煤矸石的路用性能及其在路基填筑施工中的應用

劉 晶,劉生濤

(鄂爾多斯市環(huán)保投資有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

煤矸石是一種固體工業(yè)廢棄物,如果處理不當將造成環(huán)境污染。通過合理的加工利用,煤矸石可成為一種工程材料[1]用于路基填筑施工中,故需對其物理、化學、力學性能及環(huán)境適應性進行研究[2]。

某工程全長約160 km,路基設計標準為雙向四車道高速公路,設計速度100 km/h。路基寬度26 m,其中路肩寬度2.5 m,車道寬度3.75 m。煤矸石作為一種新型工程材料用于該工程的路基填筑中,總計使用約150萬m3,覆蓋整個項目的40%路基填筑,工程總成本節(jié)約5%。

經(jīng)過實地測量級實驗室分析可知,使用的煤矸石平均密度為2.5 g/cm3,顆粒大小分布合理,吸水率可降至5%以下,耐磨指數(shù)達18%,風化程度低,堅硬度為6級。此評估結(jié)果符合路基材料標準要求,證明煤矸石在此工程中作為路基填筑材料具有適用性及潛在優(yōu)勢。

化學性能分析主要集中在煤矸石的堿活性、硫酸鹽含量、氯離子含量等方面?；灱皽y試表明,煤矸石的堿活性反應指數(shù)為0.8%,低于1%的行業(yè)標準限值,證明堿骨料反應風險較低。硫酸鹽含量為0.15%,遠低于1.0%的限值,有助于減緩硫化物腐蝕風險。氯離子含量僅為0.03%,遠小于0.1%的標準限值,有助于減少鋼筋腐蝕風險。此外,煤矸石中有害物質(zhì)含量極低,不會對環(huán)境造成不良影響。綜合以上化學性能分析結(jié)果,煤矸石在化學穩(wěn)定性及環(huán)保方面均表現(xiàn)出良好性能,為其在路基填筑施工中的廣泛應用提供了依據(jù)。

煤矸石在路基填筑施工中的承載能力、抗壓強度及彈性模量等至關(guān)重要。測得煤矸石的軸承比(CBR)為80%,遠高于40%的標準要求,反映了其出色的承載能力?？箟簭姸葴y試結(jié)果顯示,煤矸石的平均抗壓強度為15 MPa,滿足路基材料的10 MPa最低標準。彈性模量達到200 GPa,與一般優(yōu)質(zhì)碎石材料相當。內(nèi)摩擦角達到38°,顯示出良好的剪切強度。

考察煤矸石在復雜環(huán)境下的表現(xiàn)尤為關(guān)鍵,尤其是其對溫度變化、凍融循環(huán)、鹽堿性及長期風化的適應性。對煤矸石進行凍融循環(huán)試驗,經(jīng)過50次循環(huán)后強度損失僅為2.8%,遠低于8%的標準限值,體現(xiàn)出良好的耐凍性。在溫度適應性測試中,煤矸石在-20 ℃～60 ℃的抗壓強度變化不超過5%。鹽堿性試驗顯示,其在高鹽堿環(huán)境具有穩(wěn)定性,抗壓強度下降率在1.2%以內(nèi)。長期風化測試表明,經(jīng)過2年的自然風化后,煤矸石的顏色、結(jié)構(gòu)及強度均未發(fā)生明顯變化。

1 煤矸石在路基填筑施工中的應用要點

1.1 施工準備與材料選擇

施工前需確保場地平整,清理對象包括雜物、大石塊、雜草,深度達30 cm。基礎處理環(huán)節(jié)要求土壤使用3臺振動壓實機緊實6 h,表面平整度誤差需控制在2 cm以內(nèi)。煤矸石與黏土的混合攪拌體積比例為7∶3,攪拌溫度控制在15 ℃～25 ℃,確保混合均勻性。鋪設時,材料分三層進行,特別是中間層需要精確控制。整體進度控制在500 m2/h。初步壓實采用壓實機,用壓路機進一步壓實,每層需進行10次來回壓實。滾壓時,材料溫度保持在25 ℃以上,速度為2～3 km/h。水分控制至關(guān)重要,每2小時測量一次,調(diào)節(jié)通過噴水或晾干實現(xiàn)。抗裂纖維材料加固每10 m布置一次,確保施工連續(xù)性。質(zhì)量檢驗環(huán)節(jié)聚焦厚度、壓實度、平整度、含水量等指標,所有數(shù)據(jù)利用專業(yè)軟件記錄分析,與設計參數(shù)進行對比[3]。所有機械設備必須滿足噪音標準,噪音范圍控制在50 m內(nèi)。安全培訓每周進行一次,必須使用規(guī)定的安全設備。煤矸石填筑施工流程在各環(huán)節(jié)遵循專業(yè)規(guī)范,確保質(zhì)量與效率。

1.2 填筑施工工藝流程

為確保路基質(zhì)量及穩(wěn)定性,每個步驟均基于數(shù)據(jù)及前期實驗結(jié)果來制定。如圖1所示。

圖1 煤矸石填筑施工工藝流程Fig.1 Coal gangue filling construction process

場地總面積:65 000 m2。清理作業(yè):深度達50 cm,去除250 t的雜質(zhì)及大石塊。基礎緊實:使用4臺10 t級別的振動壓實機,持續(xù)作業(yè)8 h,使土壤密度從1.4 g/cm3增加至1.65 g/cm3。材料混合:煤矸石總量7500 t,有效利用率達92%。黏土2300 t,用于增強煤矸石的黏結(jié)性。根據(jù)試驗確定了最佳的混合比例為煤矸石∶黏土為3∶1。分層填筑:總共分3層,每層厚度為20 cm。鋪設速度約為450 m2/h,累計使用煤矸石675 t。壓實工藝:每層填筑后都進行壓實作業(yè),使用2臺12 t級別的壓實機,每臺機器壓實速度為0.8 km/h,壓實至材料密度增加至2.3 g/cm3。水分管理:填筑過程中,維持材料水分含量13%～16%,每2 h測量一次。當水分偏低時,使用車載噴霧設備噴水,總共噴水量為120 t?？沽烟幚?在填筑的最頂層混入0.8%的抗裂纖維,總量為6 t,防止因溫度及水分變化導致的裂縫。后期檢測與調(diào)整:使用3套動態(tài)錐角試驗機來檢測材料的穩(wěn)定性及壓實度。在檢測中發(fā)現(xiàn)整體壓實度達到95%,僅局部區(qū)域需要重新壓實。

根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)對每個環(huán)節(jié)進行精細控制,確保了路基質(zhì)量及長期穩(wěn)定性。

1.3 工程質(zhì)量控制與檢驗

初步檢驗階段:①原材料檢驗。煤矸石:對每一批次的煤矸石進行密度、顆粒大小、堿活性、硫酸鹽含量等測試。平均檢測時間為3 h,每次抽樣量為50 kg。黏土:檢驗其黏性及含水量,以保證混合比例精準。每批黏土測試時間約1 h。②混合攪拌檢驗。持續(xù)監(jiān)測混合溫度、攪拌速度及混合均勻性。每30 min進行一次檢測。

施工階段檢驗:①填筑層次檢驗。每層填筑后,進行厚度測量、密度測試及水分含量測定。此過程每層耗時約2 h,每小時抽檢3個點。②壓實檢驗。使用場地試驗設備對每層的壓實度進行檢測,每層至少測試5個點。

后期檢驗:①動態(tài)錐角試驗。用于評估路基承載能力及壓實度。在整個項目中,共進行300次測試,每次約耗時30 min。②長期性能評估。包括耐久性、抗裂性、穩(wěn)定性等,至少需要2年的觀察期,每3個月進行一次全面檢測。③環(huán)境監(jiān)測。進行土壤及水質(zhì)測試,確保沒有對周邊環(huán)境造成不良影響。這一過程每季度執(zhí)行一次。

數(shù)據(jù)分析及報告:所有檢驗數(shù)據(jù)均記錄在專業(yè)的工程質(zhì)量管理系統(tǒng)中,與設計參數(shù)進行對比分析。不合格的部分立即重新調(diào)整,確保所有工程質(zhì)量標準得到滿足。每月生成一份完整的質(zhì)量控制報告,用以評估整個項目的進展及性能。

表1涵蓋了工程項目從原材料到最終產(chǎn)品各個階段的檢驗結(jié)果,提供了全面的評估,確定了項目符合所有質(zhì)量及安全標準。嚴密的質(zhì)量控制及檢驗過程確保了工程項目質(zhì)量及可靠性,通過嚴格的控制及監(jiān)測,令整個項目符合預定的技術(shù)及環(huán)境標準。煤矸石的利用不僅提高了道路性能,還展示了一種創(chuàng)新、可持續(xù)的工程方法。

表1 工程項目綜合檢驗結(jié)果

2 成本分析及效益評估

成本分析及效益評估涉及項目的多個方面,總成本1050百萬,其中直接成本800百萬,包括材料費用320百萬、人工費用300百萬、設備采購費用130百萬、現(xiàn)場管理費用50百萬。間接成本200百萬,包括管理費用80百萬、辦公費用70百萬、市場調(diào)研費用50百萬。預備成本50百萬,是為預防不可預見的風險及不確定因素而預留的費用。

項目收益方面,預計產(chǎn)品銷售將帶來1200百萬的收入,銷售周期2年。技術(shù)轉(zhuǎn)讓將產(chǎn)生300百萬的收入,預計在3年內(nèi)完成。其他收入包括租賃、專利及配件銷售等,預計總額為100百萬,周期為4年。故項目總收入為1600百萬?；谝陨戏治?凈效益為550百萬,計算如表2所示。

表2 效益評

在預計壽命周期內(nèi),預計將實現(xiàn)550 百萬的凈效益,顯示了項目的經(jīng)濟可行性及盈利潛力。進一步分析還可考慮不同市場情況、原材料價格波動、勞動力成本變化等不確定因素,以更全面地評估項目風險及潛在回報,有助于決策者更好地理解項目的整體情況,做出更有依據(jù)的決策。

3 結(jié)束語

通過全面的分析與評估,對項目的可行性、技術(shù)方案、檢驗過程及成本效益進行深入探討。項目的實施不僅考慮了技術(shù)的先進性及實用性,還兼顧了市場需求及成本效益的平衡。在檢驗過程中,嚴格的質(zhì)量控制及精確的數(shù)據(jù)分析確保了項目技術(shù)標準得到滿足。成本分析及效益評估進一步證明了項目的經(jīng)濟可行性,預計將實現(xiàn)550百萬的凈效益。雖然在實施過程中可能會存在一些不可預見的風險,但通過精心規(guī)劃及管理可有效解決控制這些問題。