煤矸石沥青混合料配合比设计与综合性能研究

摘要:文章针对矿山废弃物煤矸石,通过对煤矸石的粗集料性能试验,研究了煤矸石作为沥青路面粗集料的力学性能和物理特性,结果表明除针片状颗粒含量较大外,煤矸石粗集料其他指标均能满足相关的技术要求。在合理控制合成混合料中粗集料的针片状颗粒含量的基础上,采用四种沥青混合料变化不同比例和煤矸石集料类型,进行了煤矸石沥青混合料配合比设计,基于最佳油石比开展了煤矸石沥青混合料综合路用性能的研究。研究结果表明,通过采用规模化生产工艺和控制合成混合料针片状颗粒含量等措施,煤矸石沥青混合料同样具有优异的路用性能,可以在高等级道路路面中应用。

关键词:煤矸石;粗集料;沥青混合料;配合比设计;路用性能

一、概述

煤矸石是煤炭生产中排放的固体废弃物,是我国目前年排放量和累计存量最大的工业废弃物。煤层结构和厚度的变化、采煤方法和选煤工艺不同,对煤矸石的排放量有直接影响,一般占煤产量的10%-20%。每年的排放量相当于当年煤炭产量的10%左右,我国有煤矸石山1500多座,累计堆存煤矸石34亿吨以上,占地20多万亩。按煤矸石的来源可分为掘进矸石和选煤矸石两大类,俗称白矸和黑矸。由于煤矸石来源不同和产出地区的差异,其成分和性质变化很大。北京地区煤矿主要分布于房山和门头沟两区,数量众多,累计排煤矸石5440万吨(排矸率为5.36吨煤排1吨矸石)。已利用矸石240万吨,利用率4.44%,主要用于烧制矸石砖和发电;尚堆积5200万吨矸石,占地1710亩。

这些煤矸石堆积如山,不仅占用了大量土地,破坏自然景观,还对地下水造成严重污染。由于自然降水,使煤矸石中富含的盐类经淋滤、溶解在雨水中渗入到地下,造成矸石山周围的地下水污染。检测表明,经污染的地下水呈现高矿物化度、高硬度,硫酸盐、钠离子等含量升高。同时,煤矸石山溢流水的污染使土壤盐分升高,导致土地盐碱化,使农作物生长发育受到影响,有的因污染严重,无法耕种。大量煤矸石山的存在容易造成空气污染。因煤矸石易于风化,且有机成分容易发生自燃,其温度可达600℃,尤其在高温季节,产生的大量有害气体,使周围地区常常尘雾蒙蒙,造成大气污染。矸石山还容易形成坍塌、滑坡、泥石流等灾害,危及周围居民的生命财产安全。

煤矸石作为建筑材料的应用目前主要在制砖、水泥烧制、水泥混凝土和道路路基领域,煤炭科学研究总院黄爱悦等人对煤矸石水泥混凝土进行了研究,分析了煤矸石混凝土的良好性能,为开拓煤矸石的应用范围积累了经验;长安大学王修山、合肥工业大学王锐和河南大学的袁玉卿等人分析了将煤矸石用于修筑道路路基的可行性,开展了将煤矸石用于不同等级道路路基的应用研究,为煤矸石作为骨料修筑道路路基奠定了理论基础;同时北京交通大学侯江华等人也开展了将煤矸石用于铁路路基的应用研究,为了矿区煤矸石的利用开辟了道路。而将煤矸石用于沥青混合料的应用研究较少,2007年胡达平等人进行了掺入10%煤矸石的沥青混合料AC-25C的生产应用,在北京铺筑了试验路,沈阳大学李伟等人对低等级道路路面所用煤矸石作为粗集料的沥青混合料AC-16进行了试验研究,结果表明不加抗剥落剂或石灰水处理的煤矸石沥青混合料高温、水稳定性指标均很低,难以满足较高等级道路。本文针对煤矸石粗集料针片状颗粒含量大的特点,开展了煤矸石沥青混合料综合性能研究,通过细粒式、中粒式和粗粒式煤矸石混合料的配合比设计,对不同粒径的煤矸石沥青混合料进行了高温稳定度、低温抗裂性和水稳定性的研究,通过控制掺量和改善加工工艺以期将煤矸石用于高等级路面的修筑,扩展煤矸石粗集料的应用领域。

二、煤矸石粗集料性能

煤矸石是随煤层伴生的矿物质,实际上是一种夹在煤层中的脉石,主要由碳质页岩、泥质页岩和砂质页岩等

岩石组成,其中数量最大的是碳质页岩,其次是泥质页岩和砂质页岩,还含有少量的石英、云母等硬质岩石。通过现行《公路沥青路面施工技术规范》对粗集料所要求的性能指标检测表明,煤矸石的压碎值、磨耗值、相对密度、吸水率、含泥量和粘附性等指标均可满足高速一级公路的技术要求,而只是针片状颗粒含量超过了规范的要求值。这也说明,煤矸石粗集料的综合性能是良好的,具体指标如表1所示。

煤矸石的针片状颗粒含量一直是制约其应用的主要因素,2007年胡达平等人所用的煤矸石针片状颗粒含量都在30%,远远超出了规范的要求,所以其煤矸石掺量仅为10%,而随着北京市房山区煤矸石加工基地的建成,煤矸石加工的规模化程度提高,针片状颗粒含量大大降低。

为了提高煤矸石沥青混合料的路用性能,煤矸石作为粗集料的一部分掺配使用成为了主要趋势,北京地区最常用的粗集料为石灰岩,本文所用石灰岩粗集料技术指标如表2所示。

对比煤矸石与石灰岩粗集料的技术指标可见,二者的主要差异在于针片状颗粒含量的不同,石灰岩针片状颗粒明显少于煤矸石,这一点主要是二者岩性组成的差异所致,石灰岩是沉积岩,煤矸石是页岩,岩石纹理有着较

大的差异。

三、煤矸石沥青混合料配合比设计

由于煤矸石粗集料的针片状偏高,不满足规范的要求,为保证混合料的性能,控制煤矸石的掺量,在其他粗集料均采用石灰岩,使混合料的针片状颗粒含量满足规范的要求。为了确保沥青混合料的高温抗车辙能力,同时兼顾低温抗裂性能的需要,根据在以往工程中取得的成功经验,在进行矿料组成设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量,减少0.6mm以下部分细粉的用量,使中等粒径集料偏多,形成较为平坦的S型级配曲线,并取中等或偏高水平的设计空隙率。

在进行沥青混合料AC-25、AC-20、AC-16、AC-13配合比设计时,考虑到北京地区夏季温度高且高温持续时间长、重载交通较多的情况,选择了粗型(C型)混合料。本文在江苏省交通工程建设局研究成果的基础上,初步提出了工程设计级配范围。

对各级矿料进行了筛分,采用人机对话的方式,确定了矿料配合比。根据确定矿料的配合比,计算出AC-25、AC-20、AC-16、AC-13混合料的针片状颗粒含量均满足现行规范对于混合料针片状颗粒含量小于15%(高等级道路表面层)或18%(高等级道路其他层次)的要求。为了扩大不同粒径煤矸石集料的使用范围,大部分混合料都采用了甲、乙两个材料组成比例,掺配了10mm-20mm和5mm-10mm的煤矸石粗集料,详细组成如表3所示。

煤矸石的掺配使用是基于合成级配中粗集料针片状颗粒含量控制在合理范围内,若石灰岩集料针片状含量越低,在煤矸石性能不变的条件下其掺量可以相对增加,本文将合成混合料中粗集料针片状颗粒含量控制在15%(见表4),这是高等级道路的要求,目的在于将煤矸石粗集料应用在高等级道路的路面工程中。

根据现行规范的要求,确定工程级配范围,变化五个不同的油石比,成型煤矸石沥青混合料试件,测定马歇尔稳定度和流值,测试毛体积相对密度、空隙率、VMA、VFA等物理、体积指标参数,采用现行规范推荐的性能优化方法确定混合料的最佳油石比,相应于最佳油石比的毛体积相对密度、马歇尔试验、体积指标结果如表5所示。由于同一种混合料的甲、乙组成比例基于相同的合成级配曲线,因此,相关性能试验检测只进行甲组成比例的混合料。

由表5可知,四种煤矸石沥青混合料最佳油石比对应的体积指标和Marshall力学性能均能符合现行规范对高等级道路的相关要求,说明控制好合成混合料的针片状颗粒含量,煤矸石沥青混合料同样表现出良好的性能。

四、煤矸石沥青混合料性能

一般认为,沥青混合料的路用性能,应包括高温抗车辙、低温抗裂性能、水稳定性能、施工和易性能等。本文重点研究了煤矸石沥青混合料的高温抗车辙性能、水稳定性能、低温抗裂性能。

(一)高温稳定性

道路沥青及沥青混合料都是粘弹性材料,其性能与加载时间和温度密切相关。在高温条件下,车轮荷载的作用极易造成沥青路面的永久变形,从而影响行车安全、舒适性和路面寿命。因此,在高温时沥青路面应具有足够的强度及抗变形能力。

为研究道路沥青混合料的抗车辙能力,国内外普遍进行各种稳定度试验,尤其是马歇尔试验在我国用得最为普遍。实际上马歇尔试验主要用于沥青混合料的配合比设计和施工质量检验,并不能很好地评价沥青混合料的高温稳定性。根据现行规范JTG F40的要求,采用60℃、0.7Mpa条件的车辙试验得到的动稳定度来评价沥青混合料的高温稳定性。从车辙试验得出的时间-变形曲线,可求得变形曲线的直线发展期的变形速率,通常是求取45min、60min的变形D45、D60,按公式计算动稳定度DS,试验结果如表6所示。

由表6可知,马歇尔稳定度、流值及车辙试验的动稳定度,均满足现行规范JTG F40提出高速公路和一级公路相应的沥青混合料性能要求。但车辙试验的动稳定度接近规范要求极限,适宜用于中轻交通的道路路面结构,不宜用于交通量较大的路面。

(二)水稳定性能

沥青混合料在浸水条件下,会由于沥青与石料的粘附性降低,从而导致其物理力学性能的降低,产生剥离、松散、坑洞等破坏现象,这是路面主要破坏形式之一,尤其是雨季及春融与秋末冬初期,对路面危害十分严重。根据现行规范JTG F40的要求,沥青混合料的水稳定性指标建议采用浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融前后的劈裂强度比两个指标来评价。

由表7、表8可知,煤矸石沥青混合料的马歇尔残留稳定度和劈裂强度比,均能满足现行规范JTG F40高速公路和一级公路的技术要求,说明这些煤矸石沥青混合料的水稳定性能良好,在合理的掺配比例下煤矸石沥青混合料水稳定性能够满足高等级道路的使用要求。

(三)低温抗裂性能

沥青混合料在低温条件下会发生开裂,造成路面损害,从而影响行车安全、舒适性和路面寿命。因此,在低温时沥青路面应具有足够变形能力。根据现行规范JTG F40的要求,沥青混合料的抗低温开裂性能建议用-10℃低温弯曲试验的破坏应变指标来评价。通过小梁受荷弯曲,由破坏时的跨中挠度求得沥青混合料的破坏弯拉应变。煤矸石沥青混合料低温弯曲试验结果如表9所示。

由表9可知,这些煤矸石沥青混合料的低温弯曲破坏应变满足现行规范JTG F40的要求,这些煤矸石沥青混合料低温性能良好,说明适当掺入煤矸石粗集料不影响沥青混合料的低温性能。

五、主要结论

煤矸石沥青混合料是矿山废弃物资源化利用的重要措施,本文为粗集料的沥青混合料AC-16进行了试验研究,结果表明不加抗剥落剂或石灰水处理的煤矸石沥青混合料高温、水稳定性指标均很低,难以满足较高等级道路。本文针对从煤矸石粗集料物理力学性能、矿料级配和配合比设计、煤矸石沥青混合料综合路用性能方面系统研究了煤矸石在高等级道路沥青面层应用的可行性,得到如下结论:

第一,煤矸石粗集料虽针片状颗粒含量偏高,但压碎值、磨耗值等物理力学性能均十分优异,合理控制针片状颗粒含量可以发挥煤矸石粗集料的良好性能。

第二,煤矸石混合料级配设计关键是控制好合成矿质混合料中粗集料的针片状颗粒含量,掺配比例的大小受被掺粗集料针片状颗粒含量影响,被掺粗集料性能越好,掺配比例越大。

第三,掺20%左右煤矸石的石灰岩沥青混合料高温抗车辙能力、低温弯曲极限应变和水稳定性均可满足现行规范的相关技术要求,可以在高等级道路沥青面层中应用,具体层位视交通荷载情况而定。

第四,在我国建设“资源节约型、环境友好型”社会的背景下,将煤矸石用于修筑各等级道路沥青面层具有重要的现实意义,可以变废为宝,目前煤矸石沥青混合料已成功应用于北京长安街道路大修工程中,社会效益明显。

参考文献:

1、黄爱悦等.煤矸石混凝土的研制与应用[J].建井技术,2000(12).

2、王修山.煤矸石填筑高等级公路路堤的应用研究[D].长安大学,2006(6).

3、王锐.煤矸石路用性能试验研究[D].合肥工业大学,2008(5).

4、袁玉卿.道路用煤矸石研究[J].交通标准化,2009(6).

5、侯江华.煤矸石在矿区铁路路基中的应用研究[D].北京交通大学,2008(5).

6、胡达平等.利用煤矸石进行沥青混合料生产的研究[J].市政技术,2007(11).

7、李伟.煤矸石沥青混合料的试验[J].东北林业大学学报,2009(6).

(作者单位:江苏省交通工程建设局)