煤矸石作為道路基層材料的試驗(yàn)研究

胡兆勝，張 鑫

(中化環(huán)境科技工程有限公司 北京分公司，北京 100070)

我國(guó)是全球煤炭開(kāi)采量和使用量最大的國(guó)家，2018年我國(guó)煤炭產(chǎn)量占全球煤炭總產(chǎn)量的46.7%，煤炭消費(fèi)量占全球煤炭消費(fèi)量的50.5%[1]。煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中也占有極大的比例，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2018年我國(guó)煤炭消費(fèi)總量占能源消費(fèi)總量的59%。2018年我國(guó)煤矸石產(chǎn)量為3.5億t，綜合利用率為53.7%。煤矸石累計(jì)堆放量約45～50億t，規(guī)模較大的煤矸石山約2 600座。煤矸石已成為我國(guó)排放量最大的工業(yè)廢物，約占我國(guó)工業(yè)固體廢物的1/4。煤矸石具有經(jīng)濟(jì)的兩面性，一方面煤矸石會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，另一方面也是一種可以利用的資源。美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家的煤矸石綜合利用率已達(dá)到90%以上，而我國(guó)目前的綜合利用率僅略高于50%。我國(guó)煤矸石主要用于煤矸石發(fā)電(56%)、生產(chǎn)建材(32%)以及土地復(fù)墾、回填等(12%)，加快煤矸石的資源化綜合利用是我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)的必然選擇[2]。

1 煤矸石的定義及分類(lèi)

煤矸石是一種與煤層共生的灰黑色巖石[3]，其含碳量比普通煤炭低，但硬度高于煤炭，一般情況下，砂巖含量高的硬度在4～5，而頁(yè)巖含量高的硬度在2～3。煤矸石被歸為沉積巖類(lèi)，是因?yàn)樗怯啥喾N礦物構(gòu)成的混合物[4]。

煤矸石是煤礦在建設(shè)和原煤開(kāi)采、洗選過(guò)程中產(chǎn)生的，主要包括煤層之中的巖石夾層，煤層頂板、底板，礦井掘進(jìn)及原煤洗選過(guò)程中排出的巖石。一般情況下，其產(chǎn)生量占原煤產(chǎn)量的10%～20%[5-8]。

煤矸石一般是干基灰分大于50%的巖石[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]。

關(guān)于煤矸石的分類(lèi)命名，目前國(guó)內(nèi)外至今尚無(wú)系統(tǒng)、完整和統(tǒng)一的方案，多是不同研究者根據(jù)某些特征提出自己的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)煤矸石的分類(lèi)和命名不僅是煤矸石綜合利用的基礎(chǔ)工作，也是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的工作。目前常見(jiàn)的分類(lèi)依據(jù)有來(lái)源、自然存在狀態(tài)、分級(jí)分類(lèi)法以及利用途徑分類(lèi)法。

根據(jù)煤矸石的產(chǎn)出方式即來(lái)源可以將煤矸石分為洗矸、手選矸、煤巷矸、巖巷矸和剝離矸。其中洗矸和手選矸是選煤過(guò)程中產(chǎn)生的矸石，煤巷矸是采煤巷道產(chǎn)生的矸石，巖巷矸和剝離矸是掘進(jìn)排出的矸石。各類(lèi)矸石所占比例見(jiàn)表1。

表1 煤矸石比例

根據(jù)自然存在狀態(tài)可將煤矸石分為新鮮矸石(風(fēng)化矸石)和自燃矸石兩類(lèi)，這兩種矸石在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有很大的區(qū)別，因而其膠凝活性差異很大。

煤矸石分級(jí)分類(lèi)法，以上方法對(duì)煤矸石進(jìn)行分類(lèi)只能反映煤矸石某一方面的特性，不利于煤矸石的綜合作用。歐洲各主要產(chǎn)煤國(guó)以及美國(guó)、澳大利亞等國(guó)對(duì)煤矸石的綜合利用進(jìn)行了大量的研究，提出過(guò)多種分類(lèi)方案，其中以前蘇聯(lián)的研究最具代表意義。他們按煤矸石的來(lái)源、特點(diǎn)、成分等不同指標(biāo)分等級(jí)列出分類(lèi)符號(hào)，然后根據(jù)各種利用途徑對(duì)煤矸石質(zhì)量的要求，填入所需的分類(lèi)符號(hào)。根據(jù)分類(lèi)符號(hào)所規(guī)定的質(zhì)量要求，可以方便地選擇煤矸石的加工工藝和綜合利用途徑。

根據(jù)煤矸石主要利用途徑，一是作為原料，二是利用其熱值，結(jié)合煤矸石的礦物組成和碳含量，對(duì)煤矸石進(jìn)行了分類(lèi)。

2 煤矸石在道路基層材料中應(yīng)用現(xiàn)狀

在煤矸石的綜合利用途徑中，國(guó)內(nèi)外將煤矸石作為一種工程充填材料，廣泛用于道路路堤及擋土墻、水利工程堤頊、工民建地基墊層等眾多的土木工程領(lǐng)域，這些已成為消耗煤矸石的主要途徑。近年來(lái)，我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，道路的大規(guī)模興建，對(duì)道路基層材料的需求量越來(lái)越大；另一方面，我國(guó)對(duì)煤矸石的利用率還比較低，因此煤矸石作為道路基層材料具有廣闊的利用前景。這樣既解決道路征地取土的難題，同時(shí)又能大量消耗煤矸石，還將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。雖然我國(guó)在1970年左右已對(duì)煤矸石的綜合利用展開(kāi)了研究，但目前沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。而且煤矸石的各項(xiàng)性能也會(huì)隨產(chǎn)地的不同存在差異，各煤礦對(duì)各自產(chǎn)出的煤矸石特性研究不夠，這些都嚴(yán)重限制了煤矸石的大規(guī)模應(yīng)用。

目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家，將煤矸石作為一種資源進(jìn)行綜合利用，不但提高了煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還更好的保護(hù)了環(huán)境，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。此外，一些國(guó)家還研究了綜合利用過(guò)程中的相關(guān)技術(shù)、工藝和設(shè)備，并制訂了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。例如，英國(guó)按照一定的比例將自燃矸石和土礦物混合做成混合料，制成簡(jiǎn)易的防滑路面；或?qū)⒛承┮呀?jīng)燃燒過(guò)的煤矸石破碎篩分后作為骨料用于生產(chǎn)低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土和預(yù)混凝土砌塊等，僅此一項(xiàng)每年消耗的煤矸石可到達(dá)40～50 萬(wàn)t。美國(guó)據(jù)不同的煤矸石種類(lèi)制定了煤矸石綜合利用的系統(tǒng)規(guī)劃。利用燃燒過(guò)的煤矸石作為道路的工程材料，是目前煤矸石主要的利用途徑[11]。

3 水泥穩(wěn)定煤矸石料試驗(yàn)

此次研究選取寧夏靈武某選煤廠煤矸石進(jìn)行試驗(yàn)。從煤矸石原料中選取大塊煤矸石樣品，并將大塊煤矸石樣品破碎成0～16 mm和0～26.5 mm 2種粒徑的骨料。對(duì)破碎后的煤矸石進(jìn)行篩分，得到2種煤矸石骨料中各個(gè)粒級(jí)產(chǎn)率。根據(jù)JTG/TF20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》標(biāo)準(zhǔn)的要求設(shè)計(jì)煤矸石骨料級(jí)配，將0～16 mm和0～26.5 mm 2種不同級(jí)配煤矸石按照4∶6的摻配比例，配制成連續(xù)級(jí)配煤矸石骨料，級(jí)配設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 煤矸石骨料級(jí)配比例

參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，按表2中煤矸石級(jí)配比例，對(duì)不同水泥摻量的煤矸石混合料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳含水率及最大干密度，并進(jìn)行試件成型、養(yǎng)生以及7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

表3 水泥穩(wěn)定煤矸石料試驗(yàn)方案

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 煤矸石物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)煤矸石的壓碎值、吸水率、耐崩解性和燒失量等物理性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，數(shù)值列于表4，煤矸石耐崩解性能較差。試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)泡水10 min后有些煤矸石開(kāi)始分層開(kāi)裂，有些開(kāi)裂嚴(yán)重不能從水中完整取出，稍施加外力便呈粉碎狀。

表4 煤矸石物理性質(zhì)

通過(guò)試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，該煤矸石為層狀結(jié)構(gòu)，破碎后粒型不圓潤(rùn)，針片狀較多。該煤矸石不易吸水，吸水率為6.6%，但短時(shí)間泡水后自身會(huì)發(fā)生層狀開(kāi)裂，甚至呈粉碎狀，耐崩解性能差。

根據(jù)JTJ 034-2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，煤矸石壓碎值26.3%，滿足水泥穩(wěn)定土中碎石或礫石作為道路基層和底基層的要求。

4.2 水泥穩(wěn)定煤矸石試驗(yàn)結(jié)果

按照表3中2組配比，對(duì)其混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，每組配比試驗(yàn)5次，確定最佳含水率和最大干密度。試驗(yàn)結(jié)果表明，C-1的最大干密度為2.089 9 g/cm3，最佳含水率為5.2%，C-2的最大干密度為2.087 6 g/cm3，最佳含水率為5.4%。

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)的最佳含水率與最大干密度試驗(yàn)(表5)，計(jì)算所需要的原料量，進(jìn)行試件的制備，每組配比制作6個(gè)試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)生6 d，泡水1 d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果列于表6。

表5 煤矸石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表6 煤矸石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，煤矸石C-1、C-2組7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.5 MPa。依據(jù)JTJ 034-2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，此次試驗(yàn)結(jié)果處于規(guī)范中水泥穩(wěn)定土作為底基層的低限值。規(guī)范中限值如表7所示。

表7 水泥穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)范中規(guī)定二級(jí)以下公路可取低限值；行駛重載車(chē)輛的公路，應(yīng)取較高的值；二級(jí)公路可取中值；行駛重載車(chē)輛的二級(jí)公路應(yīng)取高限值。按照此規(guī)定，對(duì)比此次試驗(yàn)結(jié)果，顯示該煤矸石作為道路基層或者底基層材料可滿足底基層的最低要求。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤矸石試件壓裂后順著裂紋，可以將試件外層大面積剝落。觀察壓壞試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)煤矸石試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)較疏松，大粒徑骨料自身呈層狀開(kāi)裂狀態(tài)，斷面光滑。可見(jiàn)煤矸石本身層狀結(jié)構(gòu)，耐水性能差，泡水后易分層開(kāi)裂、粉碎，無(wú)法抵抗外界較大作用力，是其強(qiáng)度低的主要原因。

5 結(jié) 語(yǔ)

5.1 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)該煤矸石物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)與水泥穩(wěn)定煤矸石路基材料試驗(yàn)，可得出此次選取煤矸石滿足相關(guān)規(guī)范中作為道路底基層材料的最低要求。

此次試驗(yàn)選用的煤矸石由于其本身為層狀結(jié)構(gòu)，耐水性能差，泡水后易分層開(kāi)裂，導(dǎo)致煤矸石試件抗壓強(qiáng)度較低。

5.2 建 議

此類(lèi)煤矸石由于自身性質(zhì)，導(dǎo)致僅能滿足規(guī)范最低要求，不利于工程推廣。國(guó)外以及國(guó)內(nèi)眾多研究表明，部分煤矸石已經(jīng)應(yīng)用于道路基層材料中，且已經(jīng)擁有應(yīng)用案例。本次研究與國(guó)內(nèi)外其他相關(guān)研究及案例表明，煤矸石有較大一部分是可以作為道路基層材料或者其他建筑材料應(yīng)用，為了提高國(guó)內(nèi)煤矸石綜合利用率，有以下幾點(diǎn)建議。

國(guó)內(nèi)煤矸石種類(lèi)繁多，需建立相應(yīng)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò)此分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)判定適用于作為道路基層材料的煤矸石。

國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為煤矸石應(yīng)用于道路基層材料的依據(jù)，應(yīng)加快推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立。