基于路基工程的平顶山煤矸石路用性能研究

侯 琳 曹安美

（河南建筑职业技术学院 河南郑州 450064）

煤矸石从本质上说是在开采煤炭和选煤过程中所产生的固体状态的废料，其大量的存在对生态环境造成了很大的破坏。而且对为了降低煤矸石的毒害作用还需要进行高价的化学处理，对资源造成了极大的消耗。作为煤炭产量的大国，中国将煤炭作为主要能源的现状在很长一段时间内不会有太大的改变。由于前期对生态文明建设的重视程度不够，因此，许多地区，尤其是矿区出现了大量的由煤矸石堆积而成的矸子山。煤矸石的产生主要是有三个方面组成：一是进行巷道开完时候直接产生的矸石；二是采煤过程中从夹层和底板、顶板中开挖出的矸石；三是在选煤洗煤过程中产生的洗矸石。其产量也是相当惊人的，大约为当年煤产量的百分之十到百分之十五。按照国家现在五位一体的总体战略布局，如何节能利废，保护生态环境使我们急迫要解决的问题。

目前中国正在加快城镇化的发展进程，存在大量的道路需要修筑。如果在矿区将煤矸石用于路基的填筑，那么将节约大量的运输成本和化学处理费用。由于各个矿区煤矸石的化学成分不尽相同，因此需要对不同产地的煤矸石分别进行施工设计。本文针对的是平顶山地区的煤矸石。

1 原材料主要性能指标

对平顶山矿区的煤矸石进行数据分析：

1.1 化学成分分析

通过PW2404 型X 射线荧光光谱（XRF）仪对平顶山煤矸石进行测定并进行常规的化学元素分析结果见下表

煤矸石主要化学成分的XRF 分析

1.2 堆积密度

表2 煤矸石堆积密度试验数据表

1.3 表观密度

表3 煤矸石表观密度试验数据表

1.4 煤矸石吸水性

浸泡煤矸石二十四小时。然后，用湿布擦拭烘干至恒重，计算两次吸水率求平均值如下：

表4 煤矸石吸水率试验数据表

1.5 煤矸石天然含水量

表5 煤矸石天然含水量试验数据表

2 煤矸石路面施工工艺流程

施工工艺流程：

（1）第一层包边土

（2）第二层包边土

（3）摊铺煤矸石

（4）机械整平（推土机）

（5）人工修整

（6）机械压实

（7）最终整平

（8）排水盲沟

（9）检测验收

第一层煤矸石压实完成后必须让路面自然降温，然后再进行下一层的施工。要防止对已经压实的路基造成扰动，必须做好现场的施工管理和人员的组织。

3 基于路基工程的煤矸石现场检测及结果分析

本文试验中的煤矸石产自平顶山的煤矿，煤矸石颜色偏灰红，在新郑龙湖鑫胜街KO+544.18～+635 段选取试验段进行灌砂法、SASW 法、贝克曼梁法，对施工路段的压实度进行研究。

通过灌砂法测试压实度，每次选取四个桩点，为防止水分发生变化造成测试结果受到影响，取出的土应即刻用塑料袋密封保存。施工时，第一遍压实采用静压式压路机，这样可以避免煤矸石产生较大的变形和起伏，然后采用振动压路机，规格六吨，碾压遍数6 遍。其中每两次压实后要进行压实度试验，测试压实度。根据试验结果绘制下图：

①碾压遍数与压实度之间的关系

图1 压实度与压实遍数关系

分析图1 得出如下结论：

（1）静压一遍后，4 个取样点3 个压实度在百分之八十六以上，4 号取样点在百分之八十六以下。

（2）在两遍压实以后压实度有很明显的提高，煤矸石的压实度受震动的影响比较明显。

（3）按照曲线分析压实遍数为四时，最利于施工。

（4）后期，压实遍数增多，压实度却下降。其原因主要是因为煤矸石的状态为可破碎块状颗粒，在碾压的过程中部分煤矸石被压碎，其颗粒级配遭到了改变，通过压力的传递和压实功使其压实度明显提高。但压实遍数达到一定值之后煤矸石被压成为更小的颗粒，颗粒组成结构被破坏，造成压实度下降。

（5）最终第一层的压实度平均值为百分之就是八点五，符合规范要求。

分析图一得出结论，第二层：

（1）整体来看，压实度与压实遍数成正比关系；

（2）第一遍静压之后第二层四个取样点的压实度基本都在百分之八十二以上，虽有的取样点接近；

（3）分析曲线变化，压实度与压实关系的关系曲线在前段变化显著，也是就振动压实两遍后压实度的提升非常显著，达到了百分之十一，震动对煤矸石压实度的影响也非常明显。

（4）其中一个也出现了在第四遍之后压实度降低的现象，原因同第一层。但是其他三个曲线仍旧平稳上升，说明压实度随着增加压实遍数仍旧可以提升，如果要获得更大的压实度，压实应在6～7 遍；

（5）压实度的最终平均值为百分之九十五点四，满足规范要求。

②剪切波速与压实度之间的关系

在施工期间，每经过一遍压实就通过SASW 法对波速进行一次测试。SASW （spectral analysis of surface wave）全称法检测是瑞雷波勘探技术中的瞬态瑞雷波法，又被称作为面波。本次试验在每次振动、压实后，测定一次。在试验段中选择两个截面四个点。经过六遍的振动压实，测得其波速都在不低于200m/s。按照试验结果绘制下图。

图2 煤矸石压实度与剪切波速关系

通过分析得到了煤矸石压实度剪与切波速之间的数理联系：

这就显示了他们两者存在着线性的关系，换句话说就是二者同减同增。分析上图得到结论：高频段的散点比较集中而低频段的就比较稀少且分布不均匀。

③剪切波速和碾压变数之间的关系

分析下图得出结论：第一遍碾压四至五遍最佳；第二遍碾压六至七遍最佳。

图3 煤矸石碾压遍数与剪切波速关系图

④煤矸石路堤的回弹弯沉测定

图4 贝克曼梁测试弯沉

弯沉检测是道路质量标准的否决性指标，决定着路基的承载力是否合格。本文采用贝克曼梁法来进行评定。其缺点是检测时产生的工作量比较大、检测的速度相对比较慢，可是经常用它来衡量工程是否达到竣工验收的要求。

首先确定日期，要求天气晴朗，并且统计试验前5 天的气温，计算平均值。试验当天的温度要求不低于13℃切不高于20℃。本试验选用的是解放载重车，其后轴重10t，刹车良好，真空胎内充气压力为0.7MPa。试验中往车内装填铁块，并用地磅称量后轴总质量，要求必须符合轴重规定并保持测试中不变。轮胎下方需要铺放崭新复写纸，通过千斤顶起落找到轮胎与地面的接触面积，要求精确到零点一立方厘米。核验弯沉仪百分表，检测其灵敏度是否符合要求。将载重车后轮轮隙对准测点后约3～5cm 处，将弯沉仪放在汽车后轮的中间空隙处，对准测点，注意贝克曼梁和胎不能接触，百分表调零安装在测定杆上。载重车以五千米每小时的速度缓速度行驶的过程中快速读取最大值，然后，在载重车远离桩点五公里之后记录最后数据。

试验结果表明煤矸石的强度完全能够满足路基填筑的强度要求。

综上所述，煤矸石可以应用于道路工程施工，并且能够响应国家节能利废、保护生态的号召。尤其是在矿区更能够节约运输成本，提高经济效益。