1、第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目（）作者简介 任亚伟（），男，河南周口人，硕士，主要从事道路工程材料研究相关工作。引文格式 任亚伟，蔡燕霞，刘逢涛 电石渣、粉煤灰稳定煤矸石基层混合料性能试验研究 公路工程，（）：，（）：，电石渣、粉煤灰稳定煤矸石基层混合料性能试验研究任亚伟，蔡燕霞，刘逢涛（.河北工程大学，河北 邯郸；.中路高科（北京）公路技术有限公司 公路建设与养护新材料技术应用交通运输行业研发中心，北京；.中建路桥集团有限公司，河北 邯郸）摘 要 我国工业每年产生大量的工业废渣，利用率较低造成环境污染，为充分高效对工业废渣实施二次利用，减少对环境危
2、害，以工业废渣中产量较大的煤矸石、电石渣、粉煤灰为研究对象，首先对原材料物化性能进行研究，然后通过各原材料掺配比例不同设计 组配合比，依次对 组混合料进行多龄期路用性能研究。结果表明：组混合料在 时强度较低，但均满足各等级道路基层使用要求，在电石渣粉煤灰掺量为 时达到峰值，为.，随着养护龄期增长混合料无侧限抗压强度持续增长，电石渣粉煤灰掺量 时 抗压强度达到.。混合料抗压回弹模量、劈裂强度发展随养护龄期和无机结合料掺量增长而增大。值得注意的是，根据水稳性能试验表明混合料的抗水损害能力较弱，各组水稳系数均在 左右。最后得出以煤矸石为集料双掺电石渣、粉煤灰制备的混合料可满足各等级道路基层使用要求。
3、关键词 电石渣；粉煤灰；煤矸石；道路基层；路用性能中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（.，；.，.，；.，.，），.，.，.，.第 期任亚伟，等：电石渣、粉煤灰稳定煤矸石基层混合料性能试验研究 .，.，；引言煤炭作为我国最主要的能源供给，煤矸石是煤炭开采和洗煤过程产生的一种质地较为坚硬固体工业废渣。目前我国煤矸石堆积量已经达到 亿，并且还在以 亿 的速度上升。粉煤灰是煤炭燃烧后的细粉颗粒，每燃烧 煤炭会产生 左右的粉煤灰。据研究显示，仅 年粉煤灰的产量就达到了.亿，虽然我国对粉煤灰的利用率达到了 以上，但是据估计到 年粉煤灰的堆积量仍有 亿 以上。电石渣是生产乙炔所产生的固体废渣，而乙炔
4、是生产聚氯乙烯的主要原材料，我国聚氯乙烯产量巨大，仅 年我国聚氯乙烯产量已达 万，按现有主流工艺计算每生产 聚氯乙烯需耗费.电石，而每吨电石可产生.电石渣，如此计算每生产 聚氯乙烯可产生.电石渣。目前我国对上述工业废渣大多采用就近堆放的处理方法，废渣的大量堆积不仅占用土地、污染环境、污染水源而且还对人民的身体健康产生巨大危害。同时，我国公路交通发展迅猛，消耗大量天然砂石，造成生态环境破坏和资源匮乏等情况。若将工业废渣应用于道路工程当中不仅解决了环境污染问题，还可大大缓解天然筑路材料不足的压力。基于此，本文依托邯郸 国道改建项目，针对邯郸地区工业建设过程中产生的大量的电石渣、粉煤灰、煤矸石提出应
5、用于道路基层的资源化利用方法，并结合工程实际需求，为电石渣、粉煤灰、煤矸石在道路基层中的使用提供参考。原材料研究.煤矸石主要技术指标煤矸石化学成分如下：为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.。煤矸 石 其 他 技 术 指 标 如 下：表 观 密 度 为.，压碎 值 为.，自 由 膨 胀 率 为.，吸 水 率 为.，耐 崩 解 指 数 为.，烧失量为.。由上可知，煤矸石中的主要化学成分为硅、铝氧化物，其含量占到.，表明其具有很高的火山灰特性，在碱性条件下可发生火山灰反应，生成 等凝胶物质，提高煤矸石的整体性和强度。煤矸石密度、吸水率和天然岩石相近，耐崩解性指数高、自由膨胀率较
6、低、烧失量较小，具有较好的体积稳定性。压碎值满足高等级道路底基层和二级及以下道路基层使用要求。.电石渣主要技术指标电石渣化学组成如下：为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.。根据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 对有效氧化钙镁含量简易测定方法，对电石渣有效氧化钙镁含量进行测定。试验结果如表 所示。表 电石渣有效氧化钙镁含量 堆放时间 有效氧化钙镁含量 含水率.由此可知，电石渣中的主要成分为，其含量高达.，属于强碱性物质。电石渣的氧化钙镁含量随着堆放时间会发生衰减，在第 天有效氧化钙含量高达.，可达到级消石灰的要求，到第 天时电石渣有效氧化钙镁含量为.，仍可达到级消石灰的
7、要求，在使用时应对电石渣有效氧化钙镁含量进行检测，以确定是否满足道路等级使用要求。电石渣在堆放过程中含水率下降较快，易扬尘污染环境，因此在堆放过程中 公路工程 卷应洒水降尘。.粉煤灰主要技术指标粉煤 灰 化 学 成 分 如 下：为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.，为.。根据 公路路面基层施工技术细则 中对基层用粉煤灰指标进行试验，试验结果如表 所示。表 粉煤灰试验结果 检测项目、总含量 比表面积（）.筛孔通过率.筛孔通过率 烧失量试验结果.技术要求 由此可知粉煤灰主要由、组成，其含量高达.。除此之外，粉煤灰具有粒径小、表面积大特点，在碱性条件下更易发生火山灰反应，且粉煤灰填充
8、在混合料之间孔隙，增大煤矸石集料间的接触面积，增强混合料强度。而烧失量小说明煤矸石中残留有机质、碳含量少，具有良好的体积稳定性。综上，煤矸石是一种良好的无机结合料。煤矸石级配设计根据 公路路面基层施工技术细则 二灰稳定材料级配范围规定和筛分结果，确定煤矸石集料级配和各粒径范围所用比例，如表、表 所示。表 各粒径范围比例 粒径范围 比例 .表 煤矸石合成级配 粒径 级配上限级配下限级配中值合成级配.由于破碎筛分工艺导致合成级配中 粒径的煤矸石集料通过率略低于规范要求的级配下限，对混合料密实性有一定影响，但由于出入范围小，对混合料的路用性能不会产生较大影响，在后续实际工程中应改善 粒径范围煤矸石集
9、料破碎筛分工艺，以保证级配合理性。混合料配合比设计电石渣在混合料整个强度发展过程中，为粉煤灰、煤矸石提供碱性环境，因此电石渣的掺量不宜较小，本文选定电石渣的掺量为 、；参考公路路面基层施工技术细则 中对二灰稳定级配碎石的要求，结合料之间比例宜为 ，因此本文将电石渣和粉煤灰比例选定为 、，即得到粉煤灰掺量为 ；根据电石渣、粉煤灰的掺量确定煤矸石集料掺量为 。具体配合比如表 所示。表 试验配合比方案 编号电石渣 粉煤灰 煤矸石无机结合料含量 路用性能研究.击实试验依据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 对混合料进行标准击实试验，拟定 个 含 水 率，依 次 为 、.、.、。根据煤矸石的最大粒径要
10、求采用丙法进行试验。测定 组配合比的最大干密度和最佳含水率。试验结果如表 所示。表 标准击实试验结果 编号电石渣 粉煤灰煤矸石最佳含水率最大干密度（）.由表 可知最大干密度随着无机结合料的含量增大而减小，最佳含水率随着无机结合料的含量增第 期任亚伟，等：电石渣、粉煤灰稳定煤矸石基层混合料性能试验研究 大而增大。这是因为无机结合料密度小于煤矸石集料密度，因此随着无机结合料掺量的增加，混合料的最大干密度呈下降趋势。同时，无机结合料掺量增多也增大了混合料内部接触面积，且无机结合料的吸水率大于煤矸石的吸水率，使得混合料最佳含水率增大。.无侧限抗压强度试验根据煤矸石的最大容许粒径，应选择直径 高 圆柱体
11、试件，在成型之前分别测试原材料的天然含水率，另结合试件体积、击实试验结果、压实度、配合比，可分别计算出电石渣、粉煤灰、煤矸石和应加水质量，将其充分拌和均匀闷料 ，将拌和均匀的混合料分多次加入到试模当中，每次加入后需振捣密实，在静压时压力机加载速率控制在 ，将垫块完全压入试模后静压 防止回弹。试件在成型 后进行脱模，将成型之后放入标准养护室中进行养护，在养护龄期前 天将试件从养护室中取出浸水 。取出浸水养护后的试件，用湿毛巾擦去试件表面水分，将试件放在压力机底座上，压力机加载速率保持在 ，试件破坏时停止加载，记录压力机读数，计算无侧限抗压强度。无侧限抗压强度结果如图 所示。图 无侧限抗压强度试验
12、结果 由图 可知，电石渣、粉煤灰稳定煤矸石在 时抗压强度不高，均在.范围内，符合规范对各等级道路底基层的要求。但是，混合料抗压强度随着养护龄期增长开始显著增长，在 时可达到 ，这是因为粉煤灰和煤矸石的主要成分为、，在电石渣碱性激发下可发生火山灰反应，生成水化硅酸钙、铁铝酸四钙等胶凝物质，而且部分 （）碳化、析出也为混合料提供强度。火山灰反应过程较长，前期生成的胶凝物质较少，主要靠颗粒之间的摩阻力和原材料分子间的范德华力形成强度，而随着龄期的增长火山灰反应越彻底，生成的胶凝物质也就越来越多，使得强度也随之增大。在 抗压强度中，第 组的强度要优于其他 组，说明混合料早期强度随无机结合料掺量增多而存
13、在峰值，当无机结合料掺量低于 时，混合料早期强度随着电石渣、粉煤灰掺量升高而升高，掺量超过 时，混合料强度随着电石渣、粉煤灰掺量升高而降低。这是因为火山灰反应过程时间较长，早期火山灰反应并不能充分进行，过多游离的电石渣和粉煤灰填充在煤矸石集料之间，破坏了煤矸石的设计级配，使得骨架密实结构变成了悬浮密实结构，不能使得集料之间的摩阻力充分发挥作用，导致早期强度不高。.抗压回弹试验依据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 对养护好的试件进行抗压回弹模量试验。抗压回弹模量试验结果如图 所示。图 抗压回弹试验结果 由图 可知，混合料抗压回弹模量随着养护龄期增长和无机结合料含量增加而增长。原因在于，混合料
14、抗压回弹模量主要取决于以下 个方面：原材料本身模量；生成胶凝物质模量；生成胶凝物质的组成结构形式。养护龄期为 抗压回弹模量较小是因为火山灰反应进行较为缓慢，此时生成的胶凝物质较少，混合料还处于较为分散的状态，没有形成紧密的整体，此时的抗压回弹模量虽然有胶凝物质的作用，但是主要是由原材料本身的回弹模量所提供。随着龄期增长、无机结合料含量增多，火山灰反应生成的胶凝物质更多，混合料中 公路工程 卷颗粒之间紧密连接形成整体，宏观表现为抗压回弹模量增大。.劈裂试验在养护龄期前 将试件浸水养护 ，取出浸水养护的试件擦去表面水分，将试件放在劈裂夹具压条上，将夹具连同试件共同放在压力机上，压力机加载速度保持
15、进行劈裂试验，试件破坏时停止加载，记录压力机读数，计算出劈裂强度。劈裂强度试验结果如图 所示。图 劈裂试验结果 由图 可知，试件劈裂强度随着无机结合料含量增多而增大。无机结合料从 增长到 的过程中劈裂强度增大了.，由此可见无机结合料的掺量很大程度上影响了试件的抗拉强度。劈裂强度不同于抗压强度，抗压强度是试件整体抵抗外界荷载的能力，而劈裂强度主要表现为结合料与结合料之间的黏结力和结合料集料表面的黏结力，骨料之间嵌挤力几乎可以忽略。因此，当试件内部结合料较少时，生成的胶凝材料不足以包裹在集料表面，无法提供足够的黏结力，导致试件的劈裂强度降低，当试件内部的结合料越多，生成的凝胶物质也就越多，从而试件
16、的劈裂强度得到增强。.水稳试验为表明试件抵抗水损害能力，本文引入水稳系数概念：浸水养护试件抗压强度和不浸水抗压强度比值。通过水稳系数的大小可直观看出试件浸水后的强度损失。水稳性能试验结果如图 所示。由图 可知，试件在浸水之后强度都有不同程度的降低，一方面因为在试件成型时外力做功主要是缩短煤矸石混合料分散体系的分子距离、增大分子间的范德华力，使得各物质能够形成整体。当浸水之后，水分进入到试件内部，颗粒外部被水分包图 水稳性能试验结果 裹，增大颗粒间的斥力使得试件强度降低。另一方面试件成型后内部发生一系列的化学反应，主要表现为电石渣的水解产生大量的钙镁离子，钙镁离子进入到集料之间可与集料发生离子交换和吸附作用，发生碳化作用为试件提供强度，并且在水分减少时 （）结晶也会为试件提供强度；电石渣水解为粉煤灰火山灰反应提供良好的碱性环境，粉煤灰水解后生成大量活性氧化硅、活性氧化铝与（）离子生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等凝胶物质使得试件内部黏结紧密以产生较高的强度。试件浸水之后由于大量水存在影响了试件内部碳化和结晶作用，且水的进入使得火山灰反应所需的碱性环境变弱，影响了火山灰反应进行，因此，浸水之后强
