油頁巖廢渣的路用性能研究

趙瑞卿

摘要：文章為了研究油頁巖廢渣在路基工程中的可用性，在油頁巖廢渣中摻入不同比例的黏土，分別進行壓實特性、CBR承載比、回彈模量試驗。試驗結果表明：（1）擊實試驗中，隨著在油頁巖廢渣中黏土摻量的增加，改良土的最大干密度增加，且黏土對油頁巖廢渣之間的空隙進行了有效填充;（2）壓實度為定值時，摻入黏土的油頁巖廢渣改良土的CBR值隨著黏土摻量的增長而增長;（3）摻入黏土的油頁巖廢渣改良土的回彈模量隨著黏土摻量的增加而增大。

關鍵詞：油頁巖廢渣;路用性能;擊實試驗;CBR承載比;回彈模量

0 引言

油頁巖屬于可燃沉積巖的一種，同時是非常重要的非常規(guī)油氣資源。該資源不僅儲量大，而且開發(fā)性很強，在21世紀逐漸成為重要的替代能源。由于目前對油頁巖的大規(guī)模開采，造成一種油頁巖廢渣消耗量遠小于產出規(guī)模的不平衡現(xiàn)象[1]。

油頁巖是一種非常重要的礦產資源，不僅可用于提煉燃料，而且可以直接燃燒從而進行火力發(fā)電。油頁巖經過提取干餾過程或者焚燒后所剩下的物質就是油頁巖廢渣[2]。油頁巖廢渣同時包括在其開采過程中脫落的圍巖。隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展和深入，能源需求不斷增加，油頁巖開采也不斷增加，從而導致油頁巖廢渣也越來越多[3]。油頁巖廢渣當前的消耗途徑主要是用于制作建筑材料，但是經濟效益不高，所產生的附加價值太低。另一種是利用油頁巖提取化學元素，但是仍未解決提取后剩下的油頁巖廢渣的處理問題，未能從廢渣中提取出的大量對人體有毒、對環(huán)境有害的物質會隨著廢渣風化的過程逐漸進入周圍的土壤，對環(huán)境造成污染，使堆積場地附近的土地酸化毒化，降低土壤的可利用價值，最終危害到居民的身體健康[4]。

為了奉行可持續(xù)發(fā)展的根基理念，達到經濟發(fā)展與環(huán)境保護協(xié)調共生，如何合理有效地利用油頁巖廢渣，化廢為寶，是一個亟待解決的問題[5]。在公路路面和路基建設過程中需要大量的巖石碎渣，將油頁巖廢渣應用于上述工程中，在緩解路基建筑材料緊張稀缺的同時也可以解決部分油頁巖廢渣的后期處理問題，這樣不僅可以創(chuàng)造一定的經濟效益，而且可以使油頁巖廢渣得到充分有效的利用[6]。

為了研究油頁巖廢渣在路基路面工程中是否能夠得到有效利用，發(fā)揮其經濟價值，本文在油頁巖廢渣中摻入不同比例的黏土，進而研究其路用性能（下文中將油頁巖廢渣路基填土稱為改良土）[7]。

1 工程概況

本次試驗研究對象為我國北部某地區(qū)二級公路某路段，路段全長近1 000 m。該路段以較少的投資和造價修建盡可能寬敞筆直的路面，且自然環(huán)境較好，要求路面等級較高和通行能力較強。

本次采用的是產自某電廠的油頁巖廢渣，其具有頁巖的薄片層狀節(jié)理結構，其巖心處大多呈片理狀結構，片狀顆粒含量較多，松散無結塊，通常在干燥或受外力情況下沿片狀產生破裂。該油頁巖廢渣水分含量高，狀態(tài)較為潮濕，具有較大的天然含水率。將提取過頁巖油和火力發(fā)電后產生的油頁巖廢渣回收利用，作為公路建設中的路基填料。前期對油頁巖廢渣單質材料的化學、物理及力學性能進行了測試，由測試結果可知其具有以下特點：

（1）顆粒形貌均呈粒狀，表面粗糙度高，粒徑較小。

（2）材料的粗料密度與普通石料密度接近，吸水率均較高，油頁巖電廠渣無膨脹性。

（3）對比普通碎石，油頁巖電廠渣壓碎值試驗結果均較大，其強度較低。

將油頁巖廢渣作為路基改良土，其路用性能是否滿足路用填料各項標準值得考究。因此，為緩解路基建筑材料緊張稀缺的同時解決部分油頁巖廢渣的后期處理問題，本次試驗對改良土壓實特性、CBR承載比、回彈模量展開研究，對提升公路工程建設經濟效益及環(huán)境保護具有重要的意義。

2 試驗流程及結果分析

道路路基填土材料必須滿足相應的路用性能要求，因此對油頁巖進行摻雜不同百分比的黏土進行壓實特性試驗、CBR承載比測定試驗、回彈模量測定試驗[8-9]。

2.1 改良土壓實特性試驗

路基填土材料在經過壓實后可獲得一定的密實度，從而使路基達到穩(wěn)定性和強度的要求。由于油頁巖廢渣不能單獨作為路基填土材料，因此，本文分別將15%、25%、35%、45%的黏土摻入油頁巖廢渣中進行壓實試驗，分別測試其最大干密度和最佳含水率。

通過擊實試驗得出測試結果如表1所示。

由以上數(shù)據(jù)可知：改良土的最大干密度隨著黏土摻量的增加而增加。說明本批次試驗所用的油頁巖廢渣顆粒較大，在和黏土混合后，隨著擊實試驗過程的進行，黏土對油頁巖廢渣間的空隙進行填充。同時也可從上述數(shù)據(jù)中得出：隨著黏土摻量增大，改良土的最佳含水率減小。

選取黏土摻量為35%的改良土的擊實曲線進行分析，如圖1所示。

由圖1可見，黏土摻量為35%的改良土擊實效果很好，再次證明了在擊實過程中，黏土顆粒填充了油頁巖廢渣之間的間隙，使得改良土達到顆粒粒徑級配上的良好狀態(tài)。

同時可知，在擊實過程中，改良土干密度在達到最大干密度之前，隨著含水率的增加而增加。當干密度達到最大值后，改良土干密度隨著含水率的增加而減小。

2.2 改良土承載比（CBR）測定試驗

加利福尼亞CBR試驗通常用于評估路基或路面材料的承載能力。土體的承載能力以其局部抗壓變形能力為特征，以標準砂礫的承載能力為標準，CBR值以相對值的百分比表示，用其相對值的百分數(shù)表示CBR值。CBR試驗通常分為室內CBR試驗和室外CBR試驗。為了減少外界因素的影響，本次采用室內CBR試驗。

本次試驗分別測試黏土摻量為35%和45%的改良土的CBR值。測試結果數(shù)據(jù)收集如下頁表2所示。

為了更好地體現(xiàn)當黏土摻量為一定值時CBR值隨著壓實度改變的變化情況，繪制曲線圖如圖2所示。

由圖2可知，當壓實度一定時，摻入黏土的油頁巖廢渣改良土CBR值隨著黏土摻量的增加而增加。35%和45%黏土摻量的改良土在不同壓實度下均具有相當強度的CBR值，滿足路基填料的相關工程規(guī)范，說明黏土的摻入能夠極大地改善油頁巖廢渣的路用力學性能。同時，隨著黏土摻量的提高，油頁巖改良土的CBR值也得到很大提升。

2.3 改良土回彈模量測定試驗

土體在受到壓縮作用后會產生相應的彈性應變，將應力與應變之比稱為回彈模量。在路基和路面設計中，回彈模量是一個重要的強度指標。需要注意的是，土體彈性模量代表了土體在彈性變形階段在豎向荷載作用下的豎向變形抗力。

使用圓形承壓板對土樣進行壓縮，從而測得回彈模量。本文采用室內“小承重板法”，分別在黏土摻量為35%和45%的情況下，對改良油頁巖土回彈模量進行測試，采用式（1）來計算改良土的回彈模量。計算結果如表3所示。

E=πDP4h（1-μ2）（1）

式中：E——改良土回彈模量（kPa）;

D——剛性承載板直徑（m）;

P——剛性承載板上的單位壓應力（kPa）;

h——單位應力下的變形（m）;

μ——改良土泊松比。

由表3可知，改良土的回彈模量隨著摻入黏土比例的增加而增大。同時該批次油頁巖改良土的回彈模量數(shù)值很大，表示具有很好的承載能力，能夠滿足路用的基本要求。

3 結語

本次試驗在室內條件下測試不同黏土摻入比例的情況下油頁巖廢渣改良土的壓實特性、CBR值、回彈模量等路用性能。得出以下結論：

（1）擊實試驗中，隨著在油頁巖廢渣中摻入黏土比例的增加，改良土的最大干密度增加。本批次試驗所用的油頁巖廢渣顆粒較大，黏土在擊實過程中對油頁巖廢渣間的空隙進行了有效填充。隨著黏土摻量增大，改良土的最佳含水率減小。

（2）在壓實度一定時，摻入黏土的油頁巖廢渣改良土的CBR值隨著黏土摻量的增加而增加。

（3）摻入黏土的油頁巖廢渣改良土的回彈模量隨著黏土摻量的增加而增大。

參考文獻：

[1]陳潔瑜，嚴春杰，李子沖，等.油頁巖渣的綜合利用[J].礦產保護與利用，2006，12（6）：41-45.

[2]關薦伊，趙文輝，夏萬東.油頁巖渣的綜合利用[J].化學世界，2009，50（9）：574-576.

[3]馮宗玉.油頁巖綜合利用研究[D].沈陽：東北大學，2008.

[4]葉吉文，楊 洋，徐明珠.油頁巖資源利用與發(fā)展前景[J].中國資源綜合利用，2010（6）：21-23.

[5]許曉東，關 旭，祝海燕.油頁巖廢渣在道路材料中摻量的配比研究[J].吉林建筑工程學報，2012，29（2）：27-30.

[6]張鳳泉，李文強，關 旭，等.油頁巖廢渣在道路工程中的應用研究[J].吉林建筑工程學院學報，2012，29（2）：31-34.

[7]葉吉文，楊 洋，徐明珠.油頁巖資源利用與發(fā)展前景[J].中國資源綜合利用，2010（6）：21-23.

[8]JTG D30-2004，公路路基設計規(guī)范[S].

[9]JTG051-93，公路土工試驗規(guī)范[S].