摻土煤矸石的路用工程力學特性及其填筑技術研究

賀建清 靳明 陽軍生

湖南科技大學 湖南湘潭  411201 中南大學 湖南長沙  410075

引言

    煤矸石是煤在形成過程中與煤伴生或共生的一種堅硬巖石，主要有掘進井巷時排出的煤矸石、選煤排出的煤矸石和露天采煤產生的剝離矸石，是目前我國最大的固體廢棄物源，占全國工業廢料的20％以上。全國每年除綜合利用約6000萬元外，余下矸石多采用圓錐式或溝谷傾倒式自然松散地堆放在礦井四周，侵占大量土地，對周圍環境造成極大污染，嚴重影響和危害人們的生活與健康。

    煤矸石作為土工充填材料在國外已得到了廣泛應用，已成為消耗煤矸石的主要途徑。近年來，隨著我國公路建設的飛速發展，需要大量的路基填料，煤矸石作為路用填料有著廣闊的應用前景。但其大規模應用尚需解決如下幾個關鍵問題：①煤矸石作為路基填料的壓實及其質量控制與檢測問題；②煤矸石路基隔水、排水問題；③煤矸石作為路基填料的承載力與變形問題。

    煤矸石的粒度構成和物質組成有其自身的特點，所含有的殘留煤、有機質及軟巖等成分對其工程性能具有較大影響，氧化環境下軟巖的風化崩解、殘留煤的自燃、有機質的“灰化”，或浸水后軟巖的泥化、殘留煤和有機質的化學分解等作用都會改變矸石的密度和結構狀態，從而導致過量的壓縮變形，并引起抗剪強度和承載力的降低。因此，將煤矸石作為高速公路路基填料對防風化和防滲處理有較高的要求，如何有效防止矸石中不穩定成分發生物理或化學作用，使煤矸石的工程性質保持穩定，是上述三個問題中首要解決的問題。

    根據Michalski等用不同類型煤矸石所作的現場模擬碾壓試驗結果，煤矸石可壓密程度與粒度分布特點密切相關。煤矸石的可壓密程度與矸石粒度不均勻系數Cl之間在量值上表現出很強的關聯性，Cu越大，矸石的可壓密的程度就越高。姜振泉等人在 Michalski等人的研究基礎上，在煤矸石中分別摻人粉煤灰和黏土，對其進行壓密和滲透試驗，發現影響煤矸石固結特性的主要級配缺陷不是粒度的均勻程度，而在于細小顆粒的含量，認為通過適當提高煤矸石中細小顆粒的含量，可以有效提高煤矸石的固結特性，使其在較低的壓密能量作用下取得較高的固結壓密度，使煤矸石的水穩性得到明顯改善，因此，粒度成分是影響煤矸石壓密性的重要因素。

    本文以河南焦作地區煤矸石為例，在煤矸石中摻入一定比例的黏土，通過一系列試驗，對摻土煤矸石的基本物理力學性質、強度變形特性，尤其是隔水特性進行了深入研究。同時，結合試驗路堤對煤矸石路堤填筑技術、施工工藝及其質量控制標準與檢測方法進行了探討，以解決煤矸石作為路用填筑材料的實用關鍵技術。

1、煤矸石的結構及構成特征

    1.1煤矸石的結構特征

    煤矸石的天然結構主要有粒狀碎屑結構與層狀致密結構。若按巖石學分類，一類為砂質頁巖型煤矸石，另一類為碳質頁巖型煤矸石。砂質頁巖型煤矸石的新鮮面為黑褐色，風化面呈灰白色，結構粗糙堅硬，組成均一，沿層理有草葉狀條痕，極不完全解理，滴人稀鹽酸有氣泡放出，還有鐵銹斑點。碳質頁巖型煤矸石的新鮮面為黑色，風化面為灰白色，層狀結構，表面有油脂光澤，不完全解理，不規則塊狀，斷面參差，易碎，滴入稀鹽酸有小氣泡緩慢放出。

    1.2煤矸石的礦物化學成分

    煤矸石中礦物成分復雜，主要由石英、云母類礦物、黏土礦物和褐鐵礦組成。其中石英含量一般為55％～70％，云母類礦物含量為20％～25％，黏土礦物的含量一般為4％。l0％，褐鐵礦為l％～l5％。黏土礦物根據x光粉晶衍射分析主要由高嶺石、白云母、蒙脫石等石構成。因煤矸石中均含蒙脫石，理論上煤矸石將會出現一定的膨脹性和崩解性。

    表1給出了焦作地區四種煤矸石的主要化學成分比仍l。

    從表l可以看出，煤矸石的活性含量(Si0：+A12O3+Fe203+CaO+MgO)超過了70％，是一種典型的堿性礦渣，經水解碾壓后，在一定溫度下，可產生火山灰反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，產生部分碳酸鈣并形成板體，燒失量除焦作l#煤矸石外，均低于20％。

    1.3煤矸石的顆粒構成及級配特征

    煤矸石的粒度分布有其自身的特點。首先，其粒度分布范圍較廣，既有粒徑小于0.1mm的細顆粒，又有粒徑達幾十厘米的巨粒，并普遍含有一定量的膠體成分。其次，由于其粗顆粒強度低，顆粒容易破碎。圖1反映了四種煤礦煤矸石的顆粒級配構成。

    與其他地區大多數煤矸石一樣，焦作地區煤矸石粒度分布的級配較差，大粒徑的矸石塊占有相當高的比例，粒徑大于5mm的顆粒含量一般在50％以上，個別樣甚至達60％以上，但也有的樣小于5mm的顆粒含量在50％以上，主要與煤矸石的巖性、生產工藝、風化程度等因素有關，粒徑小于0.1mm的顆粒含量一般在5％以下，粒度分布極不均勻；各試樣不同程度存在某些粒組分布不連續問題，其中0.5～2mm范圍的粒組分布不連續比較明顯。因為粒徑大于2mm的顆粒含量超過煤矸石全部質量的50％，根據現行的《公路土工試驗規程》(JTJ051—93)，該地區煤矸石屬碎石類土。

2、摻土煤矸石路用工程特性的試驗研究2．1試樣制備及試驗方法

    從程村、焦作l”、李固、吳村四礦矸石山選取具有代表性煤矸石樣，剔除粒徑大于38mm的煤矸石顆粒，按煤矸石與風干土的干重量比分別為2：1、3：1、4：1進行配料。其中土樣取自濟東高速 K45+1 70附近樊莊取土場，其主要物理力學指標見表2。

    煤矸石與土拌和均勻后，進行擊實試驗、承載比(CBR)試驗。擊實試驗完畢，模擬現場工況，將擊實后的試樣烘干，過5 mm篩，按要求的壓實度制樣，進行壓縮、滲透及直剪試驗。煤矸石摻土后的顆粒分布如圖2所示。

    摻土后的煤矸石在細小顆粒含量增加的同時，各試樣不同程度地存在粒組不連續分布程度加劇的現象。

    2.2試驗成果及分析

    (1)擊實特性

    由含水量和干密度的關系可以看出，與天然煤矸石相比，摻入一定比例的土后，煤矸石的最大干密度隨著摻土量的增加而減小，最優含水量隨著摻土量的增加而增大，擊實曲線變得相對平緩，其物理狀態對含水量變化的敏感性降低。

    (2)壓縮特性

    固結壓縮試驗結果，制樣時試樣壓實度為0.94。從孔隙比與固結壓力的關系可以看出，在同等壓實狀態下，煤矸石中摻人一定比例的土后，煤矸石的壓縮模量不同程度地均有增加，其中尤以4：1摻土煤矸石的增加幅度最為顯著；壓縮系數變化不是很大，均小于0.1，仍屬于低壓縮性土，與壓縮模量相對應，4：1摻土煤矸石的壓縮系數最小。

    (3)滲透特性

    各種配比摻土煤矸石在壓實度分別為0.9和0.94時的滲透系數見表4，表中A代表壓實系數。煤矸石的滲透系數在5.6 X 10-8～5.22×10-5之間變化，屬于弱透水性。壓實度越高，滲透系數越小，隔水性與壓實密度成正比，摻土煤矸石在壓實度為0.9時的滲透系數明顯大于壓實度為0.94時的滲透系數。增加摻土量，煤矸石的滲透系數隨之減少，其中程村、焦作1”兩礦煤矸石尤為突出，但在摻土比為2：1時效果不是很顯著，個別煤矸石樣的滲透系數甚至略有增大。這可能與土本身的滲透性有關，因為在相同的壓實狀態下，其滲透系數甚至大于部分煤矸石。

    (4)承載比(CBR)

    摻土煤矸石在同等壓實狀態下的CBR值隨摻土量的增加有顯著增長。摻土煤矸石作為路基填料，其  承載力不受影響，完全符合公路填料的要求。

    (5)抗剪強度

    各種配比煤矸石在壓實度為0.94時的抗剪強度指標，表中C、χ分別代表黏聚力和內摩擦角。

    在煤矸石中摻人一定比例的黏土，其內摩擦角隨摻入量的增加逐漸減小，這是因為在煤矸石中摻土后，顆粒間孔隙增大，相互咬合不再那么緊密，接觸面粗糙度降低，由于土的“潤滑”作用，導致剪切面上摩擦作用減弱。煤矸石的黏聚力在未加土時很大，摻土后隨之減小，當煤矸石與土的質量比達3：1時又明顯增加，接著又逐漸減小，呈波浪式變化，主要是因為煤矸石在比較密實的狀態下，顆粒間相互咬合，在剪切過程中既要克服顆粒之間本身的咬合力，又要“剪斷”位于剪切面上的粗顆粒，導致黏聚力增  大。隨著摻土量的增加，咬合作用減弱，剪切面上的粗顆粒減少，黏聚力隨之相應減少；但隨著摻土量的  進一步增加，土中微小顆粒與煤矸石中的較大顆粒之間的物理化學作用加強，相互之間產生“板結”，造成黏聚力不降反升，顯然，要取得這種效果，必須保證必要的黏土顆粒含量比例，比例較低的情況下，所產生的“板結”效果極為有限；但摻土過多，煤矸石就會呈現黏性土的某些特征，其黏聚力更接近于黏土。

3、煤矸石路堤填筑技術試驗研究

    3.1用煤矸石填筑路堤需要解決的關鍵問題

    (1)煤矸石可能含有殘留煤、有機質以及部分軟巖。在氧化環境下殘留煤可能自燃，有機質出現灰化或浸水后軟化，導致過量的壓縮變形與強度降低。防止煤矸石的氧化、水化是煤矸石作為路堤填料所必須解決的問題。

    (2)在現場施工中，如何保證對煤矸石充分壓密，是否需要摻入一定的細顆粒、摻人比、路堤填筑松鋪厚度及碾壓工藝等尚需通過現場來解決。

    (3)土包邊路堤不僅給施工帶來困難，在高路堤使用時還存在安全隱患，尋找施工方便快捷、容易保證工程質量的路堤結構形式也是煤矸石路堤填筑過程中需要解決的問題。

    (4)煤矸石的巖石組成并非單一巖石，是多種巖石的混合體，不僅現場檢測困難，且檢測結果比較離散，給施工質量的控制帶來困難，尋求一種方便快捷的檢驗方法，勢在必行。

    3.2煤矸石路堤填筑施工工藝研究

    針對上述需要解決的關鍵問題，設計了如下4種路堤結構形式的現場試驗方案：

    (1)全煤矸石碾壓密實型路堤

    試驗路堤按一定松鋪厚度全部用煤矸石分層填筑，通過推土機耙壓處理后，采用振動壓路機碾壓成型。

    (2)黏土封閉型路堤(又稱土包邊路堤)

    路堤中部用煤矸石填筑，兩側路肩處l.5m寬的范圍內由低液限土封閉，路堤頂l.0m厚也用同樣類  型的黏土封閉，從而形成對煤矸石填料層的全封閉，以防止中部煤矸石填料受到水的侵蝕，確保路堤的強度和水穩性。

    (3)成層碾壓型路堤(又稱夾層路堤)

    路堤采用煤矸石與低液限土隔層填筑。填筑低液限黏土層的目的在于防止水分進入煤矸石填料層，并對煤矸石的水平變形起緩沖作用。煤矸石填料的施工工藝及要求與碾壓密實型路堤相同，黏土的施工工藝與普通黏土的施工工藝及要求相同。

    (4)摻土煤矸石路堤

    在級配較差的煤矸石填料中，摻入一定比例的低液限黏土，使煤矸石路堤充分壓實，以有效降低它的滲透性與防止煤矸石風化。碾壓工藝及要求與其他力案相同。

    考慮到試驗路是實體工程的一部分，且土包邊路堤工藝復雜并可能存在質量隱患，為不影響施工進度，保證施工質量，土包邊路堤方案僅作為試驗路研究中的對比方案。

    為確保試驗路研究工作的順利進行，同時又不影響濟東高速公路項目的施工和管理，試驗路主要選擇在濟東高速公路新鄉境內獲嘉互通A、B匝道上進行。試驗段劃分為3段，分別按3種路堤結構進行填筑和施工，其中以碾壓密實型為研究重點。松鋪厚度分別為40、50cm，形成3種路堤結構形式共6種填筑方案。

試驗結果表明，碾壓密實型方案最好。其施工工藝簡單易行，易為人接受。對機械設備、施工操作也無特殊要求。松鋪厚度宜控制在40cm以內，最大粒徑不得超過25cm。

    3.3煤矸石路堤填筑質量控制

    煤矸石路基的施工質量控制是保證煤矸石作為路堤填料成功與否的關鍵。由于煤矸石具有其獨特的工程特性，其施工質量控制方法與一般路基施工質量控制有所不同，除保證壓實質量外，還需控制外觀質量。

    (1)外觀質量

    合格的煤矸石碾壓層必須碾壓泥化，以形成密實的不透水結構自行封閉水分。因而碾壓泥化是煤矸石碾壓層壓實合格的必要條件。合格的煤矸石碾壓層外觀必須是：平整光滑、碾壓前后無明顯輪跡且泥化了的煤矸石密實體與低液限黏土的碾壓密實層外表相似。只有外觀合格的煤矸石碾壓層才能進行壓實質量的其他控制檢測。

    (2)壓實質量

    煤矸石路基碾壓累積沉降量與碾壓遍數的關系曲線。每遍沉降量隨碾壓遍數Ⅳ的增加而減小。碾壓5～6遍后，碾壓沉降量幾乎為零。

    煤矸石路堤壓實質量檢測原則為“碾壓沉降控制為主，試坑取樣為輔”，即在施工中采用碾壓沉降量、沉降率控制，灌砂法或水袋法作為施工最終控制。施工碾壓的終壓標準為：碾壓到基本不再沉降為止。在實際施工中，碾壓遍數通過碾壓試驗確定后，對于前面幾次碾壓可不進行觀測，當碾壓到了最后2至1遍時再測量，用碾壓沉降差作為壓實質量的控制指標，以碾壓一遍后沉降量控制在0～3mm之內認為壓實質量合格。

    3.4煤矸石路堤填筑質量檢測

    (1)隔水特性

    為了確切掌握煤矸石路堤暴雨前后的滲水情況及路堤內部大顆粒的壓碎情況，在2006年3月7日～2006年3月9日連降暴雨的情況下，用挖掘機在碾壓成型的B匝道煤矸石路堤BK0+260處挖了一1.5m×1.5m左右的深坑，通過測定坑內不同深度處的含水量，并與壓實施工時的含水量進行比較，用以檢查暴雨后是否有水滲入路堤內，同時觀察坑內壓實情況。

    檢測結果表明，路面0.2m以下的碾壓層，暴雨后的含水量與施工時的含水量比較接近，即使在沒有鋪設路面的情況下，在暴雨時，雨水也很難滲入碾壓成型的煤矸石路堤體內。

    此外，還通過浸泡試驗模擬了洪水期間煤矸石路堤遭積水浸泡的情形，觀察煤矸石路堤內部含水量的變化情況和路堤沉降。于2006年3月11日，在已經碾壓成型的B匝道煤矸石路堤外側BK0+230～BK0+270處修筑了一條幾乎與路面齊平的集水坑，坑寬、深約1m。當日下午開始浸泡，水深一直保持在80cm左右，至3月19日浸泡結束，共計浸泡8d。浸泡結束當天，先放干集水坑，然后在BK0+160、BK0+175兩處從浸泡側垂直路堤開挖檢查槽，測定煤矸石路堤內含水量，觀察浸泡8d后是否有水滲入路堤內，同時觀察坑內壓實情況。浸泡后，路堤碾壓層的含水量與浸泡前很接近。同時，通過肉眼觀察，除在路邊坡腳處，因超填部分未壓實，有水滲入顯得比較濕外，看不到有水滲入堤內的痕跡。檢測結果表明：只要保證路堤壓實質量，煤矸石路堤能有效阻止水的滲入，保證今后營運過程中路堤的強度和穩定性。

    (2)路基強度

    為了研究煤矸石路基強度是否能滿足工程要求，分別在碾壓成型的各種路基上進行彎沉值測定。

    實測結果表明，煤矸石路堤的彎沉值與摻土煤矸石路堤的彎沉值很接近，且均小于土路堤，煤矸石路堤及摻土煤矸石路堤的整體強度高于土路堤，滿足中國高速公路要求。

4、結論與建議

    (1)在煤矸石中摻入一定比例的黏土，不僅煤矸石的隔水效果明顯改善，而且其壓縮模量及CBR值均有不同程度的提高。采用摻土煤矸石作路基填料，其強度完全滿足路基設計要求。

    (2)經過振動壓實，碾壓層中的部分煤矸石顆粒形成泥狀物或粉狀物，它們和其他煤矸石顆粒構成粗細骨料級配良好、嵌鎖密實的煤矸石壓實體，只要保證碾壓質量，煤矸石路堤具有很好的隔水效果，煤矸石是一種很好的路基填料。

    (3)摻土煤矸石路堤的承載力和全煤矸石碾壓密實型路堤很接近，具有良好的不透水性，然而施工工藝復雜，工程造價較高，全斷面使用既不經濟也不現實。但如果將其作為包邊材料，則既可避免因采用土包邊造成的路堤軟硬不均而可能帶來的路基病害，又可使煤矸石路堤具有很好的隔水效果，同時也便于路堤的防護。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)