（道路与铁道工程专业论文）煤矸石填筑路基的应用研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：私美 日期：年矿日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：缸关 日期：砷，年6 【月，夕日 指导教师签名： 日期：z 训年争月尸日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名：季娥 日期：硎f 年够月7 日 指导教师签名：z 鸠九 日期：么年孚月尸日 摘要 煤矸石是在煤矿建设、煤炭开采及加工过程中排放出的废弃物，是一种多种 软岩成分的混合体，属于“软质粗粒土 。如今大量堆积的煤矸石不仅占用大量耕 地、林地、居民地，而且污染大气、农田和水体，甚至危及人身安全，对社会和 环境造成很大的影响。 目前，重庆在建一条万盛至南川的高速公路，由于无法绕避，途径南桐矿区 芭蕉湾的煤矸石山。从节约成本和因地制宜的角度出发，将积存已久的煤矸石作 为在建公路的路基填料，具有一定的经济环境效益。然而目前路基规范中并没有 相应的指标和标准规范煤矸石的应用。本文以重庆市南桐芭蕉湾煤矸石山的已燃 和未燃煤矸石为主要研究对象，进行了大量的室内试验，对其路用性能展开了研 究。主要研究成果如下： 芭蕉湾煤矸石的物理化学组成、风化和自燃特性研究。结果表明已燃和未 燃煤矸石中都没有明显不适于路基填筑的化学成分，已燃煤矸石作为路基填料优 于未燃煤矸石。 芭蕉湾煤矸石的基本物理性质研究。通过室内试验，对已燃和未燃煤矸石 的表观密度、崩解量、压碎值等进行分析，结果表明相对于未燃煤矸石，已燃煤 矸石具有易分化、易崩解、压碎值低等特点。 测试稳定煤矸石路基混合料的击实特性及c b r 值。通过击实试验和承载比 试验研究得出已燃和未燃煤矸石混合料的承载力均能满足高速公路路基要求。 无机结合料稳定煤矸石路基混合料性能研究。通过稳定煤矸石的无侧限抗 压强度试验和收缩试验，得出水泥稳定未燃煤矸石作用显著，二灰稳定已燃煤矸 石效果明显。 稳定煤矸石路基混合料沉降分析。应用f l a c 软件对稳定已燃煤矸石路基 和粘土路基( 对照) 进行模拟，得出稳定已燃煤矸石路基和粘土路基水平位移和 竖向沉降相差不大，可见稳定已燃煤矸石混合料的路基方案是可行的。 关键词：已燃煤矸石；未燃煤矸石；路基填筑；无侧限抗压；收缩；数值模拟 a b s t r a c t c o a lg a n g u ei st h ew a s t ed u r i n gt h ec o a lm i n ec o n s t r u c t i o n ，c o a lm i n i n ga n d p r o c e s s i n g ，i sam i x t u r eo ft h ev a r i e t yo fs o f tr o c kc o m p o n e n t s ，b e l o n gt o ”s o f tc o a r s e - g r a i n e ds o i l ”n o wl o t so fa c c u m u l a t i o n so fc o a lg a n g u ec o u l dn o to n l yo c c u p yt h e c u l t i v a t e d l a n d s ，w o o d l a n d s ，r e s i d e n t i a ll a n d s ，b u ta l s op o l l u t et h ea t m o s p h e r e ， f a r m l a n d sa n dw a t e r , a n de v e ne n d a n g e rt h ep e r s o n a ls a f e t y i th a sm a d eas i g n i f i c a n t c o n t r i b u t i o nt on a t u r a la n ds o c i a le n v i r o n m e n ti tc a u s e sag r e a ti n f l u e n c eo fs o c i a la n d e n v i r o n m e n t a tp r e s e n t ，af r e e w a yw a n s h e n gt on a n c h u a nu n d e rc o n s t r u c t i o ni n c h o n g q i n g ， u n a b l et oa v o i d ，w a ya r o u n dt h em o u n t a i no fn a n t o n gm i n i n gc o a lg a n g u e f r o mt h e s a v i n gc o s ta n dt h el o c a lc o n d i t i o n so fv i e w , w i l la c c r u ea l r e a d yal o n gt i m eo fg a n g u e a ss u b g r a d ef i l l i n gc o n s t r u c t i o no ff r e e w a y ，h a v eac e r t a i ne c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l b e n e f i t s h o w e v e r , t h e r ei sn oc o r r e s p o n d i n gi n d i c a t o r sa n ds t a n d a r dt og u i d et h e g a n g u ea p p l i c a t i o ni nt h ec u r r e n ts t a n d a r do fr o a d b e d t h i sp a p e rt a k e st h eb u r n e dc o a l g a n g u ea n du n b u r n e dc o a lg a n g u ei ne h o n g q i n gn a t o n gb a ji a o w a ng a n g u em o u n t a i na s t h em a i nr e s e a r c ho b j e c t ，h a v i n gal o to fi n d o o rt e s t ，a n d c a r r yo u tt h e i rr o a d p e r f o r m a n c es t u d i e s t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： n ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，w e a t h e r i n ga n ds p o n t a n e o u s c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o a lg a n g u ei nt h eb a ji a o w a n r e s u l t ss h o wt h a tt h e b u r n e dc o a lg a n g u ea n du n b u r n e dc o a lg a n g u eh a v en o to b v i o u s l ys u i t a b l ec h e m i c a l c o m p o s i t i o nf o rs u b g r a d ec o m p a c t i o n t h eb u r n e dc o a lg a n g u ei su s e da ss u b g r a d e f i l l i n gb e t t e rt h a nu n b u m e dc o a lg a n g u e ( 爹t h eb a s i cp h y s i c a lp r o p e r t i e so fc o a lg a n g u ei nt h eb a j i a o w a n t h r o u g ht h e l a b o r a t o r yt e s t s ，a p p a r e n td e n s i t y ，c r u m b l i n gq u a n t i t ya n dc r u s hv a l u eo fb u r n e dc o a l g a n g u ea n du n b u r n e dc o a lg a n g u eh a v eb e e na n a l y z e d t h er e s u l ts h o w st h a tc o m p a r e d 、) r i t hu n b u r n e dc o a lg a n g u e ，b u r n e dc o a lg a n g u eh a ss e v e r a l c h a r a c t e r i s t i c s ：e a s y d i f f e r e n t i a t i o n ，e a s yd i s i n t e g r a t i o n ，a n dl o wc r u s hv a l u es oo n t e s ts t a b i l i z e dg a n g u es u b g r a d em i x t u r ec o m p a c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dc b r v a l u e t h r o u g ht h ec o m p a c t i o nt e s ta n dc a l i f o n i ab e a r i n gr a t i ot e s t ，i tc o n c l u d e st h a t t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fb u m e dc o a lg a n g u ea n du n b u r n e dc o a lg a n g u em i x t u r ec a nb o t h s a t i s f yt h ef r e e w a yr o a d b e dr e q u i r e m e n t s i n o r g a n i cb m d m gm a t e r i a ls t a b i l i t yg a n g u es u b g r a d em i x t u r ep r o p e r t i e s r e s e a r c h t h r o u g ht h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s ta n ds h r i n k a g et e s to ft h e s t a b i l i z e dg a n g u e ，i tc a nd r a wt h a tc e m e n ts t a b i l i z e ss i g n i f i c a n t l yu n b u r n e dc o a lg a n g u e a n dl i m ea n df l y a s hs t a b i l i z e ss i g n i f i c a n t l yo b v i o u s l yb u r n e dc o a lg a n g u e s t a b l eg a n g u es u b g r a d em i x t u r es e t t l e m e n ta n a l y s i s f l a cs o f t w a r ei sa p p l i e d t os i m u l a t es t a b i l i t yb u r n e dc o a lg a n g u es u b g r a d ea n dc l a ys u b g r a d e ( c o n t r 0 1 ) i ti s c o n c l u d e dt h a tt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n dv e r t i c a ls e t t l e m e n to fs t a b i l i t yb u r n e d c o a lg a n g u es u b g r a d ea n dc l a ys u b g r a d eh a sm u c hf e w e r , i tc a nc l e a r l yb es e e ns t a b i l i t y b u r n e dc o a lg a n g u em i x t u r eo ft h es u b g r a d ec o m p a c t n e s si sf e a s i b l e k e yw o r d s ：b u r n e dc o a lg a n g u e ；u n b u r n e dc o a lg a n g u e ；s u b g r a d ec o m p a c t n e s s ； u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ；s h r i n k a g e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 问题的提出1 1 1 1 研究的背景1 1 1 2 研究的目的和意义2 1 2 国内外煤矸石应用研究现状4 1 2 1 国外煤矸石应用研究现状4 1 2 2 国内煤矸石应用研究现状6 1 2 3 煤矸石作路基路面存在的问题8 1 3 主要研究内容9 第二章南桐矿区芭蕉湾煤矸石材料性能研究1 l 2 1 概述1 1 2 1 1 煤矸石的成因1 1 2 1 2 煤矸石的分类1 1 2 1 3 煤矸石的岩石组成1 3 2 1 4 煤矸石的化学组成1 4 2 2 煤矸石的自燃分析1 5 2 3 煤矸石的风化分析1 6 2 4 煤矸石的物理性能分析1 7 2 5 本章小结2 0 第三章稳定煤矸石路基混合料的性能研究2 1 3 1 概述2 l 3 2 原材料的性能2 l 3 3 稳定煤矸石路基混合料的物理性能2 4 3 3 1 稳定煤矸石路基混合料的击实性能2 4 3 3 2 稳定煤矸石路基混合料的c b r 值2 8 3 4 稳定煤矸石路基混合料抗压强度试验设计配合比3 1 3 5 稳定煤矸石路基混合料无侧限抗压强度试验3 4 3 5 1 抗压强度试件的制备及测试方法3 4 3 5 2 稳定已燃煤矸石路基混合料的抗压强度的试验结果分析3 5 3 5 3 稳定未燃煤矸石路基混合料的抗压强度的试验结果分析3 7 3 5 4 稳定两类煤矸石路基混合料的抗压强度对比分析3 8 3 5 5 不同结合料对稳定煤矸石路基混合料的抗压强度分析4 0 3 6 本章小结4 2 第四章稳定煤矸石路基混合料收缩性能研究4 4 4 1 概述4 4 4 2 稳定煤矸石路基混合料收缩试验4 4 4 2 1 稳定煤矸石路基混合料收缩试验配合比4 4 4 2 2 稳定煤矸石路基混合料收缩试验方法4 5 4 3 稳定煤矸石路基混合料收缩试验结果及分析4 6 4 3 1 稳定己燃煤矸石路基混合料收缩试验结果及分析4 6 4 3 2 稳定未燃煤矸石路基混合料收缩试验结果及分析5 3 4 3 3 稳定两类煤矸石路基混合料干缩性能对比分析6 1 4 4 稳定煤矸石路基混合料干燥收缩机理分析6 3 4 5 本章小结6 7 第五章煤矸石路基沉降数值分析6 9 5 1 工程背景概况6 9 5 2f l a c 数值模拟方法7 0 5 2 1f l a c 简介7 1 5 2 2f l a c 的基本原理7 2 5 3f l a c 模型建立及分析7 6 5 3 1 路基结构设计7 6 5 3 2 模型描述7 7 5 3 3 模型的本构关系7 8 5 3 4 模型建立7 8 5 3 5 沉降模拟结果及分析8 0 5 4 本章小结8 5 第六章结论与展望8 6 6 1 主要结论8 6 6 2 进一步研究建议8 8 致谢j 8 9 参考文献9 0 在学期间发表的论著及取得的科研成果9 2 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 煤矸石简称矸石，是指在煤矿建设、煤炭开采及加工过程中排放出的废弃物， 是一种多种软岩成分的混合体，属于“软质粗粒土”n 】。它是在成煤过程中与煤层 伴生的一种含碳量低、比较坚硬的黑色岩石，但实际上并非单一物质，而是由碳 质页岩、碳质砂岩、砂岩、页岩、粘土等岩石组成的混合物。 1 1 1 研究的背景 近年来，人们环境保护意识日益加强，有关于各种工业废渣的利用越来越引 起重视，国家也非常支持、重视对煤矸石的综合开发利用，但是由于一方面煤矸 石的总排放量一直增长，另一方面废料综合利用的数量不大，未利用的煤矸石多 采用圆锥式或沟谷倾倒式自然松散地堆放在矿区四周，成为排放量和堆存量最大 的一种固体废弃物。 我国是一个煤炭生产大国，是一个以煤炭为主要能源的发展中国家，在一次 能源消耗中，煤炭占7 5 左右。据统计乜1 ，目前我国的煤矸石排放量约占煤炭开采 量的1 5 左右，随着优质煤层资源的枯竭，这个比例还会增加。从煤炭开采来看， 中国每年生产1 o x l 0 8t 煤炭，排放矸石1 5 x 1 0 7t 左右；从煤炭洗选加工来看，每 洗选1 o x l 0 8t 炼焦煤排放矸石量2 0 x 1 0 7 万t ，每洗1 o x l 0 3t 动力煤，排放矸石量 1 5 1 0 7t 。2 0 0 5 年，国内各类煤矿生产煤炭1 0 4 5 1 0 1 1t ，洗煤3 8 5 x 1 0 1 0t ，排放 矸石量1 9 2 o x l 0 9t 。所以，全国国有煤矿现有矸石山1 5 0 0 余座，堆积量 3 0 x 1 0 9 t 以上( 占中国工业固体废物排放总量的4 0 以上) 。我国煤矸石年排放量 超过4 0 0 万吨的有东北、内蒙古、山东、山西、河北和陕西等省，另外，四川和 其它省、自治区也排放大量的煤矸石。煤矸石排放量比较多的地方集中在北方。 煤矸石是工业发展过程中不可避免的固体废弃物，目前大量的煤矸石堆存在矿区 周围，是由于我国经济条件不足、技术跟不上发达国家，煤矸石的综合利用比例 不到3 0 ，因此而形成了特有的景观元素煤矸石山口1 。 重庆南桐矿业公司砚石台煤矿附近煤矸石山，位于万盛区丛林镇芭蕉湾，地 表高程+ 4 0 0 m 一- + 4 6 0 m ，沿山坡自然堆放，基岩为灰岩，矸石山长约8 0 m ，宽约3 5 m ， 高近4 0 m 。此煤矸石山为砚石台煤矿堆放矸石形成，堆积面积约0 0 9 平方公里， 总量约3 0 0 万m 3 。2 0 0 5 年1 1 月起停止堆积矸石，目前已封场，并对堆体表面进了 整治和植被恢复，封场后堆体基本稳定， 带温湿季风气候区，气温温和降雨充沛， 地表植被长势良好。矸石山地区属亚热 为煤矸石的自燃提供了良好的条件。根 2 第一章绪论 图1 1 芭蕉湾现场的煤矸石山 f i 9 1 1t h e c o a lg a n g u eh i l ls i t ei nt h eb a j i a ow a n 据自燃程度分类，煤矸石可分为已燃煤矸石( b u r n e dc o a lg a n g u e ) 与未燃煤矸石 ( u n b u r n e dc o a lg a n g u e ) 两大类。目前矸石山范围内燃烧较严重的地段为矸石山的 北侧，地表堆积的矸石已燃烧变色。 由于地形、地貌条件的限制，重庆在建万盛至南川的高速公路l k 6 + 4 0 0 - - - , l k 6 + 7 7 5 段以填挖方形式经过了此煤矸石山。从节约成本和因地制宜的角度出发， 可以将现场的煤矸石作为拟建公路的路基填料。此举有两个明显的优势：首先， 路基对煤矸石的有害成分含量限制不严，对其的品质和种类没有特别的要求，多 种类型煤矸石都能够适用；其次，如果将煤矸石应用到路基工程中，不但具有消 耗量大的优点，还无需进行特殊技术手段和特殊处理。因此，将煤矸石用做路基 材料是一种有效地利用煤炭工业废料有效途径，但由于煤矸石自身的特点能否用 作路基填料是值得研究的课题。 1 1 2 研究的目的和意义 大量废弃的煤矸石长期堆积于地面，不仅会占用大量耕地、林地、居民区和 工矿用地，破坏地质地貌和自然景观，而且煤矸石因自然产生的氮氧化物、c o 、 s h 。和s 0 2 等有毒气体渗出会污染大气、农田和水体，严重影响和危害人们的生活 和健康。因此，从全局角度着想，如何合理有效地综合利用煤矸石已经是一个刻 不容缓、亟待解决的社会问题。 经过长期淋溶、风化、氧化自燃等物理化学反应作用，露天堆放的煤矸石， 会产生一系列环境问题，见下图所示h 3 。 第一章绪论 3 图1 2 矸石堆积的环境岩土效应 f i 9 1 2e n v i r o n m e n ta n dg e o l o g i c a le f f e c to f t h ea c c u m u l a t i o no f c o a lm i n i n gw a s t e 煤矸石对社会环境的污染和危害具体表现在以下几个方面： 占用土地资源。煤矸石山堆积在地面，包括一部分排放在山沟内，占用了 大量的土地资源，打破了原有的生态系统结构，破坏了区域景观，同时也造成矿 区周围众多的社会问题。煤矸石黑色表面吸热力极强，夏日中午煤矸石地表温度 常达4 0 以上，导致矿区气温升高，对矿区生活环境造成一定程度的影响。 污染大气。煤矸石在提升、运输、堆放过程中，遇风形成的粉尘颗粒，其 风化粉尘中含有对人体有害的金属元素，如：n g 、c d 、c r 、c u 、a s 、m n 、z n 、等： 飘浮在空气中的粉尘颗粒小的( 小于5 微米) 会被人体吸入肺部，导致气管、肺 部等方面的疾病，严重时还能导致癌症；大粉尘颗粒( 大于5 微米) 会留在人的 鼻腔中，引起鼻腔感染，若进入眼中，会引起各种眼疾。 破坏矿区景观。矿区景观的破坏主要表现在自然景色上。煤矸石山山体高 大多为灰黑色，在许多煤矿周围，黑压压、光秃秃的煤矸石山已然成为矿区首要 的标志物；有时自燃会冒着白色的烟雾，漫天飘扬的矸石粉尘降低了空气的光照 和清洁度，另外，因为矸石山风蚀扬尘，建筑物、植被和树木上面都被尘埃覆盖 着，使其失去了原来的色调，对环境质量有很大的影响。 自燃危害。一座矸石山的自燃可长达十几年至几十年，会产生大量的一氧 化碳、二氧化硫等有毒有害气体，这些气体对植物会产生危害，对人体同样也会 造成严重的危害。据数据统计，在自燃矸石山周围地区生活的居民的呼吸道发病 率明显高于其它地区。 引发地质灾害。煤矸石山多为自然堆积而成，内部结构疏松，坡度较大， 受煤矸石中的有机质灰化、炭份自燃以及硫元素的分解挥发的影响，煤矸石山的 边坡稳定性一般较差，非常容易发生滑坡和崩塌。松散煤矸石的堆积在沟谷会变 成泥石流的物质源，如果山谷中有径流条件，就可能形成泥石流灾害。 4 第一章绪论 有毒重金属污染。煤矸石都是露天堆放的，经过长期淋溶、风化、氧化自 燃等物理化学反应作用，比如铅、汞、砷、镉、铬等有毒重金属元素通过雨水淋 溶进入下游水域或者渗入土壤，对当地农田造成严重的重金属污染，这些元素的 含量和淋溶量的大小决定了重金属污染的程度。 水体污染。煤矸石中普遍存在较高的硫分、碳份和其他有害元素，在风化 和雨淋的双重作用下，促进了其中的有害元素的活性，部分被激活且溶解析出的 有毒物质进入水体或渗入土壤，导致地表水和地下水的可溶盐类增多、硬度提高， 这样的水体不但不能作为饮用水源，以其作为灌溉水源还会导致土壤盐渍化m 1 。 综上所述，煤矸石的大量排放对社会和经济造成的影响已不容忽视，煤矸石 的处理问题已成为当务之急。煤矸石是固体废弃物，同样又是可利用的资源，具 有双重性1 。最近几十年来，国内外在煤矸石的资源化综合利用方面进行了大量研 究，取得了许多令人瞩目的成就。同时，在煤矸石利用的过程中，由于采用的利 用途径不当，还普遍存在着资源利用不充分、经济和环境效益不明显等甚至还存 在有严重的二次污染问题。煤矸石综合利用可行性评价研究的目的是为了是煤矸 石综合利用更加合理，既满足技术要求，同时又具有较高的经济效益和社会效益。 从长远的角度出发，也使煤炭工业走上一条可持续发展的良性循环道路。本论文 研究的目的和意义是根据煤矸石的特点研究其稳定性方法用于填筑路基，因此具 有一定的经济环境效益。 1 2 国内外煤矸石应用研究现状 世界各国都很重视煤矸石的处理与应用。自上个世纪6 0 年代开始，煤矸石的 综合利用就已经引起很多国家的重视，到7 0 年代国外的部分矿区煤矸石利用率就 很高了。目前国内外主要从两方面解决煤矸石的社会环境问题h 1 ： 采取一定的措施控制煤矸石山的物化作用，此方法需投入大量的资金。 对煤矸石进行综合利用，通过减少煤矸石的地面堆积量达到治理的目的， 此方法将产生巨大的经济效益。 1 2 1 国外煤矸石应用研究现状 国外煤矸石的综合利用在二次世界大战以前就已经开始启动，利用途径有两 种，分别是资源回收利用和工程利用。资源回收利用的表现形式是：矸石砖、矸 石发电及矸石水泥生产、伴生矿物的提炼；工程利用主要是将煤矸石作为填充材 料进行复田和土工利用。这边主要对土工利用进行概述： 现今，煤矸石于土木工程中的应用在国外己成为消耗煤矸石的主要途径。煤 第一章绪论 5 矸石作为一种充填材料，基本上国外是将其广泛用于公路、铁路、挡土墙、构筑 堤坝、构筑路堤和工民建的地基垫层等众多的土木工程领域。 英国已燃煤矸石约有1 6 亿吨，每年销售量约在6 0 0 - - 7 0 0 万吨之间，其中大 部分为已燃煤矸石，用作公路、填坝和其他土建工程的普通充填物。多年来已燃 煤矸石得到广泛的利用，被认为是一种优良和经济的材料，或者用4 ：1 的比例把 已燃煤矸石与铝土矿物混合起来，可以制成满意的防滑路面。另外，某些已燃煤 矸石用作混凝土骨料，特别是低标号的混凝土，只需要破碎和筛分，但煤矸石中 含有硫酸盐是不利的因素，若含硫量合乎标准要求，碳质页岩、尤其是已经燃烧 过的页岩，可以代替砾石制造混凝土h 1 。 美国司矿业局从2 0 世纪7 0 年代开始，对全国所有的煤矸石堆场进行了采样 分析，作出了煤矸石综合利用的规划。发现利用燃烧过的煤矸石渣作为筑路材料， 是目前煤矸石消耗量最大的一种途径。另外，在宾夕法尼亚州，燃烧过的煤矸石 用作没有整修的道路面层。宾州采矿公司调查了燃烧过的无烟煤矸石可以用作防 滑材料，并随后又进行了几项试验，结果表明：用煤矸石和沥青混合可制成特别 坚固的混合料，这个混合料可用作修补路面及路面处理的材料，或机动车辆的铺 路材料1 1 1 。 前苏联顿巴斯矿区每年排出约6 0 0 0 万吨煤矸石，积存的矸石约8 亿吨。煤和 硫在空气中因氧化而自燃，使煤矸石经受自燃锻烧变成烧岩，这种烧岩经常当作 碎石用，铺在沥青混凝土路面下作双层垫层的底层，每平方米造价比利用高炉矿 渣低一半。利用烧岩在区内建了约5 0 0 k m 的大、小街道和人行道。该区每年要用 4 0 5 0 万m 3 烧岩作为回填材料和在工业建筑区内作为平整场地用。烧岩还可用作沥 青混凝土石粉，这种石粉比惰性石粉便宜3 5 4 0 ，并且沥青混凝土质量不变， 而路面的稳定性和耐久性提高。烧岩磨细后，可用来生产蒸压加气混凝土或泡沫 混凝土制品，少量用作波特兰水泥的活性矿物掺料。用烧岩骨料制成的混凝土， 实践证明可以用于基础和其它地下结构，这种混凝土可大量用于低层建筑和工业 建筑。烧岩砌块用作墙体自承结构的材料特别有效。前苏联煤炭部科技委员会于 1 9 8 7 年召开了煤矸石的分类、性质和综合利用的专题会议，研究了综合利用过程 中的相关技术、工艺和设备n 羽。 法国将红色煤矸石( 堆积场黑色页岩的自燃渣) 进行破碎划分等级，用于空 地和公共场所表面装饰，铺路或停车场，年用量达已达4 0 万吨 - - 5 0 万吨。从2 0 世纪7 0 年代起，2 0 年中他们共利用煤矸石1 亿多吨，主要用来制砖，生产水泥和 铺路。法国道路公路技术研究部和道路桥梁实验中心，在研究中发现，煤矸石是 很好的建筑充填材料，很容易分层铺成3 0 c m 4 0 c m 的路基，易于压实，干密度可 达1 8 1 9 c m 3 ，使路基具有良好的不透水性。近些年来，以煤矸石作建筑材料，从 6 第一章绪论 城市道路发展至乡村道路，从轻荷载汽车道路发展到重载荷公路、铁路路基，人 行道甚至到公园小路和运动场地等。 作为一种筑路材料，煤矸石也已经大量应用于各国公路网的建设中，如美国 宾夕法尼亚州公路网，法国北部公路网，德国r u h r 地区公路网，英国n o t i n g h a m 、 l i v e r p o o l 等地区干线公路及g a t e s s h e a d 高速公路等n 3 儿“1 ； 在铁路工程中，煤矸石也可以作为路基填料，如英国g l o u c e s t e r 、c r o y d o n 铁路编组站、v i c t o r i a b r i g h n e 铁路等： 在水工建筑中，煤矸石可作为坝体和路堤填充材料，如拦海坝、潜坝，海岸 护堤水库大坝、运河河堤等； 在其他方面，煤矸石作为地基垫层广泛的用于停车场地基、软弱地基处理等。 1 2 2 国内煤矸石应用研究现状 多年来，我国对煤矸石应用于公路工程进行了大量的理论研究和应用试验研 究，取得了较好的成果。 煤矸石在工程利用中的理论研究现状： 在理论研究方面：张惠民n 目对煤矸石路基的设计施工及煤矸石的成分、强度 机理进行了研究，通过对充州、淮北矿区的煤矸石路基试验路段的观测和机理分 析，阐述了煤矸石成份、强度机理以及煤矸石路基的设计与施工，并指出了存在 的施工问题。 刘俊尧等n 6 1 对煤矸石用作道路基层材料的性能应用分析，对煤矸石混合料的 强度、冻稳定性和抗温缩防裂性能进行了研究，得出煤矸石混合料作为路基的优 越性和经济性。 方磊等n 7 1 对煤矸石的压实机理和煤矸石路堤质量控制方法进行了研究，通过 对煤矸石压实机理的分析，指出煤矸石路基的压实过程可分为两个阶段，即颗粒 重组和颗粒破碎使粗大矸石比例下降，细颗粒比例提高，颗粒级配得到改良，压 实程度得到提高，分析了含水量、压实能量和铺筑层厚度等施工条件对煤矸石路 基填筑的影响，提出了可采用压实计法、表面波法和碾压沉降差法对其填筑质量 进行控制。 郭秀岗等n 8 1 对软土地基煤矸石路基的施工工艺进行了研究，通过对软土地基 煤矸石路基的设计和施工方法的研究，为工程实际提供了参考价值。 刘登攀等n 鲫对煤矸石填筑路基在城市道路工程中的应用进行了研究，结合徐 州市“时代大道 路基工程软土、液化土地基处理，对煤矸石基本物理力学性质 进行了研究，并根据这种材料的特点，提出煤矸石路基填筑施工工艺和方法。 闫秀萍啪3 结合平顶山一临汝高速公路工程对煤矸石作为高速公路路基填料进 第一章绪论 7 行了较为系统的研究，提出煤矸石作为高速公路路基填料施工控制方法、措施及 应注意的事项。 赵国智等乜门以充州矿区用煤矸石填筑路基为例对煤矸石作铁路路基的技术经 济进行了分析研究，分析了煤矸石的物理、化学性能对铁路路基的影响，进行了 煤矸石作为路基填料的技术和经济分析，指出煤矸石路基提高了路基工程质量， 降低了工程造价。 刘春荣嘧1 等通过煤矸石基本物理力学性质的研究，对其在路基填筑中应用的 主要问题进行了探讨，提出了煤矸石作为筑路材料时压实度的检测方法。实践表 明，道路建设中利用煤矸石在技术上是可行的，并且在道路工程中的应用将产生 巨大的经济效益、环境效益和社会效益。 姜振泉呦1 等对煤矸石的颗粒破碎和压密作用机制进行了试验研究，研究表明 煤矸石的压密性与一般工程用土的压密性有实质差异，压密过程和结果受矸石本 身颗粒破碎特性的影响显著。刘松玉幽3 等对煤矸石的强度特征做了相对系统的试 验研究，得出了其试验煤矸石的强度公式。刘松玉、童立元汹1 等对徐州北部地区 路用煤矸石的基本粒度特性及其颗粒破碎细化规律进行了试验研究，综合分析了 其对各种工程力学特性的影响，在此基础上提出了适合当地煤矸石的强度与变形 本构模型。 2 0 0 3 年，吉林省交通科学研究所立项开展了采用煤矸石作为筑路材料的可行 性研究。通过室内试验，掌握了煤矸石的级配组成、物理、化学、工程力学性质， 并与土的相应指标作对比试验，着重分析了路用性能指标，论证了利用煤矸石作 为道路建筑材料的可行性，制定了设计方案和施工工艺。通过试验段的铺筑，验 证了利用煤矸石作为道路建筑材料是完全可行的，且其强度明显优于土。 煤矸石在工程利用中的应用研究现状： 在工程应用方面：1 9 9 5 年，山东省交通科研所、山东省枣庄市交通局、山东 省枣庄市公路管理处联合成立课题小组对“1 0 4 国道枣庄段使用煤矸石路堤 进行 了研究与论证，修筑的煤矸石试验路堤，经过多年使用状况良好。 1 9 9 7 年山东省2 0 5 国道张博段全长4 0 k m ，经试验采用煤矸石作为筑路材料， 试验表明煤矸石底基层强度比1 2 石灰土底基层强度略高，完全满足公路整体强 度要求，该路段至今运营情况良好。另外，在该路段附近兴隆庄洗煤矿厂进行了 煤矸石作路基填料的试验段，试验表明煤矸石路基强度远高于土路基，煤矸石铺 筑厚度在2 米以上的路段煤矸石的回弹模量可达l o o m k a 以上，具有良好的力学性 能。 1 9 9 8 年修建的鹤伊( 鹤岗至伊春) 高速公路，其k o + 0 0 0 一k 1 3 + 6 5 0 路段为平原微 丘区，地表层为中液限粘土，含水量较大，地下水位高，属季节性冻融区。公路 8 第一章绪论 建成后，主要承担鹤岗煤炭资源及林区木材的运输任务。通过对煤矸石的理论和 实践研究，确定采用鹤岗煤矿丰富的煤矸石作为此路段路基填料。一则可满足大 吨位车辆荷载的作用，减少东北地区特有的冻胀现象；再则可节约土地，加快工 程的进度。 徐丰公路( $ 2 3 9 ) 庞庄矿区段1 2 k m 塌陷区路段( 行车道宽2 1 m ，重交通量， 由徐州市公路管理处承建) ，路基全部采用煤矸石填筑，填筑高度为6 - - - l o m 。原路 面结构设计为2 5 c m 二灰煤矸石+ 6 c m 沥青贯入，为临时路面，后改为2 5 c m 二灰煤 矸石+ 1 5 c m 二灰结石+ 6 c m 沥青贯入+ 2 c m 沥青表面处理，设计为永久路面，施工期 3 5 个月。该路段己于1 9 9 5 年3 月施工完毕，现使用性能良好。 山西介休汾西矿务局洗煤厂专用线d k o + 0 9 0 d k o + 7 1 8 6 4 段采用分层法填筑 煤矸石路堤，共填筑煤矸石4 7 0 0 0 m 3 。工程于1 9 9 6 年1 2 月竣工，经过4 年多的运 营与观察，路堤质量稳定。 1 9 9 9 年，徐州市政府建设的“时代大道 ，全长3 5 k m ，路幅宽l o o m 。道路的 软地基处理和道路填筑需要大量土方和其它建筑材料。为了节省筑路土方、降低 公路造价、保护环境，采用煤矸石作为路基填筑材料。现在道路基本完工，煤矸 石路基处理取得了成功，效果良好。 湖北省荆南公路k 1 9 + 5 0 0 k 5 9 + 5 0 0 段垫层( 厚1 5 c m ) 直接采用煤矸石铺筑， 材料同基层所用煤矸石，施工方法同碎石垫层，基层( 厚2 0 c m ) 采用石灰土煤矸 石。1 9 9 6 年1 月至1 9 9 7 年7 月完成2 5 0 米试验段及k 1 9 + 5 0 0 k 4 9 + 5 0 0 段基层， 次年铺筑渣油表处路面，1 9 9 8 年3 月至1 9 9 9 年7 月完成k 4 9 + 5 0 0 k 5 9 + 5 0 0 段基 层，次年铺筑渣油表处路面。 平顶山至临汝高速公路是交通部“国家重点公路建设规划 中所确定的1 6 条 东西向干线之一的上( 海) 洛( 阳) 国家重点公路之重要段落，也是河南省干线 公路网规划确定的“五纵、四横、四通道”中的一横。按双向四车道高速公路标 准设计，路基总宽度2 8 m 。该项目的n o 4 合同起迄桩号为k 1 8 + o o o - - - , k 2 8 + 2 0 0 ，全 长1 0 2 k m ，路基填方2 1 5 0 2 7 4 m 3 ，全部用煤矸石填筑，粘土包边。该标段2 0 0 3 年 1 2 月开工，2 0 0 5 年7 月完工，使用状况至今良好啪1 。 1 2 3 煤矸石作路基路面存在的问题 煤矸石在全国的范围内分布广泛，我国地大物博，南北气候降雨迥异导致各 地的煤矸石的物理化学性质差异很大，也就是说煤矸石的区域性较强。有时同一 处的煤矸石由于风向、朝阳等因素，会引起强度和粒径的不均匀性，并且对煤矸 石的微观结构、力学特性和成型理论等缺少系统的认识。目前，煤矸石的道路工 程方面的应用有待系统的深入的研究。因此，煤矸石在公路工程中存在的主要问 第一章绪论 9 题有： 已经燃烧过的煤矸石由于孔隙较多吸水性强，利用到道路结构层中，如何 保证路用性能稳定性的问题。 煤矸石岩性成分复杂，按成因和风化程度不同，粒径级配不均匀，在公路 建设过程中按何种标准分级分类的问题。 目前的研究集中在对已经燃烧过的煤矸石的应用中，没有燃烧过的煤矸石 数目也不小，同样，随着开采的速度加快还有不断上升的趋势，应开发利用未燃 煤矸石的路用价值。 煤矸石的天然级配不满足基层材料要求，已经燃烧过的煤矸石强度较低， 压碎值偏大，而没有燃烧过的煤矸石类似于玄武岩，应该如何利用开发。 应充分利用煤矸石具有隔温性较好和变形较大这两大特点，提高其路用价 值。 1 3 主要研究内容 南桐矿业公司芭蕉湾的煤矸石根据自燃程度将其分为已燃煤矸石与未燃煤矸 两大类，目前国内外对于已燃煤矸石已经做过了大量的研究，对未燃煤矸石的性 能研究相对较少。本文在收集以往煤矸石修筑路基和路面资料的基础上，根据重 庆万盛至南川的高速公路工程建设，以已燃和未燃煤矸石为主要研究对象，进行 大量的室内试验研究，从理论和试验方面验证了采用煤矸石作为路基填料的可行 性，为煤矸石在高速公路中的应用提供依据。 本文主要研究内容如下： 南桐矿业芭蕉湾煤矸石基本性能研究。在查阅国内外文献资料的基础上， 全面了解煤矸石岩石组成、化学组成、风化和自燃特性，再通过室内试验对已燃 煤矸石和未燃煤矸石的表观密度、压碎值、崩解量、吸水率等基本物理性质分别 进行研究。 稳定已燃和未燃煤矸石混合料作为路基填筑材料的击实特性及c b r 值研 究。通过击实试验和承载比试验研究两类煤矸石颗粒及煤矸石颗粒和土共同工作 时的工程性质，为后面其它试验做准备。 无机结合料稳定煤矸石路基混合料材料抗压性能研究。通过无机结合料稳 定煤矸石土混合料( 已燃和未燃) 的无侧限抗