煤矸石在道路瀝青路面底基層的利用★

王 朝，田榮燕，王松鋒，杜詠崢，李毅杰

(西藏大學(xué)工學(xué)院,西藏 拉薩 850000)

0 引言

煤矸石為煤質(zhì)沉積巖,化學(xué)組成成分主要為SiO2和Al2O3,還含有少量的CaO,Fe2O3,MgO,TiO2,K2O,P2O5,Na2O,礦物成分以黏土類、石英、碳酸鹽類為主,主要有高嶺土、伊利石、蒙脫石、白云石、硫化鐵、炭質(zhì)以及少量的稀有金屬物等。我國目前發(fā)電以及工業(yè)生產(chǎn)中,煤炭依舊作為主要能源,占比達到70%以上。并且我國目前依靠煤炭發(fā)電的現(xiàn)狀,在以后幾十年有較大概率會維持下去。煤矸石是與煤伴生的一種巖石,在煤的開采與加工洗選過程中逐漸被分離出來,而成為一種廢棄物,在煤礦中大量存在。西藏地區(qū)累積堆存尾礦量已超過6×104t,云南、四川等省已開始對尾礦進行二次開發(fā)。西南地區(qū)采煤過程中形成的煤矸石堆存量約90 000×104t,在礦坑附近堆積成山,占壓大量土地面積,暴雨季節(jié)易形成滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害,污染礦山周邊河湖水系。我國每年對煤矸石的利用率不足30%,如在焦煤洗選過程中,1×108t可排放出約2 000×104t,而1億t動力煤可排放出約1 500×104t煤矸石。且每年對煤矸石山的修整都投入大量資金,也對煤矸石的廢物利用十分重視,探索煤矸石的利用以及大量消耗煤矸石儲量,都成為一個重要話題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國對煤矸石應(yīng)用于基層的研究始于20世紀80年代,起初主要作為路基的填料并進行加固[1]。長安大學(xué)曾采用石灰、煤矸石與土混合用于道路基層,充分發(fā)揮了煤矸石的優(yōu)良性能。同時,劉元泉、胡益眾依托于平頂山至臨汝高速公路工程,將煤矸石用于填筑高速公路路基,進而研究煤矸石的材質(zhì)特性、路基填料以及施工等方面內(nèi)容,證明煤矸石符合路基的一般要求。劉春榮、宋宏偉等從煤矸石的基本物理力學(xué)性質(zhì)角度,探討了關(guān)于煤矸石在路基填筑應(yīng)用的主要問題,如:煤矸石的拌和、攤鋪及壓實的質(zhì)量控制問題,最終認為煤矸石是一種良好的筑路材料;根據(jù)煤矸石自身特點,提出了一種煤矸石作為筑路材料時壓實度的檢測方法,并將煤矸石成功應(yīng)用于徐豐公路(S239)龐莊礦區(qū)段;狄升貫以青蘭高速實體工程為依托,以河北邯鄲礦區(qū)的煤矸石為研究對象,通過國內(nèi)外調(diào)研、室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗段,深入研究了煤矸石用于高速公路路基的室內(nèi)試驗方法、工程力學(xué)特性、施工現(xiàn)場質(zhì)量控制及路用性能;王貴林研究水泥穩(wěn)定煤矸石混合料的合理配合比,并進行7 d無側(cè)限抗壓強度試驗,表面采用較高水泥劑量可滿足低等級公路要求;但煤石又是重要的資源,可綜合利用[2]。表1為國內(nèi)實際工程示例。

表1 國內(nèi)煤矸石實際應(yīng)用

1.2 國外研究現(xiàn)狀

煤矸石在發(fā)達國家中綜合利用率都已達到 40%以上,甚至部分國家的利用率更是高達 60%～80%,英國現(xiàn)有煤矸石的堆積量大約為16×108t,但煤矸石年利用量僅為600×104t～700×104t,處理方式僅是將煤矸石用于公路路堤、水利工程堤壩及其他土建工程,如:采用相關(guān)技術(shù)將煤矸石應(yīng)用到混凝土中,且成品具有較高的強度;或按一定比例將煤矸石與集料、結(jié)合料攪拌制成混合料,應(yīng)用于路面材料,做成具有較好防滑效果的路面。 二十世紀七八十年代,美國通過試驗研究發(fā)現(xiàn),在道路基層使用粉煤灰煤矸石混合料,無論技術(shù)方面,還是環(huán)境方面,都是可行的,而且在應(yīng)用于道路底基層也取得了成功。目前對尾礦綜合利用較好的是美國,美國尚有300余座煤矸石山,現(xiàn)存煤矸石量達到2.7×108t。利用“紅矸石”作為路基材料,也利用煤矸石生產(chǎn)輕骨料、空心砌塊、建筑用磚等材料,甚至于生產(chǎn)水泥。表2為國外實際工程。

表2 國外煤矸石實際應(yīng)用

1.3 研究方向

通過JTG D30—2015公路路基設(shè)計規(guī)范和JTG T3610—2019公路路基施工技術(shù)規(guī)范等相關(guān)規(guī)范對煤矸石混合料進行路用性能探究來進行[3-4],文章主要以無側(cè)限抗壓強度、抗凍性能試驗、抗沖刷性能試驗為主來探究五種不同配比下的煤矸石應(yīng)用到道路基層的性能,通過測量其質(zhì)量損失率和抗壓強度等系數(shù)來對比五種配合比的性能,其次再從社會與經(jīng)濟效益方面來進行參照分析。

2 試塊配合比設(shè)計與制作

道路底基層設(shè)計需滿足力學(xué)性能、水穩(wěn)性能和強度等的要求,因此本研究采用水泥石灰粉煤灰穩(wěn)定煤矸石碎石混合料來制作試塊。將煤矸石與天然礦石進行替換,設(shè)計五種不同的配合比[5-6],因此確定較為合理的道路底基層設(shè)計。

2.1 試塊配合比設(shè)計

依據(jù)JTG-E51—2009公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程相關(guān)規(guī)范要求,進行無側(cè)限抗壓強度等試驗的試塊均采用D=150 mm,h=150 mm的試模進行制作,再按照T0845—2009無機結(jié)合料穩(wěn)定材料養(yǎng)生試驗方法進行7 d標準養(yǎng)護之后,再進行試驗?？箖鲂阅茉囼炈璧脑噳K則進行28 d養(yǎng)護,采取5次凍融循環(huán),溫度范圍-20 ℃～20 ℃。無側(cè)限抗壓強度試驗使用萬能試驗機,加載速率控制在1 mm/min。5種配合比設(shè)計如表3所示。

表3 5種三灰穩(wěn)定煤矸石混合料配合比 %

2.2 試塊制作及養(yǎng)護

按照表3中的5種配合比進行試件制作,都以12.2%的最佳含水率和1.68 g/cm-3干密度來制作試塊,采用圖1中模具靜壓成型后,再放置于溫度為(20±2)℃,相對濕度為95%的環(huán)境中進行養(yǎng)護,中間利用圖2脫模裝置對試塊進行脫模,養(yǎng)護完成后以待后期使用[7]。

3 試驗及分析

3.1 無側(cè)限抗壓強度試驗及結(jié)果分析

利用萬能試驗機(如圖3所示)對7 d養(yǎng)護齡期的試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗。將煤矸石應(yīng)用于道路底基層,工況滿足JTG F20T—2015公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范中的高速公路和一級公路的要求,使用工業(yè)廢渣穩(wěn)定材料的石灰粉煤灰,7 d養(yǎng)護齡期無側(cè)限抗壓強度標準Rd在極重、特重交通條件下不小于0.8 MPa,且要滿足各種荷載及反復(fù)荷載下的力學(xué)要求。無側(cè)限抗壓強度根據(jù)式(1)進行計算:

(1)

無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表4。

表4 石灰粉煤灰穩(wěn)定材料7 d養(yǎng)護齡期無側(cè)限抗壓強度Rc

從表4結(jié)果可看出5種配合比的混合料試件7 d無側(cè)限抗壓強度均可滿足JTG F20T—2015公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范要求。在水泥、石灰和粉煤灰含量不變的情況下,隨煤矸石的含量不斷增多,試件的無側(cè)限抗壓強度值也在不斷增長,達到峰值后,抗壓強度開始下降。從試件7 d無側(cè)限抗壓強度值來看,初步推薦配合比為m(水泥)∶m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(煤矸石)∶m(碎石)=2∶10∶38∶35∶15。

3.2 凍融抗壓性能試驗及結(jié)果分析

西藏地區(qū)多為凍土地區(qū),若地基抗凍性能較差,會引起道路路面開裂,嚴重影響通行及行車安全。將28 d養(yǎng)護齡期的試塊分為兩組:一組為凍融試驗組;一組為空白對照組。為準確反映西藏高海拔地區(qū)道路的實際服役溫度,在G109國道唐古拉山段埋設(shè)溫濕度傳感器,埋深深度及實測溫度的平均值如表5所示,參照道路實測溫度,將試驗組試件放入-16 ℃恒溫冰箱保持冰凍16 h,然后取出放入溫度為20 ℃的恒溫水槽中融化8 h,凍融循環(huán)5次后進行抗壓強度試驗。空白對照組不進行凍融循環(huán),直接進行抗壓試驗,獲取試件破壞時的抗壓強度。將凍融前后的強度比作為試件凍融抗壓性能的衡量指標,強度比根據(jù)式(2)進行計算:

(2)

表5 道路實測平均溫度

其中,fm為5次凍融循環(huán)后的殘留;fm1為未經(jīng)凍融試件的飽水抗壓強度平均值,MPa;fm2為經(jīng)5次凍融循環(huán)后的試件飽水抗壓強度平均值,MPa。

依據(jù)JTG D50—2017公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范有關(guān)規(guī)定,要求重凍區(qū)底基層混合料殘留抗壓強度不小于70%。由表6可明顯看出5種配合比的試件凍融殘留抗壓強度均滿足規(guī)范要求,試驗結(jié)果顯示,隨著煤矸石含量增多,試件凍融循環(huán)后的殘留抗壓強度總體上呈上升趨勢。煤矸石加入后,試塊孔隙填充充足,整體黏聚性增強,煤矸石的含量影響到試件整體的抗凍性能。比較5種三灰穩(wěn)定煤矸石混合料的抗凍性能,發(fā)現(xiàn)E>D>B>C>A。

表6 三灰穩(wěn)定煤矸石混合料殘留抗壓強度比

3.3 抗沖刷性能試驗及結(jié)果分析

在道路服役環(huán)境中,表面水可能會通過各種方式進入路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)層,若結(jié)構(gòu)層內(nèi)的水不能及時排出,則會在結(jié)合料顆粒界面之間流動,降低顆粒之間的嵌擠力,從而破壞路面結(jié)構(gòu)。如若遇到行車荷載,進入結(jié)構(gòu)層內(nèi)的水會產(chǎn)生極大的動水壓力,形成動積水,對路面底基層產(chǎn)生沖刷作用,破壞路面底基層結(jié)構(gòu)。因此,抗沖刷性能也可作為底基層路用性能的衡量指標。

在頻率為60 Hz的震動臺上安裝一個480 mm×350 mm×250 mm的塑料容器,容器頂部安裝一個反力支架來固定試件,利用震動臺使容器內(nèi)的水產(chǎn)生水動力。試驗裝置示意圖如圖4所示。將5種配合比的試件放置于水池中浸泡48 h,得出試件飽水質(zhì)量,分別對其進行5個階段的沖刷試驗,獲取累積沖刷量,式(3)中累積沖刷量與飽水質(zhì)量的比值Em衡量試件的抗沖刷性能。

(3)

其中,Em為累積沖刷量與飽水質(zhì)量的比值;m1為試件沖刷掉質(zhì)量之和,g;m0為試件總質(zhì)量,g。

沖刷結(jié)果如表7所示,圖5為累積沖刷率。

表7 沖刷試驗結(jié)果

實際試驗過程中,發(fā)現(xiàn)試塊即使達到壓力最大值,試塊整體性還是較為完好,且沖刷量隨著時間的增加而減少,逐級趨于平緩變化。煤矸石量增加后,試塊整體黏聚力增強,試塊沖刷量較低。由圖5可看出5種配合比下的試塊沖刷率變化并不是線性,其中E組效果較好,其抗沖刷能力也比較好,后期逐漸趨于平穩(wěn),沖刷率變化幅度變小。

4 結(jié)論及展望

4.1 結(jié)論

將煤矸石替換天然碎石應(yīng)用于路基底基層,設(shè)計了5種材料配合比,經(jīng)抗壓強度試驗、凍融抗壓強度比試驗、沖刷試驗,對底基層材料性能進行了全面研究,得出以下結(jié)論:

1)將煤矸石添加至路基材料中,可以提高路基材料的抗壓強度,保持水泥、石灰和粉煤灰的質(zhì)量不變,煤矸石含量(質(zhì)量分數(shù))在25%到35%時,抗壓強度逐漸增強,但之后再繼續(xù)增加煤矸石的含量,路基材料抗壓強度會下降,煤矸石含量(質(zhì)量分數(shù))相對在35%左右時,路基材料抗壓強度最大。

2)5組不同配合比制作的試塊,整體抗壓強度高于標準規(guī)范要求,其中煤矸石含量稍多于碎石含量時,在無側(cè)限抗壓強度、凍融抗壓強度及抗沖刷等方面效果最佳。綜合比較試驗結(jié)果,推薦配合比為m(水泥)∶m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(煤矸石)∶m(碎石)=2∶10∶38∶35∶15。

3)將煤矸石應(yīng)用于底基層材料中,可以提高試塊內(nèi)部黏聚力,具體表現(xiàn)在抗壓試驗完成后,試塊的整體性較好,并沒有完全開裂,即便在水流沖擊下,試塊整體性依舊良好。

4.2 展望

我國西南地區(qū)在開采礦產(chǎn)資源時,極易形成大量煤矸石、廢石、煤灰渣等固體廢棄物,不僅容易引發(fā)當?shù)氐V山地質(zhì)災(zāi)害,且對礦產(chǎn)資源造成了極大的浪費。我國目前對煤矸石利用率不高,伴隨經(jīng)濟的發(fā)展,煤炭用量不斷增加,致使煤矸石的產(chǎn)量也在不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2022年,中國煤矸石儲量已超60×108t,且每年新增量超5×108t。產(chǎn)出量巨大,但無法消耗,導(dǎo)致多數(shù)煤矸石堆積起來,無法被有效利用,形成了一座座煤矸石山,侵占了土地資源,極大地破壞了環(huán)境。將煤矸石應(yīng)用于道路底基層,不僅替換了原有道路底基層的天然礫石,且極大地消耗了煤矸石儲量。

減少環(huán)境污染:煤矸石主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁、固定碳,含有少量鉀、鈣、鎂等金屬元素以及氮、磷、硫等非金屬元素。煤矸石堆積較多,會發(fā)生自燃現(xiàn)象,導(dǎo)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氣體。煤矸石的風(fēng)化流失,可能會污染空氣,自然風(fēng)化會導(dǎo)致露天存放的煤矸石破碎為細小顆粒,從而進入土壤和空氣,引起土壤污染和揚塵,危害人民健康。另外,部分煤矸石中的金屬元素會隨降雨滲透進入地下,污染地下水。將煤矸石用于填充路基,可以為公路工程建設(shè)提供廉價的原材料,且用量極其巨大,既解決了環(huán)境污染,又改善了人民的生活質(zhì)量。

減少占地空間:2023年我國人均耕地面積僅為933.338 m2,位居世界第113位,并且還要堅持12×1011m2耕地紅線,再加上人口數(shù)量的不斷增長,致使土地資源無比珍貴。將煤矸石應(yīng)用于道路底基層,可消耗一定儲量的煤矸石,節(jié)約出一定的土地資源,應(yīng)用于耕地或其他用途,造福人民。

目前應(yīng)用于路基的碎石價格為450元/t,而煤矸石的價格僅為50元/t,將煤矸石替換碎石填充于路基中,一方面極大地縮減了公路建設(shè)成本;另一方面也解決了煤矸石露天堆積的環(huán)境污染問題,減少環(huán)境治理的資金投入。