煤矸石作為道路基層材料的試驗研究

胡兆勝，張 鑫

(中化環境科技工程有限公司 北京分公司，北京 100070)

我國是全球煤炭開采量和使用量最大的國家，2018年我國煤炭產量占全球煤炭總產量的46.7%，煤炭消費量占全球煤炭消費量的50.5%[1]。煤炭在我國能源結構中也占有極大的比例，根據國家統計局數據顯示，2018年我國煤炭消費總量占能源消費總量的59%。2018年我國煤矸石產量為3.5億t，綜合利用率為53.7%。煤矸石累計堆放量約45～50億t，規模較大的煤矸石山約2 600座。煤矸石已成為我國排放量最大的工業廢物，約占我國工業固體廢物的1/4。煤矸石具有經濟的兩面性，一方面煤矸石會對環境造成污染，另一方面也是一種可以利用的資源。美國等西方發達國家的煤矸石綜合利用率已達到90%以上，而我國目前的綜合利用率僅略高于50%。我國煤矸石主要用于煤矸石發電(56%)、生產建材(32%)以及土地復墾、回填等(12%)，加快煤矸石的資源化綜合利用是我國以煤為主的能源結構的必然選擇[2]。

1 煤矸石的定義及分類

煤矸石是一種與煤層共生的灰黑色巖石[3]，其含碳量比普通煤炭低，但硬度高于煤炭，一般情況下，砂巖含量高的硬度在4～5，而頁巖含量高的硬度在2～3。煤矸石被歸為沉積巖類，是因為它是由多種礦物構成的混合物[4]。

煤矸石是煤礦在建設和原煤開采、洗選過程中產生的，主要包括煤層之中的巖石夾層，煤層頂板、底板，礦井掘進及原煤洗選過程中排出的巖石。一般情況下，其產生量占原煤產量的10%～20%[5-8]。

煤矸石一般是干基灰分大于50%的巖石[9]，主要成分是Al2O3、SiO2以及少量的MgO、Na2O、Fe2O3、CaO、K2O、SO3、P2O5和稀有元素等微量成分[10]。

關于煤矸石的分類命名，目前國內外至今尚無系統、完整和統一的方案，多是不同研究者根據某些特征提出自己的分類標準。對煤矸石的分類和命名不僅是煤矸石綜合利用的基礎工作，也是一項綜合性較強的工作。目前常見的分類依據有來源、自然存在狀態、分級分類法以及利用途徑分類法。

根據煤矸石的產出方式即來源可以將煤矸石分為洗矸、手選矸、煤巷矸、巖巷矸和剝離矸。其中洗矸和手選矸是選煤過程中產生的矸石，煤巷矸是采煤巷道產生的矸石，巖巷矸和剝離矸是掘進排出的矸石。各類矸石所占比例見表1。

表1 煤矸石比例

根據自然存在狀態可將煤矸石分為新鮮矸石(風化矸石)和自燃矸石兩類，這兩種矸石在內部結構上有很大的區別，因而其膠凝活性差異很大。

煤矸石分級分類法，以上方法對煤矸石進行分類只能反映煤矸石某一方面的特性，不利于煤矸石的綜合作用。歐洲各主要產煤國以及美國、澳大利亞等國對煤矸石的綜合利用進行了大量的研究，提出過多種分類方案，其中以前蘇聯的研究最具代表意義。他們按煤矸石的來源、特點、成分等不同指標分等級列出分類符號，然后根據各種利用途徑對煤矸石質量的要求，填入所需的分類符號。根據分類符號所規定的質量要求，可以方便地選擇煤矸石的加工工藝和綜合利用途徑。

根據煤矸石主要利用途徑，一是作為原料，二是利用其熱值，結合煤矸石的礦物組成和碳含量，對煤矸石進行了分類。

2 煤矸石在道路基層材料中應用現狀

在煤矸石的綜合利用途徑中，國內外將煤矸石作為一種工程充填材料，廣泛用于道路路堤及擋土墻、水利工程堤頊、工民建地基墊層等眾多的土木工程領域，這些已成為消耗煤矸石的主要途徑。近年來，我國交通事業的快速發展，道路的大規模興建，對道路基層材料的需求量越來越大；另一方面，我國對煤矸石的利用率還比較低，因此煤矸石作為道路基層材料具有廣闊的利用前景。這樣既解決道路征地取土的難題，同時又能大量消耗煤矸石，還將會產生巨大的經濟、環境和社會效益。雖然我國在1970年左右已對煤矸石的綜合利用展開了研究，但目前沒有相應的技術規范或標準。而且煤矸石的各項性能也會隨產地的不同存在差異，各煤礦對各自產出的煤矸石特性研究不夠，這些都嚴重限制了煤矸石的大規模應用。

目前，在發達國家，將煤矸石作為一種資源進行綜合利用，不但提高了煤炭企業的經濟效益，還更好的保護了環境，取得了良好的經濟、社會效益。此外，一些國家還研究了綜合利用過程中的相關技術、工藝和設備，并制訂了相關的技術標準。例如，英國按照一定的比例將自燃矸石和土礦物混合做成混合料，制成簡易的防滑路面；或將某些已經燃燒過的煤矸石破碎篩分后作為骨料用于生產低強度等級的混凝土和預混凝土砌塊等，僅此一項每年消耗的煤矸石可到達40～50 萬t。美國據不同的煤矸石種類制定了煤矸石綜合利用的系統規劃。利用燃燒過的煤矸石作為道路的工程材料，是目前煤矸石主要的利用途徑[11]。

3 水泥穩定煤矸石料試驗

此次研究選取寧夏靈武某選煤廠煤矸石進行試驗。從煤矸石原料中選取大塊煤矸石樣品，并將大塊煤矸石樣品破碎成0～16 mm和0～26.5 mm 2種粒徑的骨料。對破碎后的煤矸石進行篩分，得到2種煤矸石骨料中各個粒級產率。根據JTG/TF20-2015《公路路面基層施工技術細則》標準的要求設計煤矸石骨料級配，將0～16 mm和0～26.5 mm 2種不同級配煤矸石按照4∶6的摻配比例，配制成連續級配煤矸石骨料，級配設計見表2。

表2 煤矸石骨料級配比例

參照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》，按表2中煤矸石級配比例，對不同水泥摻量的煤矸石混合料進行試驗，試驗方案見表3。根據擊實試驗結果，確定最佳含水率及最大干密度，并進行試件成型、養生以及7 d無側限抗壓強度測試。

表3 水泥穩定煤矸石料試驗方案

4 試驗結果分析

4.1 煤矸石物理性質試驗結果

對煤矸石的壓碎值、吸水率、耐崩解性和燒失量等物理性質進行了測定，數值列于表4，煤矸石耐崩解性能較差。試驗過程發現泡水10 min后有些煤矸石開始分層開裂，有些開裂嚴重不能從水中完整取出，稍施加外力便呈粉碎狀。

表4 煤矸石物理性質

通過試驗可發現，該煤矸石為層狀結構，破碎后粒型不圓潤，針片狀較多。該煤矸石不易吸水，吸水率為6.6%，但短時間泡水后自身會發生層狀開裂，甚至呈粉碎狀，耐崩解性能差。

根據JTJ 034-2000公路路面基層施工技術規范的規定，煤矸石壓碎值26.3%，滿足水泥穩定土中碎石或礫石作為道路基層和底基層的要求。

4.2 水泥穩定煤矸石試驗結果

按照表3中2組配比，對其混合料進行擊實試驗，每組配比試驗5次，確定最佳含水率和最大干密度。試驗結果表明，C-1的最大干密度為2.089 9 g/cm3，最佳含水率為5.2%，C-2的最大干密度為2.087 6 g/cm3，最佳含水率為5.4%。

根據擊實試驗的最佳含水率與最大干密度試驗(表5)，計算所需要的原料量，進行試件的制備，每組配比制作6個試件，在標準養護室養生6 d，泡水1 d后進行無側限抗壓強度試驗，強度試驗結果列于表6。

表5 煤矸石擊實試驗結果

表6 煤矸石無側限抗壓強度試驗結果

試驗結果表明，煤矸石C-1、C-2組7 d無側限抗壓強度為1.5 MPa。依據JTJ 034-2000公路路面基層施工技術規范的規定，此次試驗結果處于規范中水泥穩定土作為底基層的低限值。規范中限值如表7所示。

表7 水泥穩定土的抗壓強度標準

規范中規定二級以下公路可取低限值；行駛重載車輛的公路，應取較高的值；二級公路可取中值；行駛重載車輛的二級公路應取高限值。按照此規定，對比此次試驗結果，顯示該煤矸石作為道路基層或者底基層材料可滿足底基層的最低要求。

試驗發現，煤矸石試件壓裂后順著裂紋，可以將試件外層大面積剝落。觀察壓壞試件的內部結構，可以發現煤矸石試件內部結構較疏松，大粒徑骨料自身呈層狀開裂狀態，斷面光滑?？梢娒喉肥旧韺訝罱Y構，耐水性能差，泡水后易分層開裂、粉碎，無法抵抗外界較大作用力，是其強度低的主要原因。

5 結 語

5.1 結 論

通過對該煤矸石物理性質實驗檢測與水泥穩定煤矸石路基材料試驗，可得出此次選取煤矸石滿足相關規范中作為道路底基層材料的最低要求。

此次試驗選用的煤矸石由于其本身為層狀結構，耐水性能差，泡水后易分層開裂，導致煤矸石試件抗壓強度較低。

5.2 建 議

此類煤矸石由于自身性質，導致僅能滿足規范最低要求，不利于工程推廣。國外以及國內眾多研究表明，部分煤矸石已經應用于道路基層材料中，且已經擁有應用案例。本次研究與國內外其他相關研究及案例表明，煤矸石有較大一部分是可以作為道路基層材料或者其他建筑材料應用，為了提高國內煤矸石綜合利用率，有以下幾點建議。

國內煤矸石種類繁多，需建立相應的分類標準，可通過此分類標準判定適用于作為道路基層材料的煤矸石。

國內缺乏相關標準規范作為煤矸石應用于道路基層材料的依據，應加快推進相關標準規范的建立。