CN111732386A

CN111732386A - 一种公路路基用水泥稳定碎石层及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111732386A
Application number: CN202010641250.9A
Authority: CN
Inventors: 王栋民; 张明; 房奎圳; 刘泽; 刘虎; 崔源声; 田桂萍; 乔坤元; 袁宁; 杨志波; 黄晓研
Original assignee: Hebi Hongchang Building Materials Co ltd; INSTITUTE OF TECHNICAL INFORMATION FOR BUILDING MATERIALS INDUSTRY OF CHINA; China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: Hebi Hongchang Building Materials Co ltd; INSTITUTE OF TECHNICAL INFORMATION FOR BUILDING MATERIALS INDUSTRY OF CHINA; China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2020-10-02

Abstract

本发明提供了一种公路路基用水泥稳定碎石层，其制备原料包括：煤矸石集料、水泥和水，其中煤矸石集料为煤矸石粗集料53‑63份和煤矸石细集料28‑38份，水泥为3‑9份，水为4‑8份，其中，所述煤矸石集料来源于掘进煤矸石。该水泥稳定碎石层采用工业固体废弃物煤矸石完全替代了天然骨料，在用于公路路面基层工程时，具备良好的抗压性，在满足道路建设要求的基础上，还能满足道路建设需求量，大大减少了天然资源的开采应用，拥有良好的经济效益和环保效益。

Description

一种公路路基用水泥稳定碎石层及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及道路工程领域，具体涉及一种公路路基用水泥稳定碎石层及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国现代化建设的快速发展，我国的公路基础建设需求不断增加，公路工程中对路面材料的质量和用量的需求不断提高，仅仅靠天然砂石料的提供，满足不了日益增加的建设需求，大量开发使用天然砂石料，不仅会浪费大量人力物力，而且还会对生态资源环境造成严重的破坏，这与“两山理论”的基本方针相悖，不满足可持续发展的要求，不满足现代化的公路建设对经济效益、社会效益和环境效益越来越高的要求。

同时，随着现代化建设的发展，产生了大量的工矿业固体废弃物，不仅占用土地，污染环境，还造成了资源浪费。

煤矸石作为采煤和洗煤中排放的固体废物，其是在成煤过程中与煤层伴生的含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。一般分为洗矸和白矸两种，洗矸是煤炭洗选过程中形成的，一般含碳量较高。白矸包括在巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石，俗称“白矸”或“岩矸”，其含碳量很低，发热量不高。煤矸石可根据其矿物学特征分为以下几类：粘土矿型，其矿物组成有高岭石、蒙脱石、炭质页岩、石英、长石、云母及大量硫铁矿等。砂岩型，主要成分为石英、长石、云母等。碳酸岩型，主要成分有方解石、白云石、铁白云石、磷铁矿、硫铁矿、有机硫等。铝质岩型，主要成分有三水铝矿、一水软铝矿、一水硬铝矿、石英、褐铁矿、白云母、方解石等。煤矸石经过一系列加工后可制成机制砂石，用于铁路、公路、建筑等行业。在天然砂石短缺，机制砂石火热，资源再生利用的今天，煤矸石逐渐受到关注。当煤矸石进行大宗利用时，主要应用在生产建材、矿井充填、路基材料、发电、土地复垦和土壤改良等领域。据中国产业调研网发布的数据表明：我国每年煤矸石排放量中发电利用占总综合利用量的32％；用于建材产品生产占总综合利用量的12％；用于土地复垦、充填矿井采空区和回填塌陷区等的煤矸石量占总综合利用量的56％。但是，鉴于煤矸石较大的空隙和较差的耐久性，导致其在道路建设中使用受限，不能大规模利用。

CN103708787A公布了一种公路路面基层水泥稳定碎石层，其以高碳铬铁合金渣处理生产出高碳铬铁合金渣集料，来替代天然集料与水和水泥混合制成水泥稳定碎石层，但该方案高碳铬铁合金渣的利用面不是很广，废渣的产量满足不了道路建设的需求量，废渣需要进行后期处理才能利用，该方案经济效益不足，无法大规模的推广使用。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的发明人研究出了一种用于公路路基的水泥稳定碎石层，其将工矿业固体废弃物煤矸石用作公路路基材料，在具备良好的抗压性，满足道路建设要求的基础上，还能满足道路建设需求量，大大减少了天然资源的开采应用，拥有良好的经济效益和环保效益。

为此，本发明的第一个方面提供了一种公路路基用水泥稳定碎石层，其制备原料包括：煤矸石集料、水泥和水，其中煤矸石集料为煤矸石粗集料53-63份和煤矸石细集料28-38份，水泥为3-9份，水为4-8份；其中，所述煤矸石集料来源于掘进煤矸石。

根据本发明的一些优选实施方式，所述水泥稳定碎石层制备原料包括：煤矸石粗集料56-58份，煤矸石细集料31-33份，水泥3.5-8份，水5-6份。在一些实施例中，煤矸石粗集料份数为56份、56.5份、57份、57.5份或58份。在一些实施例中，煤矸石细集料份数为31份、31.5份、32份、32.5份或33份。在一些实施例中，水泥份数为3.8份、4份、4.5份、4.8份、5份、5.5份、5.7份、6份、6.5份、6.8份、7份、7.5份、7.8份或8份。在一些实施例中，水的份数为5.1份、5.2份、5.3份、5.4份、5.5份、5.6份、5.7份、5.8份、5.9份或6份。

根据本发明的一些优选实施方式，煤矸石粗集料压碎值≤28％、最大粒径≤31.5mm、针片状含量≤20％；煤矸石细集料压碎值≤25％；优选所述煤矸石粗集料压碎值≤16％、针片状含量≤8％，煤矸石细集料压碎值≤18％。在一些实施例中，煤矸石粗集料压碎值为11％、针片状含量为2.05％，煤矸石细集料压碎值为12％。

根据本发明的一些优选实施方式，煤矸石粗集料表观密度>2600kg/m³、空隙率≤47％；煤矸石细集料表观密度≥2500kg/m³、堆积密度≥1400kg/m³、空隙率≤44％、细度模数<3.7。

根据本发明的一些优选实施方式，煤矸石细集料空隙率＜40％。

在本发明的一些优选实施例中，所述煤矸石粗集料和煤矸石细集料洁净干燥、无风化、无杂质。

根据本发明的一些优选实施方式，所述煤矸石粗集料和煤矸石细集料由掘进煤矸石进行破碎加工而成，如经过冲洗、机械破碎、人工筛分后产生。

在本发明中，“掘进煤矸石”指采煤过程中，在巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石，俗称“白矸”或“岩矸”，其含碳量很低，发热量不高。

根据本发明的一些优选实施方式，所述煤矸石集料的化学组成(wt％)如下表1所示：

表1

名称	SiO<sub>2</sub>	Al2O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	K<sub>2</sub>O	TiO<sub>2</sub>	CaO	Na<sub>2</sub>O	MgO	SO<sub>3</sub>	Loss	SUM
												含量(％)	65.9	22.7	3.9	2.4	1.7	1.2	0.7	0.7	0.1	7.8	107.1

根据本发明的一些优选实施方式，煤矸石粗集料的粒径大小分为3档，分别为1#粒径19～31.5mm、2#粒径9.5～19mm、3#粒径4.75-9.5mm；煤矸石细集料按照粒径大小分为2档，分别为4#粒径2.36-4.75mm、5#粒径0-2.36mm。

根据本发明的一些优选实施方式，煤矸石集料满足如下表2所示级配要求：

表2

筛孔尺寸(mm)	31.5	26.5	19	9.5	4.75	2.36	0.6	0.075
									通过质量百分数％	100	90～100	72～89	47～67	29～49	17～35	8～22	0～7

根据本发明的一些优选实施方式，煤矸石集料中1#、2#、3#、4#、5#的级配范围如下表3所示：

表3

根据本发明的一些优选实施方式，煤矸石集料的组成为：1#:28-32％，2#:18-22％，3#:12-16％，4#:12-16％，5#:20-24％，优选为1#:2#:3#:4#:5#＝30:20:14:14:22。在一些实施例中，煤矸石集料组成为1#：20％，2#：15％，3#：35％，4#：12％，5#：18％。在另一些实施例中，煤矸石集料组成为1#：30％，2#：20％，3#：20％，4#：12％，5#：18％。

根据本发明，煤矸石粗集料和煤矸石细集料可以采取四分法取样然后进行均匀混合。

本发明的第二个方面在于提供一种如本发明第一方面所述水泥稳定煤矸石层的制备方法，其包括以下步骤：

a.将煤矸石粗集料和煤矸石细集料混合得到煤矸石集料，向得到的煤矸石集料中加入水泥和水，混合后得到水泥稳定煤矸石混合料；

b.将步骤a得到的水泥稳定煤矸石混合料摊铺、碾压、养护，以形成水泥稳定煤矸石层，优选所述养护为标养5-7天，更优选6天，浸水养护0.5-1.5天，优选1天。

根据本发明的一些实施方式，在所述步骤a前预先通过对煤矸石粗集料和煤矸石细集料进行物理力学指标试验，筛选得到满足要求的煤矸石粗集料和煤矸石细集料。

根据本发明的一些实施方式，步骤a中水泥稳定煤矸石混合料干密度(g/cm³)≥2.25。

根据本发明的一些实施方式，步骤a中水泥稳定煤矸石混合料含水量为4.5-6.3％，优选为5-5.8％。

根据本发明的一些实施方式，步骤a中水泥稳定煤矸石混合料压实度值K≥98.0％。

根据本发明的一些实施方式，步骤b中所得水泥稳定煤矸石层7d无侧限抗压强度≥2.5MPa。

在本发明中，所用水泥可以是普通硅酸盐水泥，根据《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034—2000)中提到，水泥稳定碎石属于粗粒土，在整个公路基层施工过程中要求在水泥的终凝前完成，因此优选采用终凝时间较长的水泥。

本发明用水没有特别要求，可以为普通水。

本发明第三方面还提供了如本发明第一方面所述的水泥稳定碎石层在公路路面基层工程中的应用。

本发明所用的路基材料骨料全来自于大量堆存的工业固体废弃物煤矸石，完全替代了天然骨料在水泥稳定碎石层中的运用，大大减少了天然资源的开采应用，极大地保护了天然资源，满足了可持续发展的方针，能产生极大的社会经济效益与环保效益。

附图说明

图1为本发明实施例1-3所述煤矸石集料级配曲线图。

图2为本发明实施例4-6所述煤矸石集料级配曲线图，其中合成级配1为实施例4-5，合成级配2为实施例6。

具体实施方式

下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

以下实施例中所涉及的仪器设备均为常规仪器设备，所涉及的工业原料均为常规工业原料。

煤矸石粗集料和煤矸石细集料物理性能测试

按照T0316-2005进行测定，结果如下表4和5。

表4煤矸石粗集料物理性能

检测项目	单位	规范要求	检测值	试验方法	单项判定
						压碎值	％	≤28	11	T 0316-2005	合格
针片状	％	≤20	2.05	T 0312-2005	合格
						表观密度	kg/m<sup>3</sup>	＞2600	2703.4	T 0304-2005	合格
堆积密度	kg/m<sup>3</sup>	/	1712.9	T 0304-2005	/
						空隙率	％	≤47	36.64	T 0304-2005	合格

表5煤矸石细集料物理性能

实施例1

将5.5kg的掘进煤矸石集料按照煤矸石粗集料58.24份、煤矸石细集料32.76份进行称重、混合，其中煤矸石集料组成满足1#：30％，2#：20％，3#：14％，4#：14％，5#：22％。向得到的混合料中加入水泥3.8份、水5.2份，拌匀得水泥稳定煤矸石混合料，测定其干密度和含水量。

干密度和含水量测定方法为：参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)进行击实实验。击实实验采用150x150mm的击实筒(带球型底座)，具体步骤为：采用四分法分三次加入到筒中，每加完一次试样，使其表面平整稍加压紧，安装到电动击实仪上进行第一层试样的击实(击实次数98次)。第一层击实完后检查其高度是否合适，以便调整后续两层试样的加入高度。用刮刀将以击实的表面拉毛，再重复上述做法。最后一层试样击实后，试样超出试筒高度不得大于6mm，超出试件作废。击实完毕后，齐筒顶部细心刮平试样，擦净试筒外壁称重。取出筒内试样在托盘上击碎放入烘箱，参考方法《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中的T 0804—1994进行计算。

然后将圆柱形试模内壁刷油，上下垫片能自由移动，且上下垫片均外露2cm左右。将上述材料拌和均匀，分三次加入试模中，每次加入后用夯棒轻轻均匀插实。将整个试模(连同上下垫片)放在液压式压力试验机上，以1mm/min速率加压，直到上下垫片都压入试模为止，维持压力3-5min。对于粗粒土的水泥稳定材料，在模内成型2-6h脱模，在脱模器上取件时，应用双手抱住试件侧面的中下部，然后轻轻旋转，感觉试件移动后，再将试件轻轻捧起放在试验台上。称试件质量和高度。称量后立即放在塑料袋中封闭，移放至养生室，标养6天，浸水湿养1天，然后测无侧限抗压强度。结果见表6。

实施例2

同实施例1，不同之处在于各原料比例为煤矸石粗集料56.96份、煤矸石细集料32.04份、水泥5.7份、水5.3份。结果见表6。

实施例3

同实施例1，不同之处在于各原料比例为煤矸石粗集料55.68份、煤矸石细集料31.32份、水泥7.5份、水5.5份。结果见表6。

实施例4

同实施例1，不同之处在于各原料比例为煤矸石粗集料63.7份、煤矸石细集料27.3份、水泥4份、水5份，其中煤矸石集料组成满足：1#：20％，2#：15％，3#：35％，4#：12％，5#：18％。结果见表6。

实施例5

同实施例1，不同之处在于各原料比例为煤矸石粗集料63份、煤矸石细集料27份、水泥4.8份、水5.2份，其中煤矸石集料组成满足：1#：20％，2#：15％，3#：35％，4#：12％，5#：18％。结果见表6。

实施例6

同实施例1，不同之处在于各原料比例为煤矸石粗集料63.7份、煤矸石细集料27.3份、水泥4份、水5份，其中煤矸石集料组成满足：1#：30％，2#：20％，3#：20％，4#：12％，5#：18％。结果见表6。

对比例1

参照CN109336499 A中实施例3进行实验，采用水泥稳定煤矸石细料作为填充，以大粒径碎石作为主骨料，所用大粒径碎石为以方解石为主要成分的碳酸盐岩碎石。结果见表6。

表6

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims

1.一种公路路基用水泥稳定碎石层，其制备原料包括：煤矸石集料、水泥和水，其中煤矸石集料为煤矸石粗集料53-63份和煤矸石细集料28-38份，水泥为3-9份，水为4-8份；其中，所述煤矸石集料来源于掘进煤矸石。

2.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石层，其特征在于，其制备原料包括：煤矸石粗集料56-58份，煤矸石细集料31-33份，水泥4-8份，水5-6份。

3.根据权利要求1或2所述的水泥稳定碎石层，其特征在于，所述煤矸石粗集料的压碎值≤28％、最大粒径≤31.5mm、针片状含量≤20％；所述煤矸石细集料的压碎值≤25％；

优选地，所述煤矸石粗集料的压碎值≤16％、针片状含量≤8％；煤矸石细集料的压碎值≤18％；

更优选地，所述煤矸石粗集料的表观密度>2600kg/m³、空隙率≤47％；所述煤矸石细集料的表观密度≥2500kg/m³、堆积密度≥1400kg/m³、空隙率≤44％、细度模数<3.7；

最优选地，所述煤矸石细集料的空隙率＜40％。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的水泥稳定碎石层，其特征在于，所述煤矸石粗集料的粒径大小分为3档，分别为1#粒径19～31.5mm、2#粒径9.5～19mm、3#粒径4.75-9.5mm；

所述煤矸石细集料按照粒径大小分为2档，分别为4#粒径2.36-4.75mm、5#粒径0-2.36mm。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的水泥稳定碎石层，其特征在于，所述煤矸石集料满足如下级配要求：

筛孔尺寸(mm) 31.5 26.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075 通过质量百分数 100 90～100 72～89 47～67 29～49 17～35 8～22 0～7

。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的水泥稳定碎石层，其特征在于，所述煤矸石集料的级配范围如下表：

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的水泥稳定碎石层，其特征在于，所述煤矸石集料的组成为：1#:28-32％，2#:18-22％，3#:12-16％，4#:12-16％，5#:20-24％，优选为1#:2#:3#:4#:5#＝30:20:14:14:22。

8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的水泥稳定碎石层的制备方法，包括以下步骤：

b.将步骤a得到的水泥稳定煤矸石混合料摊铺、碾压、养护，以形成水泥稳定煤矸石层，优选所述养护为标养5-7天，优选6天，浸水养护0.5-1.5天，优选1天。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：

所述水泥稳定煤矸石混合料的干密度(g/cm³)≥2.25；

含水量为4.5-6.3％，优选为5-5.8％；

压实度K≥98.0％；

所述水泥稳定煤矸石层7天无侧限抗压强度≥2.5MPa。

10.一种如权利要求1-7中任意一项所述的水泥稳定碎石层在公路路面基层工程中的应用。