煤矸石在路面工程中的应用

摘要：煤矸石作为煤矿产业的附属产物，基本处于废弃状态。本文将介绍煤矸石的基本特性，及其在路面工程中的基层和面层应用情况。说明煤矸石在路面工程中的良好路用性能，展示了煤矸石的美好应用前景。

关键字：煤矸石；基层；面层；路面工程

中图分类号： TU522.1+3 文献标识码： A 文章编号：

煤矸石是在煤炭生产中的废弃岩石，我国作为产煤大国，据统计,我国煤矸石产量约为原煤总产量的15%~20%,已积存达70亿吨,占地70km2,而且以年产出量1.5亿吨的速度增长。将煤矸石作为道路基层和面层材料用于公路工程,是一种利用煤炭工业废料和减少环境污染的有效途径。因为道路工程对煤矸石的种类和品质没有特殊要求,对有害成分含量的限制不严,多种类型煤矸石均能满足使用要求,且煤矸石在道路工程中的应用具有耗渣量大、无需进行特殊处理及特殊技术手段的优点。

1 煤矸石的特性及工程性能

煤矸石是随煤层伴生的矿物质,实际上是一种含夹在煤层间的脉石,它主要由炭质页岩、泥质页岩、砂质页岩等岩石组成。其次含有少量的石英、云母等硬质岩。因此,它的压碎值为26.8%,小于30%,级配良好,最大干密度界于1.90~2.04g/cm3之间。煤矸石的化学成分主要有硅、铝、铁的氧化合物,大约占总质量的60%以上。其次是钙、镁、硫等氧化物。煤矸石堆存时间越长,其物理化学反应越彻底,力学性质越稳定,越有利于用作公路工程中的材料。

一般的煤矸石在开挖、运输和堆放过程中易受到风化的作用,颗粒大小不一,具有一定的级配。对黑龙江省某矿区煤矸石的颗粒级配进行了筛分试验。研究发现,煤矸石粒度分布范围较大,从几十厘米的块石至0.1mm以下的细小颗粒,并普遍含有胶体成分。煤矸石粒度分布的级配特点是大颗粒含量过高而细小颗粒含量过低,粒径大于5mm的颗粒含量在60%以上,粒径小于0.1mm的颗粒含量在10%以下,粒度分布很不均匀。

2 煤矸石在路面基层中的应用

煤矸石颗粒具有一定棱角和粗糙表面,碾压后互相紧密嵌挤、锁结,产生一定嵌挤力和摩阻力,并且煤矸石颗粒与水泥胶结材料作用,使煤矸石路面基层获得一定的承载力。

值得注意的是煤矸石矿质成分多,化学成分复杂,加之煤矸石山堆积较高,使得部分煤矸石的物理化学反应尚未完全结束,将其用到路面基层后最突出的就是稳定性问题。故采用煤矸石作为道路基层时,应掺一定量的无机结合料以保证结构层的稳定性。其次是煤矸石在运输及施工过程中粉尘对环境造成污染。

作为承受主要荷载的半刚性基层,应具备足够的抗压强度。笔者按击实试验确定的最佳含水量和最大干密度制备试件,对混合料进行无侧限抗压强度试验。在规定温度下先保湿养生6d,再浸水1d后试验结果表明,当煤矸石与水泥(掺量为6%)合用时水泥稳定煤矸石基层的强度达到3.9MP,完全能满足有关规范的要求。

但在实际中部分路面基层不稳定，分析其中原因，主要是:

1)煤矸石有较强的吸水性,因为吸水是缓慢进行的,路面基层施工是快速的,这样路面基层完成后,煤矸石仍在吸水、膨胀、解理,从而引起路面基层变形。

2)由于煤矸石相似于微风化岩材料,未充分物化的煤矸石中的煤和空气发生化学反应,生成大量气体并放出热量,导致体积膨胀,膨胀后的路面基层会出现开裂松动现象,粘结性差。因此从选料到摊铺碾压成型,也需采取相应的预防措施。

3 煤矸石在路面面层中的应用

利用煤矸石进行沥青混合料生产,必要条件是确保掺加煤矸石的沥青混合料质量符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的要求, 保证路面的使用性能和寿命不受影响。

通过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，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%。

鉴于此，本文将主要研究煤矸石在二级及二级以下公路中的沥青混合料的性能。配合比设计依然按照规范中的马歇尔方法进行，选择了AC-16的通用级配，煤矸石占集料含量的60%，最佳沥青用量5.4%，实测其各项指标，空隙率是4%，饱和度是73%，稳定度8.5KN，都满足了设计要求。并以此进行了对煤矸石沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性进行室内试验对比分析。

3.1 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。试验满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中沥青混合料车辙动稳定度技术要求。

3.2 低温抗裂性

采用低温弯曲蠕变试验评价沥青混合料的低温抗裂性能。本试验采用的煤矸石为饱和石灰水处理过的煤矸石,试验温度-10℃,采用30mm×35mm×250mm的棱柱体小梁,跨径为200mm。其试验结果为最大破坏应变2236με,可以满足规范的技术要求。

3.3水稳定性

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。经检验后此项指标也可以满足规范的要求。

通过以上试验结果可以看出，煤矸石沥青混合料的动稳定度能够满足规范中大部分要求,但不能够满足7月份平均最高气温大于30℃,夏炎热区1-3、1-4的技术要求。沥青与骨料的黏附性是水稳定性的影响因素。试验证明:经过饱和石灰水处理过的煤矸石与沥青的黏附性明显好于未处理的煤矸石,而加入0. 4%抗剥落剂的煤矸石与沥青的黏附性要好于上述两个。煤矸石沥青混合料的弯曲蠕变速率大于规范建议值,因此,煤矸石沥青混合料的低温稳定性能够达到普通沥青混合料的建议值标准。综上所述,煤矸石沥青混合料可以用于二级或二级以下的公路。

4 结语

煤矸石沥青混合料是矿山废弃物资源化利用的重要措施，本文从煤矸石在路面基层和面层两个方面进行了详细的论述和试验，煤矸石作为路面基层填料时掺加6%的水泥就可以满足规范要求，而煤矸石要想大量作为沥青混合料中的石料，则只能满足二级或二级以下的公路。总的看来，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和基层具有重要的现实意义，可以变废为宝。

参考文献

[1] 石磊,牛冬杰,金龙,等.煤矸石的综合利用[J].煤化工, 2005(4): 15-18.

[2] 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)

[3].交通部公路科学研究所. JTG F40―2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社, 2004.