油页岩废渣的路用性能研究

赵瑞卿

摘要：文章为了研究油页岩废渣在路基工程中的可用性，在油页岩废渣中掺入不同比例的黏土，分别进行压实特性、CBR承载比、回弹模量试验。试验结果表明：（1）击实试验中，随着在油页岩废渣中黏土掺量的增加，改良土的最大干密度增加，且黏土对油页岩废渣之间的空隙进行了有效填充;（2）压实度为定值时，掺入黏土的油页岩废渣改良土的CBR值随着黏土掺量的增长而增长;（3）掺入黏土的油页岩废渣改良土的回弹模量随着黏土掺量的增加而增大。

关键词：油页岩废渣;路用性能;击实试验;CBR承载比;回弹模量

0 引言

油页岩属于可燃沉积岩的一种，同时是非常重要的非常规油气资源。该资源不仅储量大，而且开发性很强，在21世纪逐渐成为重要的替代能源。由于目前对油页岩的大规模开采，造成一种油页岩废渣消耗量远小于产出规模的不平衡现象[1]。

油页岩是一种非常重要的矿产资源，不仅可用于提炼燃料，而且可以直接燃烧从而进行火力发电。油页岩经过提取干馏过程或者焚烧后所剩下的物质就是油页岩废渣[2]。油页岩废渣同时包括在其开采过程中脱落的围岩。随着工业化的不断发展和深入，能源需求不断增加，油页岩开采也不断增加，从而导致油页岩废渣也越来越多[3]。油页岩废渣当前的消耗途径主要是用于制作建筑材料，但是经济效益不高，所产生的附加价值太低。另一种是利用油页岩提取化学元素，但是仍未解决提取后剩下的油页岩废渣的处理问题，未能从废渣中提取出的大量对人体有毒、对环境有害的物质会随着废渣风化的过程逐渐进入周围的土壤，对环境造成污染，使堆积场地附近的土地酸化毒化，降低土壤的可利用价值，最终危害到居民的身体健康[4]。

为了奉行可持续发展的根基理念，达到经济发展与环境保护协调共生，如何合理有效地利用油页岩废渣，化废为宝，是一个亟待解决的问题[5]。在公路路面和路基建设过程中需要大量的岩石碎渣，将油页岩废渣应用于上述工程中，在缓解路基建筑材料紧张稀缺的同时也可以解决部分油页岩废渣的后期处理问题，这样不仅可以创造一定的经济效益，而且可以使油页岩废渣得到充分有效的利用[6]。

为了研究油页岩废渣在路基路面工程中是否能够得到有效利用，发挥其经济价值，本文在油页岩废渣中掺入不同比例的黏土，进而研究其路用性能（下文中将油页岩废渣路基填土称为改良土）[7]。

1 工程概況

本次试验研究对象为我国北部某地区二级公路某路段，路段全长近1 000 m。该路段以较少的投资和造价修建尽可能宽敞笔直的路面，且自然环境较好，要求路面等级较高和通行能力较强。

本次采用的是产自某电厂的油页岩废渣，其具有页岩的薄片层状节理结构，其岩心处大多呈片理状结构，片状颗粒含量较多，松散无结块，通常在干燥或受外力情况下沿片状产生破裂。该油页岩废渣水分含量高，状态较为潮湿，具有较大的天然含水率。将提取过页岩油和火力发电后产生的油页岩废渣回收利用，作为公路建设中的路基填料。前期对油页岩废渣单质材料的化学、物理及力学性能进行了测试，由测试结果可知其具有以下特点：

（1）颗粒形貌均呈粒状，表面粗糙度高，粒径较小。

（2）材料的粗料密度与普通石料密度接近，吸水率均较高，油页岩电厂渣无膨胀性。

（3）对比普通碎石，油页岩电厂渣压碎值试验结果均较大，其强度较低。

将油页岩废渣作为路基改良土，其路用性能是否满足路用填料各项标准值得考究。因此，为缓解路基建筑材料紧张稀缺的同时解决部分油页岩废渣的后期处理问题，本次试验对改良土压实特性、CBR承载比、回弹模量展开研究，对提升公路工程建设经济效益及环境保护具有重要的意义。

2 试验流程及结果分析

道路路基填土材料必须满足相应的路用性能要求，因此对油页岩进行掺杂不同百分比的黏土进行压实特性试验、CBR承载比测定试验、回弹模量测定试验[8-9]。

2.1 改良土压实特性试验

路基填土材料在经过压实后可获得一定的密实度，从而使路基达到稳定性和强度的要求。由于油页岩废渣不能单独作为路基填土材料，因此，本文分别将15%、25%、35%、45%的黏土掺入油页岩废渣中进行压实试验，分别测试其最大干密度和最佳含水率。

通过击实试验得出测试结果如表1所示。

由以上数据可知：改良土的最大干密度随着黏土掺量的增加而增加。说明本批次试验所用的油页岩废渣颗粒较大，在和黏土混合后，随着击实试验过程的进行，黏土对油页岩废渣间的空隙进行填充。同时也可从上述数据中得出：随着黏土掺量增大，改良土的最佳含水率减小。

选取黏土掺量为35%的改良土的击实曲线进行分析，如图1所示。

由图1可见，黏土掺量为35%的改良土击实效果很好，再次证明了在击实过程中，黏土颗粒填充了油页岩废渣之间的间隙，使得改良土达到颗粒粒径级配上的良好状态。

同时可知，在击实过程中，改良土干密度在达到最大干密度之前，随着含水率的增加而增加。当干密度达到最大值后，改良土干密度随着含水率的增加而减小。

2.2 改良土承载比（CBR）测定试验

加利福尼亚CBR试验通常用于评估路基或路面材料的承载能力。土体的承载能力以其局部抗压变形能力为特征，以标准砂砾的承载能力为标准，CBR值以相对值的百分比表示，用其相对值的百分数表示CBR值。CBR试验通常分为室内CBR试验和室外CBR试验。为了减少外界因素的影响，本次采用室内CBR试验。

本次试验分别测试黏土掺量为35%和45%的改良土的CBR值。测试结果数据收集如下页表2所示。

为了更好地体现当黏土掺量为一定值时CBR值随着压实度改变的变化情况，绘制曲线图如图2所示。

由图2可知，当压实度一定时，掺入黏土的油页岩废渣改良土CBR值随着黏土掺量的增加而增加。35%和45%黏土摻量的改良土在不同压实度下均具有相当强度的CBR值，满足路基填料的相关工程规范，说明黏土的掺入能够极大地改善油页岩废渣的路用力学性能。同时，随着黏土掺量的提高，油页岩改良土的CBR值也得到很大提升。

2.3 改良土回弹模量测定试验

土体在受到压缩作用后会产生相应的弹性应变，将应力与应变之比称为回弹模量。在路基和路面设计中，回弹模量是一个重要的强度指标。需要注意的是，土体弹性模量代表了土体在弹性变形阶段在竖向荷载作用下的竖向变形抗力。

使用圆形承压板对土样进行压缩，从而测得回弹模量。本文采用室内“小承重板法”，分别在黏土掺量为35%和45%的情况下，对改良油页岩土回弹模量进行测试，采用式（1）来计算改良土的回弹模量。计算结果如表3所示。

E=πDP4h（1-μ2）（1）

式中：E——改良土回弹模量（kPa）;

D——刚性承载板直径（m）;

P——刚性承载板上的单位压应力（kPa）;

h——单位应力下的变形（m）;

μ——改良土泊松比。

由表3可知，改良土的回弹模量随着掺入黏土比例的增加而增大。同时该批次油页岩改良土的回弹模量数值很大，表示具有很好的承载能力，能够满足路用的基本要求。

3 结语

本次试验在室内条件下测试不同黏土掺入比例的情况下油页岩废渣改良土的压实特性、CBR值、回弹模量等路用性能。得出以下结论：

（1）击实试验中，随着在油页岩废渣中掺入黏土比例的增加，改良土的最大干密度增加。本批次试验所用的油页岩废渣颗粒较大，黏土在击实过程中对油页岩废渣间的空隙进行了有效填充。随着黏土掺量增大，改良土的最佳含水率减小。

（2）在压实度一定时，掺入黏土的油页岩废渣改良土的CBR值随着黏土掺量的增加而增加。

（3）掺入黏土的油页岩废渣改良土的回弹模量随着黏土掺量的增加而增大。

参考文献：

[1]陈洁瑜，严春杰，李子冲，等.油页岩渣的综合利用[J].矿产保护与利用，2006，12（6）：41-45.

[2]关荐伊，赵文辉，夏万东.油页岩渣的综合利用[J].化学世界，2009，50（9）：574-576.

[3]冯宗玉.油页岩综合利用研究[D].沈阳：东北大学，2008.

[4]叶吉文，杨 洋，徐明珠.油页岩资源利用与发展前景[J].中国资源综合利用，2010（6）：21-23.

[5]许晓东，关 旭，祝海燕.油页岩废渣在道路材料中掺量的配比研究[J].吉林建筑工程学报，2012，29（2）：27-30.

[6]张凤泉，李文强，关 旭，等.油页岩废渣在道路工程中的应用研究[J].吉林建筑工程学院学报，2012，29（2）：31-34.

[7]叶吉文，杨 洋，徐明珠.油页岩资源利用与发展前景[J].中国资源综合利用，2010（6）：21-23.

[8]JTG D30-2004，公路路基设计规范[S].

[9]JTG051-93，公路土工试验规范[S].