煤矸石在道路沥青路面底基层的利用★

王 朝，田荣燕，王松锋，杜咏峥，李毅杰

(西藏大学工学院,西藏 拉萨 850000)

0 引言

煤矸石为煤质沉积岩,化学组成成分主要为SiO2和Al2O3,还含有少量的CaO,Fe2O3,MgO,TiO2,K2O,P2O5,Na2O,矿物成分以黏土类、石英、碳酸盐类为主,主要有高岭土、伊利石、蒙脱石、白云石、硫化铁、炭质以及少量的稀有金属物等。我国目前发电以及工业生产中,煤炭依旧作为主要能源,占比达到70%以上。并且我国目前依靠煤炭发电的现状,在以后几十年有较大概率会维持下去。煤矸石是与煤伴生的一种岩石,在煤的开采与加工洗选过程中逐渐被分离出来,而成为一种废弃物,在煤矿中大量存在。西藏地区累积堆存尾矿量已超过6×104t,云南、四川等省已开始对尾矿进行二次开发。西南地区采煤过程中形成的煤矸石堆存量约90 000×104t,在矿坑附近堆积成山,占压大量土地面积,暴雨季节易形成滑坡、泥石流地质灾害,污染矿山周边河湖水系。我国每年对煤矸石的利用率不足30%,如在焦煤洗选过程中,1×108t可排放出约2 000×104t,而1亿t动力煤可排放出约1 500×104t煤矸石。且每年对煤矸石山的修整都投入大量资金,也对煤矸石的废物利用十分重视,探索煤矸石的利用以及大量消耗煤矸石储量,都成为一个重要话题。

1 国内外研究现状

1.1 国内研究现状

中国对煤矸石应用于基层的研究始于20世纪80年代,起初主要作为路基的填料并进行加固[1]。长安大学曾采用石灰、煤矸石与土混合用于道路基层,充分发挥了煤矸石的优良性能。同时,刘元泉、胡益众依托于平顶山至临汝高速公路工程,将煤矸石用于填筑高速公路路基,进而研究煤矸石的材质特性、路基填料以及施工等方面内容,证明煤矸石符合路基的一般要求。刘春荣、宋宏伟等从煤矸石的基本物理力学性质角度,探讨了关于煤矸石在路基填筑应用的主要问题,如:煤矸石的拌和、摊铺及压实的质量控制问题,最终认为煤矸石是一种良好的筑路材料;根据煤矸石自身特点,提出了一种煤矸石作为筑路材料时压实度的检测方法,并将煤矸石成功应用于徐丰公路(S239)庞庄矿区段;狄升贯以青兰高速实体工程为依托,以河北邯郸矿区的煤矸石为研究对象,通过国内外调研、室内试验及现场试验段,深入研究了煤矸石用于高速公路路基的室内试验方法、工程力学特性、施工现场质量控制及路用性能;王贵林研究水泥稳定煤矸石混合料的合理配合比,并进行7 d无侧限抗压强度试验,表面采用较高水泥剂量可满足低等级公路要求;但煤石又是重要的资源,可综合利用[2]。表1为国内实际工程示例。

表1 国内煤矸石实际应用

1.2 国外研究现状

煤矸石在发达国家中综合利用率都已达到 40%以上,甚至部分国家的利用率更是高达 60%～80%,英国现有煤矸石的堆积量大约为16×108t,但煤矸石年利用量仅为600×104t～700×104t,处理方式仅是将煤矸石用于公路路堤、水利工程堤坝及其他土建工程,如:采用相关技术将煤矸石应用到混凝土中,且成品具有较高的强度;或按一定比例将煤矸石与集料、结合料搅拌制成混合料,应用于路面材料,做成具有较好防滑效果的路面。 二十世纪七八十年代,美国通过试验研究发现,在道路基层使用粉煤灰煤矸石混合料,无论技术方面,还是环境方面,都是可行的,而且在应用于道路底基层也取得了成功。目前对尾矿综合利用较好的是美国,美国尚有300余座煤矸石山,现存煤矸石量达到2.7×108t。利用“红矸石”作为路基材料,也利用煤矸石生产轻骨料、空心砌块、建筑用砖等材料,甚至于生产水泥。表2为国外实际工程。

表2 国外煤矸石实际应用

1.3 研究方向

通过JTG D30—2015公路路基设计规范和JTG T3610—2019公路路基施工技术规范等相关规范对煤矸石混合料进行路用性能探究来进行[3-4],文章主要以无侧限抗压强度、抗冻性能试验、抗冲刷性能试验为主来探究五种不同配比下的煤矸石应用到道路基层的性能,通过测量其质量损失率和抗压强度等系数来对比五种配合比的性能,其次再从社会与经济效益方面来进行参照分析。

2 试块配合比设计与制作

道路底基层设计需满足力学性能、水稳性能和强度等的要求,因此本研究采用水泥石灰粉煤灰稳定煤矸石碎石混合料来制作试块。将煤矸石与天然矿石进行替换,设计五种不同的配合比[5-6],因此确定较为合理的道路底基层设计。

2.1 试块配合比设计

依据JTG-E51—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程相关规范要求,进行无侧限抗压强度等试验的试块均采用D=150 mm,h=150 mm的试模进行制作,再按照T0845—2009无机结合料稳定材料养生试验方法进行7 d标准养护之后,再进行试验。抗冻性能试验所需的试块则进行28 d养护,采取5次冻融循环,温度范围-20 ℃～20 ℃。无侧限抗压强度试验使用万能试验机,加载速率控制在1 mm/min。5种配合比设计如表3所示。

表3 5种三灰稳定煤矸石混合料配合比 %

2.2 试块制作及养护

按照表3中的5种配合比进行试件制作,都以12.2%的最佳含水率和1.68 g/cm-3干密度来制作试块,采用图1中模具静压成型后,再放置于温度为(20±2)℃,相对湿度为95%的环境中进行养护,中间利用图2脱模装置对试块进行脱模,养护完成后以待后期使用[7]。

3 试验及分析

3.1 无侧限抗压强度试验及结果分析

利用万能试验机(如图3所示)对7 d养护龄期的试件进行无侧限抗压强度试验。将煤矸石应用于道路底基层,工况满足JTG F20T—2015公路路面基层施工技术规范中的高速公路和一级公路的要求,使用工业废渣稳定材料的石灰粉煤灰,7 d养护龄期无侧限抗压强度标准Rd在极重、特重交通条件下不小于0.8 MPa,且要满足各种荷载及反复荷载下的力学要求。无侧限抗压强度根据式(1)进行计算:

(1)

无侧限抗压强度试验结果见表4。

表4 石灰粉煤灰稳定材料7 d养护龄期无侧限抗压强度Rc

从表4结果可看出5种配合比的混合料试件7 d无侧限抗压强度均可满足JTG F20T—2015公路路面基层施工技术规范要求。在水泥、石灰和粉煤灰含量不变的情况下,随煤矸石的含量不断增多,试件的无侧限抗压强度值也在不断增长,达到峰值后,抗压强度开始下降。从试件7 d无侧限抗压强度值来看,初步推荐配合比为m(水泥)∶m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(煤矸石)∶m(碎石)=2∶10∶38∶35∶15。

3.2 冻融抗压性能试验及结果分析

西藏地区多为冻土地区,若地基抗冻性能较差,会引起道路路面开裂,严重影响通行及行车安全。将28 d养护龄期的试块分为两组:一组为冻融试验组;一组为空白对照组。为准确反映西藏高海拔地区道路的实际服役温度,在G109国道唐古拉山段埋设温湿度传感器,埋深深度及实测温度的平均值如表5所示,参照道路实测温度,将试验组试件放入-16 ℃恒温冰箱保持冰冻16 h,然后取出放入温度为20 ℃的恒温水槽中融化8 h,冻融循环5次后进行抗压强度试验。空白对照组不进行冻融循环,直接进行抗压试验,获取试件破坏时的抗压强度。将冻融前后的强度比作为试件冻融抗压性能的衡量指标,强度比根据式(2)进行计算:

(2)

表5 道路实测平均温度

其中,fm为5次冻融循环后的残留;fm1为未经冻融试件的饱水抗压强度平均值,MPa;fm2为经5次冻融循环后的试件饱水抗压强度平均值,MPa。

依据JTG D50—2017公路沥青路面设计规范有关规定,要求重冻区底基层混合料残留抗压强度不小于70%。由表6可明显看出5种配合比的试件冻融残留抗压强度均满足规范要求,试验结果显示,随着煤矸石含量增多,试件冻融循环后的残留抗压强度总体上呈上升趋势。煤矸石加入后,试块孔隙填充充足,整体黏聚性增强,煤矸石的含量影响到试件整体的抗冻性能。比较5种三灰稳定煤矸石混合料的抗冻性能,发现E>D>B>C>A。

表6 三灰稳定煤矸石混合料残留抗压强度比

3.3 抗冲刷性能试验及结果分析

在道路服役环境中,表面水可能会通过各种方式进入路面内部结构层,若结构层内的水不能及时排出,则会在结合料颗粒界面之间流动,降低颗粒之间的嵌挤力,从而破坏路面结构。如若遇到行车荷载,进入结构层内的水会产生极大的动水压力,形成动积水,对路面底基层产生冲刷作用,破坏路面底基层结构。因此,抗冲刷性能也可作为底基层路用性能的衡量指标。

在频率为60 Hz的震动台上安装一个480 mm×350 mm×250 mm的塑料容器,容器顶部安装一个反力支架来固定试件,利用震动台使容器内的水产生水动力。试验装置示意图如图4所示。将5种配合比的试件放置于水池中浸泡48 h,得出试件饱水质量,分别对其进行5个阶段的冲刷试验,获取累积冲刷量,式(3)中累积冲刷量与饱水质量的比值Em衡量试件的抗冲刷性能。

(3)

其中,Em为累积冲刷量与饱水质量的比值;m1为试件冲刷掉质量之和,g;m0为试件总质量,g。

冲刷结果如表7所示,图5为累积冲刷率。

表7 冲刷试验结果

实际试验过程中,发现试块即使达到压力最大值,试块整体性还是较为完好,且冲刷量随着时间的增加而减少,逐级趋于平缓变化。煤矸石量增加后,试块整体黏聚力增强,试块冲刷量较低。由图5可看出5种配合比下的试块冲刷率变化并不是线性,其中E组效果较好,其抗冲刷能力也比较好,后期逐渐趋于平稳,冲刷率变化幅度变小。

4 结论及展望

4.1 结论

将煤矸石替换天然碎石应用于路基底基层,设计了5种材料配合比,经抗压强度试验、冻融抗压强度比试验、冲刷试验,对底基层材料性能进行了全面研究,得出以下结论:

1)将煤矸石添加至路基材料中,可以提高路基材料的抗压强度,保持水泥、石灰和粉煤灰的质量不变,煤矸石含量(质量分数)在25%到35%时,抗压强度逐渐增强,但之后再继续增加煤矸石的含量,路基材料抗压强度会下降,煤矸石含量(质量分数)相对在35%左右时,路基材料抗压强度最大。

2)5组不同配合比制作的试块,整体抗压强度高于标准规范要求,其中煤矸石含量稍多于碎石含量时,在无侧限抗压强度、冻融抗压强度及抗冲刷等方面效果最佳。综合比较试验结果,推荐配合比为m(水泥)∶m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(煤矸石)∶m(碎石)=2∶10∶38∶35∶15。

3)将煤矸石应用于底基层材料中,可以提高试块内部黏聚力,具体表现在抗压试验完成后,试块的整体性较好,并没有完全开裂,即便在水流冲击下,试块整体性依旧良好。

4.2 展望

我国西南地区在开采矿产资源时,极易形成大量煤矸石、废石、煤灰渣等固体废弃物,不仅容易引发当地矿山地质灾害,且对矿产资源造成了极大的浪费。我国目前对煤矸石利用率不高,伴随经济的发展,煤炭用量不断增加,致使煤矸石的产量也在不断增加。据不完全统计,截至2022年,中国煤矸石储量已超60×108t,且每年新增量超5×108t。产出量巨大,但无法消耗,导致多数煤矸石堆积起来,无法被有效利用,形成了一座座煤矸石山,侵占了土地资源,极大地破坏了环境。将煤矸石应用于道路底基层,不仅替换了原有道路底基层的天然砾石,且极大地消耗了煤矸石储量。

减少环境污染:煤矸石主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、固定碳,含有少量钾、钙、镁等金属元素以及氮、磷、硫等非金属元素。煤矸石堆积较多,会发生自燃现象,导致部分煤矸石排放出一定量的二氧化硫、氮氧以及一氧化碳等有毒气体。煤矸石的风化流失,可能会污染空气,自然风化会导致露天存放的煤矸石破碎为细小颗粒,从而进入土壤和空气,引起土壤污染和扬尘,危害人民健康。另外,部分煤矸石中的金属元素会随降雨渗透进入地下,污染地下水。将煤矸石用于填充路基,可以为公路工程建设提供廉价的原材料,且用量极其巨大,既解决了环境污染,又改善了人民的生活质量。

减少占地空间:2023年我国人均耕地面积仅为933.338 m2,位居世界第113位,并且还要坚持12×1011m2耕地红线,再加上人口数量的不断增长,致使土地资源无比珍贵。将煤矸石应用于道路底基层,可消耗一定储量的煤矸石,节约出一定的土地资源,应用于耕地或其他用途,造福人民。

目前应用于路基的碎石价格为450元/t,而煤矸石的价格仅为50元/t,将煤矸石替换碎石填充于路基中,一方面极大地缩减了公路建设成本;另一方面也解决了煤矸石露天堆积的环境污染问题,减少环境治理的资金投入。