浅析煤矸石填筑路基在安徽省S102线的应用

来源：职称驿站所属分类：材料科学论文
发布时间：2013-04-02浏览：37次

　　摘要：本文旨在介绍煤矸石的材质特征，作为路基填料需要满足哪些要求，施工中应注意哪些问题以及路用煤矸石对保护环境和促进可持续发展有哪些积极影响等几个主要方面。为在国内公路工程行业推广煤矸石（新材料）施工提供一些有益的参考。

　　关键词：煤矸石；路基填料

　　Abstract: This paper introduces the characteristics of the coal gangue, as the roadbed filler material, what requirement should be meet, what problem should be note in construction and what positive effects for road coal gangue to protecting environment and promoting the sustainable development these major aspects, which provide some useful reference to promote coal gangue (new material) construction in domestic highway construction industry.

　　Key words: coal gangue; sub grade filler

　　中图分类号：U213.1 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

　　路基作为公路和市政道路的主要构造物，其填方部分需要大量的土方。在土地资源和环境压力都很大的前提下，如何正确地解决好路基的调料问题，做到既修好公路又尽可能地节约土地资源和保护环境，在采煤地区推广利用煤矸石填筑路基则不失为一个有益的尝试和探索。煤矸石有何特性？作为公路和市政道路路基填料需要满足要求，有什么路用性能？施工工艺上有哪些区别于土路基的地方？路基填料采用煤矸石有什么意义？结合安徽省省道S102淮南山王段改造工程利用煤矸石填筑路基的工程实践，本文着重阐述这几个方面的问题。

　　1、工程概况

　　S102山王段位于安徽省淮南市八公山区山王镇，超载车辆多，车流量大，是我省道重要运输通道。其中2.5km新建段，路基填方15万m3，全部采用煤矸石填筑，粘土封顶、包边。该标段1999年7月开工，2000年5月完工。

　　2、煤矸石的材质特征

　　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，是煤炭开采生产过程中副产品。煤矸石主要属于沉积岩、分页岩、泥岩、砂岩3类，3类基本同时存在。煤矸石中含有较低的碳，主要矿物成分是伊利石、高岭石等粘土的矿物以及石英、云母、长石和少量的碳酸盐和硫铁矿等，从总体上说煤矸石属于黏土质原材料。煤矸石呈黑、褐色层状结构，油脂光泽，交易粉碎，路基成型后，其表面平整、密实。在暴露淋雨、浸水情况下，极小部分粗颗粒自然碎裂成粉状或片状。矸石有自然现象，显现在存放时间长的矸石山，自然后的煤矸石呈暗红色。

　　3、煤矸石的路用性能

　　S102山王段位于淮南市八公山区，周围有数座矸石山，为了验证其路用性能，根据相关规范要求，选择有代表性的矸石材料，进行了路用指标试验。

　　3.1天然级配

　　用筛分法进行粒度分析，计算各筛孔的累计筛余百分率，得出煤矸石的颗粒级配。筛分结果见表1。

　　表1 煤矸石天然样筛分结果（通过百分率%）

　　筛孔（mm）60402010520.50.250.10.074

　　1号矿91.577.857.621.37.84.10

　　2号矿96.759.539.137.58.611.84.40.60.2

　　3号矿89.973..449.536.516.512.23.91.80.2

　　4号矿92.571.852.029.812.58.74.92.10.7

　　从表1可以看出1号矿的煤矸石级配较差，粗颗粒成分较多，粒径＞40mm的煤矸石占20%以上，暂排除1号矿，对2、3、4号矿继续研究

　　3.2天然含水量

　　表2 煤矸石天然含水量测试结果

　　测试组第一组（%）第二组（%）第三组（%）平均含水量（%）

　　2号矿6.97.46.57.1

　　3号矿4.85.95.65.4

　　4号矿7.16.56.76.8

　　3.3液塑限

　　路基填料塑性指数的高低反映调料中粘粒含量的高低。用煤矸石作为路基材料，必然要了解煤矸石的界限含水量，依据《公路土工试验规程》（JTJ051-93）的规定，表3中所列几个矿堆矸石的塑性指数IP分别为8.1,8.8,6.4，均小于10，见表3。由此可以看出，煤矸石与土在性质上存在显著差异。

　　表3 煤矸石液塑限试验结果

　　矿区2号矿3号矿4号矿

　　wL30.929.128.3

　　wp22.820.221.9

　　Ip8.18.86.4

　　3.4自由膨胀率

　　由于煤矸石中含有少量的伊利石、蒙脱石，对各矿区取用的煤矸石应做自由膨胀率试验。一般地，膨胀性煤矸石的含量大于50%的混合填料不能用于路基填筑。经测定2号矿煤矸石材料自由膨胀率0.5、3号矿4.1、4号矿6.5，均﹤10%，可用作路基填料。

　　3.5压碎值及承载比（CBR）

　　经试验各矿煤矸石的压碎值均小于30%，就压碎值指标而言，各矿煤矸石都能满足路用要求，CBR试验各项CBR值均﹥15%。

　　综合以上试验，2、3、4号矿均满足路基填料要求，相对而言2号矿煤矸石级配良好，40mm以上颗粒小于5%，选择2号矿做击实特性研究。

　　3.6击实特性

　　击实试验，确定矸石的最大干密度和最佳含水量. 标准击实试验采用重型击实仪，经试验绘制标准击实曲线如图：

　　查标准击实曲线图可得最佳含水量8.2对应最大干密度2.05。

　　4、施工工艺

　　4.1机械配备

　　本项目采用推土机摊铺、平地机整平，机械碾压。配备120推土机、160平地机，20T振动压路机，18-21T静压各1台

　　4.2分层厚度确定

　　分层厚度初定25cm，15T振动压路机弱振1遍，强振2遍，随后静压碾压2遍。碾压时含水量控制在最佳含水量±2%。经200米试验段检查压实度均大于95%,压实效果良好，最终确定分层厚度25cm厚。

　　4.3土质路拱（包边和封顶）的填土不能为膨胀土，本路段采用粘土封顶、包边，封顶厚度40cm，边坡的填筑宽度至少为一个碾压宽度，且不得小于1.5m。由于煤矸石与素土的材质不同，特别是在雨天或抢进度期间，就成型层而言煤矸石层的水分蒸发比素土的快，覆盖上层填料的周期比素土层要短，容易形成煤矸石填料高出素土层很多，包边土贴（煤矸石）坡碾压，也就是土和煤矸石不能同层碾压的情况；再有二者的材料性质差别决定了即使在同层施工的前提下，它们的虚铺厚度及压实功都是不同的。在考虑这些情况后，尽量使二者同层施工是保证土质路拱包边土质量的关键。

　　本工程经通车运行10年检验，未发生路基质量问题，路基质量良好。

　　5、煤矸石路基施工应注意的问题

　　5.1压实度超百现象

　　压实度超百是煤矸石填筑的一个非常普遍的现象，但经过超尺寸粒径的校正后（校正方法本文暂不叙述），灌砂法检测压实度可以作为煤矸石路基压实度检测的方法，超百点就只是个别点了。压实度超百的原因如下：

　　5.1.1击实试验取样与路基施工填料取样存在差异。

　　填料中粒径大于40mm的煤矸石石块含量过多，而击实试验采用40mm以内的煤矸石，最大干密度相对偏低，击实试验的击实标准不能体现实际填料的击实标准，按此击实标准计算压实度肯定有超百现象。

　　5.1.2由于击实过程中将部分大颗粒煤矸石击碎，故击实后比击实前5～40mm颗粒含量较少，试验最大干密度相对偏低，颗粒校正后还有可能出现超百现象，但其影响不大，可采用校正后的最大干密度通过灌砂法进行煤矸石成型路基压实度的检测。

　　5.1.3煤矸石摊铺后，局部级配较差，细料少、骨料集中，碾压后表面不密实、松散，或者细料多、骨料少，碾压后表面浮灰多，平整度差。

　　5.2为防止温度变化和水化作用等引起路基中煤矸石的风化、崩解，保证煤矸石路基的稳定性，煤矸石路基需要设置土质路拱、碎石盲沟和排水沟、土质包边和封顶。包边和封顶的填土不能为膨胀土，包边土宽度不小于1.5m。

　　5.3填料分层厚度一般在25cm左右，最大不超过40cm，以便人工辅助机械剔除超尺寸颗粒，同时便于摊铺、平整、碾压等施工工序。采用平地机摊铺，摊铺后的煤矸石必须及时碾压，保证碾压含水量为最佳含水量±（1%～2%），尽量做到当天摊铺，当天碾压完毕。压路机宜为振动力在20T以上的中型或重型振动压路机。对报验合格后的成型煤矸石路基要洒水养生，以提高路基的整体强度和稳定性。

　　5.4尽量使用在矸石山自然后的煤矸石，这类矸石呈红褐色，它含遇水易崩裂的石质煤或煤粉少，有利于路基的长期稳定。

　　6、煤矸石填筑路基的意义

　　煤矸石是一种固体废弃物，除了本身侵占可利用土地甚至耕地外，且对环境极具破坏力。煤矿的排矸石量占煤炭开采量的10%～25%，是我国最大的废弃物资源。淮南市正在建设年产亿T煤城市，年产矸石约2千T。煤矸石需侵占大量土地，公路及市政道路用煤矸石能在很大程度上抑制上述因素对环境的破坏，另外，煤矸石代替土填筑路基，不需要取土坑，消除了取土对地表的破坏，从另一方面保护了环境。从环境保护和可持续发展的层面上讲，这种经济效益是无法估量的；从直接经济效益上讲，其量也是很可观的，因为煤矸石是不用花钱或相对土地资源来说花钱很少。现今淮南本地取土至少15元/m3。有关资料显示，未来10年，我国平均煤炭生产能力为35亿t，矸石排量则为年均3.5-8亿t，用煤矸石填筑路基，其意义是极为正面和积极的。

　　7.结论

　　7.1煤矸石作为一种路基用新材料，用来填筑公路路基是完全可行的，其材质特征符合路基填料路用特性的要求。

　　7.2用煤矸石作为路基填料需要满足的要求有：

　　有膨胀性的煤矸石占混合填料的比例不得大于50%；

　　煤矸石应采用硬质煤矸石，且存放5年以上，严禁使用泥质煤矸石；

　　石料强度不应小于15Mpa，石料粒径最大不超过压实厚度的2/3；

　　煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O3总含量应大于70%，烧失量不超过20%，有机质含量不超过10%。

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