、成分等不同指标分等级列出分类符号，然后根据各种利用途径对煤矸石质量的要求，填入所需的分类符号。根据分类符号所规定的质量要求，可以方便地选择煤矸石的加工工艺和综合利用途径。

根据煤矸石主要利用途径，一是作为原料，二是利用其热值，结合煤矸石的矿物组成和碳含量，对煤矸石进行了分类。

2 煤矸石在道路基层材料中应用现状

在煤矸石的综合利用途径中，国内外将煤矸石作为一种工程充填材料，广泛用于道路路堤及挡土墙、水利工程堤顼、工民建地基垫层等众多的土木工程领域，这些已成为消耗煤矸石的主要途径。近年来，我国交通事业的快速发展，道路的大规模兴建，对道路基层材料的需求量越来越大；另一方面，我国对煤矸石的利用率还比较低，因此煤矸石作为道路基层材料具有广阔的利用前景。这样既解决道路征地取土的难题，同时又能大量消耗煤矸石，还将会产生巨大的经济、环境和社会效益。虽然我国在1970年左右已对煤矸石的综合利用展开了研究，但目前没有相应的技术规范或标准。而且煤矸石的各项性能也会随产地的不同存在差异，各煤矿对各自产出的煤矸石特性研究不够，这些都严重限制了煤矸石的大规模应用。

目前，在发达国家，将煤矸石作为一种资源进行综合利用，不但提高了煤炭企业的经济效益，还更好的保护了环境，取得了良好的经济、社会效益。此外，一些国家还研究了综合利用过程中的相关技术、工艺和设备，并制订了相关的技术标准。例如，英国按照一定的比例将自燃矸石和土矿物混合做成混合料，制成简易的防滑路面；或将某些已经燃烧过的煤矸石破碎筛分后作为骨料用于生产低强度等级的混凝土和预混凝土砌块等，仅此一项每年消耗的煤矸石可到达40～50 万t。美国据不同的煤矸石种类制定了煤矸石综合利用的系统规划。利用燃烧过的煤矸石作为道路的工程材料，是目前煤矸石主要的利用途径[11]。

3 水泥稳定煤矸石料试验

此次研究选取宁夏灵武某选煤厂煤矸石进行试验。从煤矸石原料中选取大块煤矸石样品，并将大块煤矸石样品破碎成0～16 mm和0～26.5 mm 2种粒径的骨料。对破碎后的煤矸石进行筛分，得到2种煤矸石骨料中各个粒级产率。根据JTG/TF20-2015《公路路面基层施工技术细则》标准的要求设计煤矸石骨料级配，将0～16 mm和0～26.5 mm 2种不同级配煤矸石按照4∶6的掺配比例，配制成连续级配煤矸石骨料，级配设计见表2。

表2 煤矸石骨料级配比例

参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，按表2中煤矸石级配比例，对不同水泥掺量的煤矸石混合料进行试验，试验方案见表3。根据击实试验结果，确定最佳含水率及最大干密度，并进行试件成型、养生以及7 d无侧限抗压强度测试。

表3 水泥稳定煤矸石料试验方案

4 试验结果分析

4.1 煤矸石物理性质试验结果

对煤矸石的压碎值、吸水率、耐崩解性和烧失量等物理性质进行了测定，数值列于表4，煤矸石耐崩解性能较差。试验过程发现泡水10 min后有些煤矸石开始分层开裂，有些开裂严重不能从水中完整取出，稍施加外力便呈粉碎状。

表4 煤矸石物理性质

通过试验可发现，该煤矸石为层状结构，破碎后粒型不圆润，针片状较多。该煤矸石不易吸水，吸水率为6.6%，但短时间泡水后自身会发生层状开裂，甚至呈粉碎状，耐崩解性能差。

根据JTJ 034-2000公路路面基层施工技术规范的规定，煤矸石压碎值26.3%，满足水泥稳定土中碎石或砾石作为道路基层和底基层的要求。

4.2 水泥稳定煤矸石试验结果

按照表3中2组配比，对其混合料进行击实试验，每组配比试验5次，确定最佳含水率和最大干密度。试验结果表明，C-1的最大干密度为2.089 9 g/cm3，最佳含水率为5.2%，C-2的最大干密度为2.087 6 g/cm3，最佳含水率为5.4%。

根据击实试验的最佳含水率与最大干密度试验(表5)，计算所需要的原料量，进行试件的制备，每组配比制作6个试件，在标准养护室养生6 d，泡水1 d后进行无侧限抗压强度试验，强度试验结果列于表6。

表5 煤矸石击实试验结果

表6 煤矸石无侧限抗压强度试验结果

试验结果表明，煤矸石C-1、C-2组7 d无侧限抗压强度为1.5 MPa。依据JTJ 034-2000公路路面基层施工技术规范的规定，此次试验结果处于规范中水泥稳定土作为底基层的低限值。规范中限值如表7所示。

表7 水泥稳定土的抗压强度标准

规范中规定二级以下公路可取低限值；行驶重载车辆的公路，应取较高的值；二级公路可取中值；行驶重载车辆的二级公路应取高限值。按照此规定，对比此次试验结果，显示该煤矸石作为道路基层或者底基层材料可满足底基层的最低要求。

试验发现，煤矸石试件压裂后顺着裂纹，可以将试件外层大面积剥落。观察压坏试件的内部结构，可以发现煤矸石试件内部结构较疏松，大粒径骨料自身呈层状开裂状态，断面光滑。可见煤矸石本身层状结构，耐水性能差，泡水后易分层开裂、粉碎，无法抵抗外界较大作用力，是其强度低的主要原因。

5 结 语

5.1 结 论

通过对该煤矸石物理性质实验检测与水泥稳定煤矸石路基材料试验，可得出此次选取煤矸石满足相关规范中作为道路底基层材料的最低要求。

此次试验选用的煤矸石由于其本身为层状结构，耐水性能差，泡水后易分层开裂，导致煤矸石试件抗压强度较低。

5.2 建 议

此类煤矸石由于自身性质，导致仅能满足规范最低要求，不利于工程推广。国外以及国内众多研究表明，部分煤矸石已经应用于道路基层材料中，且已经拥有应用案例。本次研究与国内外其他相关研究及案例表明，煤矸石有较大一部分是可以作为道路基层材料或者其他建筑材料应用，为了提高国内煤矸石综合利用率，有以下几点建议。

国内煤矸石种类繁多，需建立相应的分类标准，可通过此分类标准判定适用于作为道路基层材料的煤矸石。

国内缺乏相关标准规范作为煤矸石应用于道路基层材料的依据，应加快推进相关标准规范的建立。