煤矸石在高等级公路路基工程中的应用研究

刘延敏

（邢台华辰交通建设监理咨询有限公司，河北 邢台 054000）

0 引言

煤矸石是进行煤炭开采及加工过程中产生的废弃料，是煤炭的一种伴生岩石。随着煤炭的不断开采，煤矸石废弃料的产生也越来越多，由于煤矸石废弃料利用困难，因此被堆砌在矿区周围，裸露的煤矸石废弃料不仅占地面积大，在雨雪天气下还会发生化学反应，产生有害物质，对土壤及大气环境造成污染；而将煤矸石混合料应用于高等级公路路基填筑过程中，不仅能够减小环境污染和土地资源浪费，还能有效降低公路施工成本。

煤矸石混合料的路用性能与一般的填土或者填石填料有一定的差异，因此在对煤矸石混合料进行利用前，需要对煤矸石混合料的物理力学特性进行研究。本文以河北邢台高速改扩建工程为背景，以废弃的煤矸石混合料作为路基填筑材料，对煤矸石混合料的物理力学特性及路用性展开研究，为相关工程提供参考。

1 工程概况

案例工程为京沪高速公路的改扩建工程，以河北邢台高速扩建工程路基路面施工项目段为试验路段，JHK-YZ23 标段位于河北邢台境内，标段内设：真武互通、丁伙枢纽、江都东互通，桩号范围为K943+524.000—K969+534.093，全长26.010km。

2 煤矸石混合料物理力学性能试验研究

按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005），分析煤矸石混合料的颗粒级配、压碎值及性能指标。

2.1 颗粒级配

以4.75mm 为煤矸石混合料粗细骨料的界限值，对煤矸石混合料进行了颗粒级配测试，筛分结果如表1所示，煤矸石混合料级配曲线见图1。

表1 建筑垃圾级配组成

图1 煤矸石混合料级配曲线

由表1 及图1 可知，对煤矸石混合料进行筛分、破碎后的粒径较为均匀。另外，破碎后的煤矸石混合料粒径均不大于60.0mm，煤矸石的不均匀系数为9.2，曲率系数为1.3，煤矸石混合料的颗粒不均匀且级配连续，满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）中对底基层公称粒径的要求。

2.2 压碎值

煤矸石混合料的成分复杂，填料颗粒的强度不均匀，与天然骨料相比，煤矸石混合料的强度较低，因此需要对煤矸石混合料的压碎值进行测定，检测是否满足规范中对于路基填料的压碎值要求。

将一定质量的煤矸石混合料和天然骨料分别放在压碎机上的圆桶内，然后施加200kN的竖向荷载，将压碎后的煤矸石混合料和天然骨料进行2.36mm 筛分，根据下式可得到煤矸石混合料和天然骨料的压碎值：

式中：m为压碎前质量；n为筛分后质量。计算可得，煤矸石混合料的压碎值为30.1%，天然骨料的压碎值为20%。

与天然骨料相比，煤矸石混合料中软岩成分较多，在相同作用下破碎率更高，故煤矸石混合料的压碎值大于天然骨料。与天然骨料混合料的压碎值相比，煤矸石混合料的压碎值并没有出现较大的下降，由此可以得出，煤矸石再生后的混合料完全可以作为一种路基填料，在路基工程中进行再生利用。

2.3 承载比（CBR）值

为确定煤矸石混合料的路用性能，除物理指标检测外，还需要对煤矸石混合料的力学之间进行检查，施工过程中，通常利用CBR 值对煤矸石混合料的承载能力进行评价。具体试验步骤如下所示：

（1）通过击实试验确定煤矸石混合料的最优含水量及最大干密度，然后按照试验确定的最优含水量及最大干密度制备煤矸石混合料；

（2）分3 层将煤矸石混合料填筑到试桶内，每填筑一层煤矸石混合料后，击实98 次，尽量保证试验煤矸石混合料的压实度和现场煤矸石混合料的压实度保持一致；

（3）试样制备击实完成后，在加载板表面安装千分表，并记录初始读数；

（4）将制备完成的试样放入到水槽里面，浸泡48h，浸泡过程中使水槽内液面高于试件顶面大约25mm，利用千分表计算出煤矸石混合料的膨胀量；

（5）利用路面材料强度试验仪测定其CBR 值，试验结果为：膨胀率0.21%，CBR33.5%。

《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）中对于高速公路上路床路基填料的CBR 值要求是不小于8%，而本项目使用煤矸石混合料的CBR 值远远超过规范标准，表明煤矸石具有良好的承载能力，能满足使用要求。

3 煤矸石混合料路基承载力影响因素研究

施工过程中，利用煤矸石混合料作为路基填料时，需要对混合料进行掺土或者筛分等处理，其中掺土含量及细集料的含量是影响煤矸石混合料承载力的主要因素，因此通过室内CBR 试验，对不同细集料及掺土含量下煤矸石混合料的承载力进行研究，其中，颗粒含量小于5mm的集料称为细集料，其值大小用P5表示。

3.1 细集料含量对煤矸石混合料承载力的影响

设置煤矸石混合料中P5含量分别为15%、20%、30%、40%和55%，按照承载力试验方法，对煤矸石混合料进行装填、击实、浸水，最后测定不同细集料含量下煤矸石混合料的CBR值，如表2所示。

表2 不同细集料含量下煤矸石混合料的CBR值

利用Origin 软件，对试验结果进行二次多项式拟合，如图2所示。

图2 不同细集料含量下煤矸石的CBR值

由图2 及表2 可知，随着细集料含量的增加，煤矸石混合料的承载力表现为先下降后上升的趋势，当细集料含量达到30%左右时，煤矸石混合料的承载力最小，CBR 值为33.5%，和15%细集料含量相比，煤矸石混合料的CBR 值下降了26.4%；随着细集料含量的继续增加，煤矸石混合料的CBR 值开始回升，当细集料含量为55%时，煤矸石混合料的CBR 为48.7%，较30%细集料含量的煤矸石混合料CBR 值相比，CBR 值上升了45.4%。

由土力学知识可知，煤矸石混合料的CBR 值反映的是混合料内部颗粒抵抗变形能力的指标，其值大小主要由煤矸石混合料的黏聚力和内摩擦角两个力学指标决定的。根据前人的研究，当煤矸石混合料的压实度控制在95 左右时，当混合料内部的细颗粒含量在20%～80%之间时，煤矸石混合料的黏聚力和内摩擦角的变化规律比较明显：随着细颗粒含量的增加，煤矸石混合料的内摩擦角由36°减小到33°，而黏聚力却由25kPa 增加到45kPa，表明当细颗粒在15%～30%之间，煤矸石混合料的内摩擦角决定混合料的抗剪强度，因此CBR 值逐渐降低；当细颗粒在30%～60%之间，煤矸石混合料的黏聚力定混合料的抗剪强度，因此CBR值逐渐增加；由此可以得出煤矸石混合料随着细集料相对含量P5 含量的增加，其抗剪强度先减小后增大，即CBR先减小后增大。

3.2 掺土含量对煤矸石混合料承载力的影响

煤矸石混合料中的掺土量同样是影响混合料承载力的重要因素之一，因此在原状煤矸石混合料中设置的掺土含量分别为10%、20%和30%，然后进行室内承载力试验，并保证每层煤矸石混合料的击实次数为98次，得到不同掺土含量下煤矸石混合料的CBR 值如表3所示。

表3 不同掺土含量下煤矸石混合料的CBR值

利用Origin 软件，对试验结果进行绘制，如图3所示。

图3 不同掺土量下煤矸石的CBR值

由表4 及图3 可知，当煤矸石混合料的击实功相同的情况下，在煤矸石混合料中掺土能够有效提高煤矸石混合料的承载能力，如当掺土量为0%时，煤矸石混合料的CBR值为33.5%，掺土量为10%时，煤矸石混合料的CBR 值为44.8%，CBR 值提高了33.7%；掺土量为20%时，煤矸石混合料的CBR 值为48.1%，CBR 值提高了43.6%；掺土量为30%时，煤矸石混合料的CBR值为73.8%，CBR 值提高了120.3%。表明煤矸石混合料掺土量越大，则煤矸石混合料的承载力提高幅度越大。这是由于，在煤矸石混合料中添加一定量的土体，有利于改善煤矸石混合料的颗粒级配，填充了煤矸石混合料中大颗粒之间的空隙，使混合料的结构形式逐渐向密实骨架结构发展，从而提高了煤矸石混合料的固结特性和承载能力。

4 结论

（1）煤矸石混合料的不均匀系数为9.2，曲率系数为1.3，煤矸石混合料的颗粒不均匀且级配连续，满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）中对底基层公称粒径的要求。与天然骨料相比，煤矸石混合料中软岩成分较多，因此在相同作用下破碎率更高，但煤矸石混合料的压碎值没有出现较大的下降，可以在路基中进行再生利用。

（2）本项目使用煤矸石混合料的CBR 值远远超过《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）中对于高速公路上路床路基填料的CBR 值要求，表明煤矸石具有良好的承载能力，满足使用要求。

（3）随着细集料含量的增加，煤矸石混合料的承载力表现为先减小后增大的趋势，当细集料含量达到30%左右时，煤矸石混合料的承载力最小，CBR值为33.5%；当煤矸石混合料的击实功相同的情况下，在煤矸石混合料中掺土能够有效提高煤矸石混合料的承载能力。