摘要：道路作为结构物在自然环境中需要经历干湿循环作用，干湿循环作用发生时，道路结构材料经历水分的失散和饱和，会产生结构松散进而影响材料的路用性能。文章主要研究工业固废材料-煤矸石用于路基填筑时在干湿循环作用下材料的强度、承载能力、抵抗变形能力的变化规律。研究成果对于工业固废应用于路基材料具有一定的借鉴意义。

关键词：路基工程；固废复合路基；干湿循环

中图分类号：U416.03A110363

0引言

截止到2020年年末，我国公路里程总数达到519.81万km，二级以上等级公路里程为70.24万km，占公路总里程比重为13.5%，其中高速公路里程为16.10万km［1］。我国交通事业长足发展，道路里程日创新高，对道路建材需求规模日渐扩大。同时，由于经济发展，工业化程度加大，工业固废的产生对我国的环境保护造成极大的压力，而将采用工业固废产物代替传统道路修筑材料作为解决工业固废污染环境以及解决筑路建材需求量日渐扩大问题的办法，受到广泛的关注。煤矸石作为工业固废产物中占比最大的一类固废产物，是采煤过程中附带出产的一种矿物材料，其含碳量低，质地较坚硬，但是产量巨大，不用于工业冶炼，占用了大量的场地堆放，且煤矸石具有一定的可燃性，长期大量堆放也可能带来火灾风险［2］，对环境污染程度高，影响范围广。本文主要研究将煤矸石应用于公路路基中代替传统土方材料的应用性能。

1试验材料及内容

1.1试验材料

路基主要功能是为道路上的车辆行驶提供基础条件，作为结构物支撑道路结构［3］，其一般为土方路基，主要材料为土［4］。本文研究采用在土方路基中掺加一部分煤矸石材料。煤矸石是在采煤过程中淘汰出来的含碳量很低的煤礦石［5］，一般就地堆放在开采矿场附近［6］。经过长时间露天堆放的煤矸石，其物理化学性质需要经过试验验证是否满足路基铺筑使用要求。

1.1.1物理性质

本文依据《高速公路煤矸石填筑路基施工技术规程》（DB13_T5054-2019）对煤矸石的基本物理特性进行试验分析，试验结果如表1所示。

根据表1试验结果可以看出，本项目选取的煤矸石的物理性能指标均能满足规范使用要求。

1.1.2化学性质

煤矸石的化学性质直接影响煤矸石作为路基填料的应用性能，本文对煤矸石的化学性质进行检验，结果如表2所示。

从表2试验数据可以看出，碱性成分SiO2、Al2O3和Fe2O3总含量＞90%，煤矸石遇水整体呈碱性，属于碱性材质；有机质含量为3.6%，满足《高速公路煤矸石填筑路基施工技术规程》（DB13_T5054-2019）＜25%的规定，可以作为路基填料使用，

1.1.3力学性质

1.1.3.1级配特性与级配组成

路基是道路的主要支撑结构物，承受路面传递而来的荷载。若要采用煤矸石作为路基填料，必须考察煤矸石的力学特征。煤矸石的级配是否良好是影响煤矸石作为路基材料是否满足使用要求的主要因素，采用不均匀系数（Gu）和曲率系数（Cc）表征［7］。不均匀系数和曲率系数与煤矸石级配表征关系如表3所示。

煤矸石可以看作一种特殊的石材，其强度较常规道路用集料石材低，易碎，但是高于素土［8］，内摩擦角接近粗粒土［9］。其级配分布分散，若应用于路基工程，需要对粒径范围进行筛选。对本项目所选用的煤矸石进行筛分，筛分试验数据如表4所示。

根据表4煤矸石的筛分试验结果，不均匀系数（Cu）和曲率系数（Cc）处在级配曲线上颗粒分布均匀范围内，级配良好，满足使用要求。

1.1.3.2压实特性

本文根据《高速公路煤矸石填筑路基施工技术规程》（DB13_T5054-2019）选用重型击实仪进行击实试验，试验结果如表5所示。

由表5击实试验数据可以看出，本研究所选用的煤矸石最佳含水量为5.9%，最大干密度为2.236 g/cm3。由此可以判断在表4的级配下，采用重型击实仪击实后的试样密实度良好，也从另一方面佐证了煤矸石的级配良好，可满足路基工程使用要求。

1.1.3.3支撑承载特性

煤矸石作为路基工程填料的支撑承载特性采用承载比、浸水膨胀率和吸水率试验数据表征，试验方法依据《高速公路煤矸石填筑路基施工技术规程》（DB13_T5054-2019）进行，试验结果如表6所示。

由表6试验数据可以看出，本研究所选用煤矸石的承载能力满足路基工程使用要求。

2干湿循环作用下的煤矸石路基应用性能

路基在每年的雨季来临时面临干湿循环作用，雨水带来的干湿循环作用是导致路基沉降的诱因之一。干湿循环作用耦合路基上部行车荷载作用导致的路基沉降变形能够致使道路沉降、开裂、甚至塌陷，故在路基填筑过程中一般采用强度较高的优质填料。工业固废-煤矸石的强度高于素土，内摩擦角接近粗粒土［10］，故本文为选用工业固废材料-煤矸石作为路基填料进行室内试验研究主要采用干湿循环作用下的煤矸石路基材料的无侧限抗压强度、抗压回弹模量、承载比三个力学性能指标评价素土-煤矸石路基的路用性能。

2.1素土掺量选择

本研究混合料采用煤矸石与优质素土拌和，击实制作土样试验，通过击实试验根据最佳含水率和最大干密度优选煤矸石与素土的比例。本文选用的素土在煤矸石中的掺加比例分别为15%、25%、35%、45%、55%、65%、75%，其最佳含水率和最大干密度的试验数据如表7所示。

从表7击实试验数据可以看出，在煤矸石当中掺加一定质量比例的素土后，混合料的最佳含水量与素土掺量呈正相关的近似线性关系。最佳含水量的数值从5.9%增加至9.6%；而最大干密度的试验数据呈现先增加后降低再增加的波动关系，最大值为35%素土掺量对应的2.159 g/cm3，最小值为65%素土掺量对应的2.133 g/cm3。出现这种现象的原因是一定比例下的素土掺入煤矸石后，素土颗粒可以填充煤矸石骨架空隙，提高素土-煤矸石的整体密度，使得击实效果更加明显。但是当素土掺加比例超过这个界限之后，煤矸石粗骨料相比之下减少，增加了颗粒之间的接触面积，从而使得素土-煤矸石整体的干密度降低［11］，但含水量一直呈增加趋势。根据表7的击实试验数据，本文研究选择素土掺量为35%。

2.2素土-煤矸石混合料的力学性能

按照35%素土掺量击实制作素土-煤矸石混合料试件，恒温恒湿养护28 d，将养护完成的试件浸没在常温水中12 h，取出试件放置在75 ℃的烘箱中烘干24 h，然后取出置于室温下2 h。此过程为一个干湿循环过程。对不同干湿循环次数下的试样进行无侧限抗压强度、抗压回弹模量和承载比试验，以此研究干湿循环对素土-煤矸石路基材料的力学性能影响。

2.2.1无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度为在无侧向压力束缚的条件下，材料抵抗轴向压力破坏时的极限强度。本文参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）对素土-煤矸石混合料试件分别进行0次、2次、4次、6次、8次、10次干湿循环后的无侧限抗压强度试验，记录试件破坏时的最大强度及变形量，得到无侧限抗压强度试验数据。试验数据如表8所示。

由表8试验数据可以看出，随着干湿循环次数的增加，素土-煤矸石混合料路基填料试件的无侧限抗压强度先小幅上升，然后持续降低，无侧限抗压强度最大值为2次干湿循环对应的12.1MPa，10次干湿循环时对应的无侧向抗压强度为6.6MPa，满足路基填筑使用要求。在2次干湿循环时强度出现小幅增加的原因是，试件浸水，煤矸石与水进行了一定程度的水化反应［12］，同时在浸水后的烘干过程也促进了水化反应的进行，强度表现为一定程度的增加［13］。但是随着干湿循环次数的增加，水化反应完全后，结构随着反复浸水破坏表现出强度持续降低。

2.2.2抗压回弹模量试验

抗压回弹模量是在承受瞬时荷载条件下材料的变形恢复能力，回弹模量越大，表征路基材料能够承受的外力荷載越大，意味着力学性能越好。本文参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）对素土-煤矸石混合料试件分别进行0次、2次、4次、6次、8次、10次干湿循环后的抗压回弹模量测试，记录分级加载后的变形量，数据经过修正计算后的结果如表9所示。

由表9抗压回弹模量试验数据可以看出，随着干湿循环次数的增加，素土-煤矸石混合料路基填料试件的抗压回弹模量呈现先增加后减小的趋势，抗压回弹模量最大值为2次干湿循环对应的345MPa，10次干湿循环时对应的无侧向抗压强度为239MPa，满足路基填筑使用要求。在2次干湿循环时强度出现小幅增加的原因与上文叙述相同，同样是由煤矸石遇水发生水化反应导致。抗压回弹模量试验数据表明，素土-煤矸石路基填料具有良好的强度、更小的形变、更高的承载能力以及抵抗变形能力。

2.2.3承载比试验

承载比全称加州承载比（CBR），是路基材料力学强度的重要评定指标，承载比试验数据越大，路基的承载能力越大，材料的路用性能越好［14］。本文参照《公路土工试验规程》（JTG3430-2020）对素土-煤矸石混合料试件分别进行0次、2次、4次、6次、8次、10次干湿循环后的承载比测试，记录变形表读出的变形量，数据经过计算后的结果如表10所示。

由表10的试验数据可以看出，随着干湿循环次数的增大，混合料的承载比先增加后降低，承载比在47.2%～36.4%，这表明素土-煤矸石混合料的承载能力满足规范中最小承载比要求，素土-煤矸石混合料的整体固结特性和承载能力在干湿循环作用下满足路基填筑要求。

3结语

本文通过大量的室内试验分析，总结出关于工业固废-煤矸石应用于路基工程的设计指标和路用性能参数，总结如下：（1）煤矸石应用于路基工程时，掺加一定量的素土会提高路基填料的性能；（2）以最大干密度和最佳含水率为控制指标时，煤矸石中掺加素土的比例为35%最优；（3）干湿循环作用下素土-煤矸石混合料的承载比、抗压回弹模量、无侧限抗压强度均呈现先增大后减小的趋势，2次干湿循环时的力学性能最好，主要原因是煤矸石在遇水发生了水化反应，增加了素土-煤矸石的强度，但是随着干湿循环次数增加强度迅速降低，这是由于水化反应完全后混合料遇水结构趋于松散。

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作者简介：朱小钢（1984—），工程师，研究方向：公路工程、安全工程。