煤矸石-黄土混合料配比对工程力学性能的影响研究

刘晓飞 耿 楠 秦 政

（1.山西铁道职业技术学院交通工程系，山西 太原 030013；2.山西金信清洁引导投资有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

在煤炭洗选和加工过程中不可避免会产生一些固体废物煤矸石，在我国，煤矸石约占煤炭总产量的8%~20%[1]。矸石往往都未经处理直接堆积在矿区周围，这不仅占用了大量的土地面积，而且长期露天堆存的矸石山因堆积量大，散热困难，容易发生自燃，产生SO2、NOx、CO 等有害气体，造成空气污染。所以，研究大规模利用煤矸石的方法显得尤为重要。本文通过试验，探讨用作路基填筑料的煤矸石-黄土混合料的配比对工程特性的影响，为煤矸石的有效利用提供参考。

1 原材料

1.1 原材料选取

本文中煤矸石样本是采自晋城凤凰山煤矿，属于未燃炭质页岩煤矸石，其结构呈片状，颜色呈灰色或灰黑色，易粉碎。凤凰山煤矸石的化学成分主要为SiO2和Al2O3，其成分占比60%以上。晋城地区的煤矸石是一种典型的碱性矿渣，活性化合物含量（SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO）超过了70%。

1.2 原材料表征方法

首先对选取的晋城地区3 个不同地方的煤矸石（编号分别为3#、9#、15#）进行化学分析，然后通过X-射线衍射分析仪对煤矸石的矿物相性进行定量分析，其化学成分分析见表1。

表1 晋城地区不同编号煤矸石的化学成分（单位:%）

1.3 原材料表征结果

1.3.1 原材料化学分析结果

由表1 可以看出，晋城地区的煤矸石主要化学成分为SiO2和Al2O3，占60%以上，其次为Fe2O3，占比2%~10%不等，由此可见，煤矸石有70%以上的成分是活性化合物，是一种典型的碱性矿渣。从表1 中还可以看出晋城地区煤矸石的烧失量都比较高且都大于20%。而煤矸石烧失量过大的话，留下的部分和还有一些有机质含量会在燃烧或者氧化的条件下发生分解反应，反应后煤矸石的密度和结构组成也可能随之改变，这就容易使得路基结构发生变形，承载能力有所下降，所以要将填筑路基的煤矸石烧失量降下去。本文针对晋城煤矸石烧失量偏高的问题，采取与黄土混合使用的方案来解决问题。

1.3.2 原材料物相分析结果

对晋城地区的3#、9#和15#煤矸石进行矿物利用X-射线衍射分析仪进行成分分析，3 种煤矸石主要物相为：高岭石、石英、黄铁矿、方解石、微斜长石。其中3种煤矸石的高岭石和石英的总含量分别为59.3%、64.8%和63.7%，均超过了50%。并且晋城地区的煤矸石中没有蒙脱石，所以晋城地区煤矸石在经过压实后并不会发生过大的裂解和膨胀性能。

2 混合材料配比对工程性能的影响分析

2.1 混合料配合比设计

为获取工程性能最优的混合料，确定合理的黄土与煤矸石的混合比，本文设计了5 组不同比例混合材料，黄土与煤矸石比例分别为4∶6、3∶7、2∶8、1∶9、0∶10。分别对应试样A、B、C、D、E。

2.2 混合料表征方法

2.2.1 混合料直剪试验

为了测定煤矸石-黄土混合料的抗剪程度，对其进行了抗剪试验。本次试验仪器缺少大型直接剪切仪，但是混合料中煤矸石的部分粒径超过了普通剪切仪的最大允许值。在现有条件下，只能获取有一定参考价值的试验结果。在保证混合料中煤矸石的总质量不变的前提下，本次试验采用等量替代法对混合料进行缩尺处理，对部分超出粒径的颗粒采用相同质量且符合粒径要求的煤矸石颗粒替代。基于煤矸石的黏聚力都比较小的特点，本次直剪试验参照《公路土工试验章程》（JTG E40-2007）T0143-1993 砂类土的直剪试验。根据不同的含水率，横向对比不同比例的混合料的抗剪强度。测量了不同比例煤矸石-黄土混合料的内摩擦角和粘聚力。测试仪器采用ZJ 型应变控制式直剪仪，如图1所示。

图1 应变控制式直剪仪

2.2.2 混合料承载能力试验

要想使公路路面的强度和稳定性更加可靠，则公路的承载能力一定要达到相关指标。美国加州公路局提出了加州承载比这一概念，它是表征路基路面结构承载能力的指标，取产生相同压入变形时路基所承受的单位压力与标准碎石所承受的单位压力之比。所以为了确保煤矸石-黄土混合料路基的施工质量，使其稳定性更可靠，应对煤矸石-黄土混合料的加州承载比进行测试。

（1）制备试件。事先测得混合料的风干含水量，紧接着对混合料进行均匀洒水，以便使其含水率最接近最优含水率，同时密封浸润备用。试件击实标准参照重型击实试验标准进行分层击实，按照最佳含水率的标准，将每个试样制备3 个试件，用以进行承载比试验。试件制作完成以后，需称量试筒和试件的总质量，并做好记录。

（2）泡水膨胀。将带有调节杆的多孔板装配在试件的最上面，然后放上4 个荷载板，用拉杆扯紧模具并安装上百分表。之后把试件放在水槽里，水面盖过试件约25cm，浸泡静置96h。浸泡结束后根据百分表的读数得出试件在浸泡后的膨胀量。接下来将试件取出静置15min 后测得试件重量，并用来计算湿度与密度的变化。

（3）贯入试验。将静置后的试件放在万能压力试验机的升降台，把4 块荷载板放置在贯入杆四周，并在上面施加45N 荷载。然后将百分表调整到整数，将最开始的读数记录下来。然后缓缓升高荷载，贯入杆保持在1~1.25mm/min 的速度压入试件，同时做好数据记录整理工作。

3 试验结果分析

3.1 混合料直剪试验结果

内摩擦角大小取决于土粒间的摩阻力，内摩擦角反映了土的摩阻性质。直剪试验的结果见表2。由表2分析可知：

表2 煤矸石-黄土混合料抗剪强度

（1）内摩擦角：随着煤矸石含量的增加，不同比例的混合料的内摩擦角逐渐增大；

（2）黏聚力：随着煤矸石含量的增加，不同比例混合料的黏聚力先增大，在比例为2∶8 时达到最大值后下降。

总体而言，随着煤矸石含量的增加，试样的抗剪强度逐渐增强，当黄土与煤矸石比例达到2∶8 时，抗剪强度达到最佳。

3.2 混合料承载能力试验结果

计算贯入量为2.5mm 时的单位压力与标准压力的比值作为材料的承载比，按式（1）计算。

贯入量为5mm时的承载比，按式（2）计算。

当贯入量为5mm 时的CBR 值大于贯入量2.5mm时的CBR值时，故应采用前者的CBR值。

表3 为本次试验测得的不同试样湿密度、吸水量、膨胀量、CBR统计结果。

表3 不同煤矸石-黄土混合料加载承载比试验结果

根据表3分析可以得到如下结果：

（1）湿密度。经过四昼夜浸泡后的试样，随着煤矸石含量的增加，湿密度呈现出先增大后减小的趋势。

（2）膨胀量。试样经过四昼夜的浸泡，除了黄土与煤矸石比例为4∶6 时的试样有微乎其微的膨胀之外，其他试件都未发生膨胀。

（3）承载比。不同比例的黄土与煤矸石混合材料的承载比，随着煤矸石含量的增加，试样的承载比先增大后减小，当黄土与煤矸石的比例为2∶8 时，得到的承载比最大，满足路基回填材料最小强度要求。

4 结束语

本文通过对煤矸石黄土路基混合料的配合比设计、物理力学性能、承载力性能的分析，通过击实试验、渗透性试验、直剪试验以及承载比(CBR)试验，研究了不同比例的黄土与煤矸石的混合料在压实特性、承载能力特性等方面的表现，根据试验结果得到如下结论：

（1）对5 种不同比例试样进行室内承载比试验，测得的承载比数值分别为7.3%、7.6%、8.5%、7.7% 和8.4%，在黄土与煤矸石比例为2∶8 时，加州承载比达到最大值。

（2）综合承载能力和动力强度特性，可以看出：当黄土与煤矸石比例为2∶8 时，可使得各项指标满足规范要求。此时可认为煤矸石∶黄土=8∶2 时组成的煤矸石-黄土混合料能够用作路基回填土。