项目管理论文：煤矸石作为路基填料的性能研究

　　摘要：煤矸石是我国排放量最大的工业废渣之一。煤矸石弃置不用，不仅占用大量土地，有害成分污染土壤与水质，同时也严重影响了生态环境。本文对煤矸石进行各种室内试验研究，同时利用Hpds程序软件模拟了煤矸石路堤与土路堤对路面结构设计的影响，表明煤矸石路堤在刚度及强度方面要优于土路堤，体现了煤矸石在公路与铁路建设中的价值。
　　关键词：煤矸石论文，路基填料论文，性能研究论文，Hpds，路表弯沉，层底拉应力
　　0引言
　　 煤矸石是煤在形成过程中与煤伴生或共生的一种坚硬岩石，主要有掘进井巷时排出的煤矸石、选煤排出的煤矸石和露天采煤产生的剥离矸石，是目前我国最大的固体废弃物源，占全国工业废料的20%以上，全国每年除综合利用约6000万吨外，其余部分作为工业固体废弃物混杂堆积。大量的煤矸石堆积在地表，形成了矸石山，侵占了大片农田，同时在自然条件下通过水源、空气污染了环境，造成煤矿周边地区或流域的环境问题，影响煤矿的可持续发展。综合利用煤矸石，解决环境污染问题迫在眉睫。本文重点介绍煤矸石在公路与铁路工程中作为路基填料的应用。
　　1煤矸石材料组成论文
　　煤矸石是由无机质和少量有机质组成的混合物，无机质中主要包括矿物质和水，构成矿物质成分的元素多达数十种之多，一般以硅、铝为主要成分，另外还有数量不等的Fe2O3，CaO，MgO，SO3，K2O，Na2O，P2O5等无机物，以及微量的稀有金属。本研究采用的是陕西黄陵矿区的煤矸石。其矿物成分组成见表1。
　　表1陕西黄陵煤矸石矿物成分组成
　　成分 含量 成分 含量
　　SiO2 50.33 MgO 0.57
　　Al2O3 21.69 K2O 1.94
　　Fe2O3 5.90 Na2O 0.91
　　CaO 0.57 SiO3+TiO2 1.25
　　 由表1可知，试验煤矸石主要由氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3组成，CaO，MgO含量很低，具有火山灰活性。该试验煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O3总含量达77.92%，满足规范要求（Σ>70%），性能比较稳定，且没有明显的不适用于路基填筑的组分。
　　2煤矸石材料室内试验论文
　　2.1筛分试验
　　 煤矸石由各种粒径的颗粒组成。自然级配较好的煤矸石适用于路基填方；自然级配差，大颗粒所占比例较大的煤矸石应先经过破碎处理或掺拌粉性土改良后使用。筛分试验依据《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）进行，经碾压破碎后的煤矸石按照2:3的比例将大于20mm和小于20mm的比例进行掺配后进行筛分试验，试验数据见表2。
　　 表2煤矸石筛分试验数据
　　筛孔尺寸/mm  通过筛孔的百分率（%）
　　 试验值一 试验值二 平均值 规范值
　　30 92.2 91.8 92 100~90
　　20 79.5 81 81.3 90~75
　　10 58.3 57.4 57.8 70~50
　　5 38 41 39.5 55~30
　　2.5 22.4 20.6 21.5 35~15
　　0.63 12 8 10 20~10
　　0.075 0 0 0 7~0
　　 由筛分结果可知，其颗粒级配基本符合规范要求，可直接用于路基填筑。
　　2.2自由膨胀率试验
　　自由膨胀率为松散的烘干土粒在水中和空气中分别自由堆积的体积之差与在空气中自由堆积的体积之比，以百分数表示。试验测定小于0.5mm煤矸石粉的自由膨胀率。
　　自由膨胀率：（%）
　　 V--------试样在水中膨胀后的体积
　　 V0--------------试样自由堆积体积
　　 经试验，测定煤矸石粉自由膨胀率为29.7%，规范规定，自由膨胀率<40%时可以直接作为路基填料。可知该煤矸石可直接用于路基填筑，但是相对于一般填土而言，煤矸石自由膨胀率要大，为减少后期路基膨胀的不良影响，煤矸石作为填料之前可做一些处理。
　　2.3压碎值及CBR值
　　 压碎值见表3。压实度为95%的煤矸石CBR值经试验测定值为30.1%。
　　表3试样压碎值试验结果
　　 m0(g) m1(g) 压碎值（%）
　　试样一 2869 632 22.03
　　试样二 2785 668 23.99
　　平均压碎值   23.01
　　 就压碎值指标而言，该煤矸石满足路用性能要求（<30%）；同时，在压实度为95%的煤矸石试样，CBR值达30%左右，远远大于一般填土在同等压实状态下的CBR值。
　　2.4抗剪强度试验研究论文
　　考虑到煤矸石中含有一定含量的细颗粒，且颗粒间存在一定的粘聚力，故采用库伦理论来研究煤矸石的抗剪强度。其公式为：。
　　采用直剪法来测定抗剪强度。抗剪强度试验前测得试样密度为2.08g/cm3。直剪法试验数据见表4.
　　表4试样直剪法试验结果汇总
　　σ（kpa） 200 300 400 500 600
　　τ（kpa） 168 253.4 318 384.6 446.2
　　 模拟可得库伦公式为：（见图1），相关系数R=0.998。从试验结果可知，煤矸石的抗剪强度较高，可以满足路基填料要求。
　　
　　图1试样库伦公式模拟曲线
　　3煤矸石路堤对路面结构设计参数的影响
　　由第2节内容可知，煤矸石的物理力学性质均能满足路基填料的要求，现比较煤矸石路基与土基对相同路面结构设计的影响。以某二级公路设计为例。基于HPDS路面结构设计软件，采用相同的路面设计参数及路面结构设计。煤矸石回弹模量分别采用120Mpa、130Mpa、140Mpa，土基回弹模量分别采用40Mpa、60Mpa、80Mpa，计算各自的弯沉值、层底拉应力，结果见表5。
　　表5煤矸石与土基的路表弯沉值及层底拉应力
　　路基形式 一般土基 煤矸石路基
　　 E=40Mpa E=60Mpa E=80Mpa E=120Mpa E=130Mpa E=140Mpa
　　路表弯沉值/0.01mm 31.3 26.2 23.2 19.8 19.2 18.7
　　底基层层底拉应力/Mpa 101 86 76 60 57 54
　　基层层底拉应力/Mpa 162 149 140 128 125 123
　　 对比煤矸石路堤和一般填土路堤可以发现，在路面层结构及载荷相同的情况下，煤矸石路堤的路表弯沉值比一般填土路堤要小37%左右，且煤矸石路堤层间拉应力要小于填土路堤的层间拉应力，表明煤矸石路堤较好的强度和刚度，使路面在相同的荷载及使用年限内能够承受更多轴载变形，而且其随时间的推移能够形成板体作用，可以进一步提高煤矸石路堤的强度和刚度。
　　4结论
　　本文对陕西省黄陵矿区的煤矸石试样进行一系列的室内试验，试验结果表明煤矸石试样的物理化学性质均能满足路基填料的规范要求，且试验测定的压碎值、CBR值、抗剪强度等同比一般填土，性能要高。本文采用相同的路面结构设计来比较煤矸石路堤和填土路堤，结论表明，在同样荷载及路面结构设计条件下，煤矸石路堤的强度及刚度均优于填土路堤，体现了煤矸石在公路与铁路建设中的价值。
　　参考文献：
　　[1]JTGE42-2005.公路工程集料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2005.
　　[2]JTGE40-2007.公路土工试验规程[S].北京：人民交通出版社，2007.
　　[3]高大钊，袁聚云.土质学与土力学[M].北京：人民交通出版社，2002.
　　[4]狄升贯，高速公路煤矸石路基路用性能研究[D]，长安大学，2008.

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