水泥稳定煤矸石混合料压缩特性试验研究

水泥稳定煤矸石混合料压缩特性试验研究

黄海涛

张家口市正元工程检测中心 河北 张家口 075000

摘 要：由于城镇化的快速发展，道路工程对天然砂石资源提出了更高质量的要求。固体废物煤矸石具有良好的集料性能，因此针对其开展相应的力学特性研究，探索不同水泥含量、不同养护龄期对煤矸石混合料压缩特性的影响。其结果表明：随着水泥含量的增加，最佳含水量逐渐增加，而最大干密度随着水泥含量的增加先增加后降低；其抗压强度随着水泥含量的增加而增大，且在养护初期就具有了较高的抗压强度。

关键词：道路工程；煤矸石；无侧限抗压；试验研究

中图分类号：    TU414    文献标志码：    A    文章编号：  

Experimental Study on Compression Characteristics of Cement Stabilized Coal Gangue Mixture

Huang Haitao

Zhangjiakou Zhengyuan Engineering Testing Center Zhangjiakou Hebei 075000

Abstract: Urbanization has advanced rapidly, resulting in higher quality demands for natural sand and stone resources in road engineering. In order to meet these requirements, extensive research is being conducted on the utilization of solid waste coal gangue which exhibits favorable aggregate properties. The focus of this research is to study the mechanical properties, specifically the compression characteristics, of coal gangue mixtures under varying cement content and curing periods. The findings of this study indicate that the maximum dry density of cement stabilized coal gangue mixture initially increases and subsequently decreases with the rising cement content. Additionally, the optimal moisture content of the mixture rises with the increase in cement content. Moreover, the compressive strength of the mixture increases in proportion to the cement content, with the early stages of curing demonstrating higher compressive strength.

Keywords: Road engineering; Coal gangue; Unconfined compressive strength; Experimental study

0引言

由于城镇化的快速发展，公路等交通基础设施的建设对天然砂石资源提出了高质高量的需求。煤矸石是矿山开采生产活动中所产生的固体废物，中国每年都有近1000Mt以上的煤矸石堆积，占地问题以及污染问题已经不容忽视，将具有良好集料性能的煤矸石替代天然石料应用于道路工程中有利于资源可持续化利用[1]。为更好地解决煤矸石占地污染等相关问题，应系统深入地研究煤矸石混合料的物理力学性能，为煤矸石应用于道路工程提供依据。

对于，水泥稳定煤矸石混合料的物理力学性能研究，已有相关学者做了大量研究。胡龙泉等[2]对骨架密实型水泥稳定碎石进行了试验研究，并对其进行了抗压强度、冻融、干缩、温缩等试验，得到了其较常规水泥稳定碎石材料更优的路用性能。蒋应军[3]等对其抗裂性能进行了深入的研究，并针对水泥稳定碎石基层建立了实施方案，并对其做了大量的试验研究。田林[4]通过振动压实试件，对其抗裂性能进行系统研究，确定填料因子的取值范围，揭示其与干缩之间的内在联系；利用有限元程序，对温度收缩和干燥收缩状态下的裂缝进行分析。胡力群[5]在研究中探索了不同集料配合比情况下水泥稳定的粒料结构形式，并提出了合理的骨架密实结构的级配范围。同时，他还提出了振动压实和振动压实成型方法，并给出了无机结合料稳定材料骨架密实结构配合比的计算方法。

基于此，针对水泥稳定煤矸石混合料开展相应的力学特性研究，探索不同水泥含量、不同养护龄期对煤矸石混合料压缩特性的影响，对其强度形成机理进一步分析研究。

1混合料试验概况

本次试验选用P.O 42.5水泥，其28d水泥胶砂抗折强度为7.5MPa，抗压强度为44.8MPa，其各项技术指标均符合路基施工要求；由于煤矸石块较大，质地较为坚硬，故使用破碎机对其进行破碎，共碎成大粒径和小粒径两组集料，其组成成分主要为泥质页岩和炭质岩。

2  煤矸石混合料无侧限抗压试验

2.1配合比设计

针对相同初始条件下混合料开展7d无侧限抗压强度试验，发现粗集料与细集料配比为2.5:1时的水泥稳定煤矸石混合料抗压强度最高，其力学性能最优越。

2.2试验方案

本次试验使用由测力计、加压框架、升降设备组成的应变控制式无侧限压缩仪、轴向位移计以及天平。结合实际情况，为了研究不同水泥含量对煤矸石混合料压缩性质的影响，设置水泥含量为3.5%、4.5%、5.5%、6.5%的四组煤矸石混合料进行无侧限压缩强度试验。

2.3试验步骤

（1）制取试样尺寸：直径39.1mm，高度80mm的圆柱形混合料试样。

（2）将一层凡士林涂抹于试样周围，有利于抑制水分的散失。

（3）将试样放置于底座上,使试样上下面与仪器相接触并将测力计读数调零。

（4）依据试验规程进行读数操作。

（5）当测力计读数出现峰值时，继续进行3%～5%的应变后停止试验，应变最大达到20%。

（6）试验结束。

3水泥含量对煤矸石混合料抗压强度的影响

3.1振动压实试验

在进行无侧限抗压试验之前，首先需要确定四组混合料的最大干密度以及最佳含水率，四组不同水泥含量下的混合料振动压实试验数据如表1所示。

表1 不同水泥含量煤矸石混合料击实试验数据

由表1可知，随着水泥含量的增加，最佳含水量逐渐增加，而最大干密度随着水泥含量的增加先增加后降低。分析其原因，水泥含量的增大会导致对水的需求量增大，进而骨料的粘结度增大，混合料的密实度增加。

3.2无侧限抗压强度试验

水泥稳定煤矸石混合料养护龄期与抗压强度关系曲线如图1所示。7d无侧限抗压强度约为3.5—5.7MPa，达到了高等级公路规范中无侧限抗压强度的要求。

图1 煤矸石养护龄期与抗压强度变化关系曲线

由图1可知，混合料在养护初期就具有较高的抗压强度，7d~14d区间内混合料抗压强度增长速率较块，而随着时间的推移，混合料水化反应减慢，其内部反应逐渐停止。各个养护龄期的混合料试件抗压强度均与水泥含量呈正相关曲线关系，水泥含量越大，抗压强度越高。

4结论

本文通过对煤矸石进行不同级配配合比设计，设置了不同水泥含量的煤矸石混合料共四组，试验前期通过实际实验确定了各组混合料的最大干密度以及最佳含水率，试验后期测定了不同龄期、不同水泥含量的无侧限抗压强度。得出了以下结论：

（1）水泥稳定煤矸石混合料的最大干密度随水泥含量的增大呈现先增大后减小的趋势，其最佳含水率随水泥含量的增大而增大。

（2）水泥稳定煤矸石混合料的抗压强度随着水泥含量的增大而增大，且在养护初期就具有了较高的抗压强度。

参考文献

[1]武昊翔.煤矸石在路面基层的应用技术研究[D].北京:北京工业大学,2014.

[2]胡龙泉,蒋应军,陈忠达.骨架密实型水泥稳定碎石路用性能[J].交通运输工程学报,2001(04):37-40.

[3]蒋应军,陈忠达,彭波.密实骨架结构水泥稳定碎石路面配合比设计方法及抗裂性能[J].长安大学学报（自然科学版）,2002(04):9-12.

[4]田林. 骨架-密实型水泥稳定级配碎石抗裂特性的研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2010.

[5]胡力群.半刚性基层材料结构类型与组成设计研究[D]. 西安:长安大学,2004.

基金项目：张家口市重点研发计划项目（项目编号：2322187D）

作者简介：黄海涛（1983.09-），男，高级工程师，主要从事土木建筑工程方面研究。