CN115353363A - 煤矸石填料及其填筑铁路路基的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矸石填料及其填筑铁路路基的施工方法。利用煤矸石作为铁路路基填料目前未有先例，本方法为弥补该空白，提出：准备原材料进场检测；处理地基；破碎筛分煤矸石；拌合熟石灰、水玻璃和阻燃剂，加入煤矸石，获得煤矸石填料；在地基上布料、摊铺，进行二次拌和，检测均匀度后压实；检测压实度、横坡平整度，修整边坡；煤矸石通过检测其饱和单轴抗压强度、烧失量、吸水率、软化系数和级配进行分级选型。本发明不仅能保证煤矸石满足作为路基填料的路用性能，也能打破不同产地煤矸石利用的局限性，有效解决铁路建设中填料短缺的难题，同时降低铁路建设成本，从降碳、减灾、环保、绿色、经济的角度都能带来显著的社会效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及铁路路基施工技术领域，具体涉及一种煤矸石填料及其填筑铁 路路基的施工方法。
背景技术
煤矸石是我国的最大宗固体废弃物，2020年我国煤矸石的总堆积量达90亿 吨，年产量接近8.5亿吨，占全国总固体废弃物的80％。我国固废资源的开发利 用一直倡导“因地制宜，因材施用，绿色处理”的理念。根据煤矸石的利用情 况和占比数据分析，目前煤矸石主要的利用途径有回填土地、煅烧发电和生产 建材等，其中回填土地占总利用量的56％，是我国最为主流的一种煤矸石利用手 段，部份公路工程采用煤矸石作为路基填料使用，但用量不大，目前未找到权 威的统计数据，作为铁路填料使用未见相关成熟报导，也未见相关的标准规范， 仅在《2019铁路专用线规范(试行)》6.1.4条有涉及，该规范6.1.4条规定“路 堤填筑应充分利用路堑挖方，隧道弃碴或桥涵弃土。厂矿弃料、煤矸石，钢渣 或粉煤灰等作为路堤填料时，应考虑其对周边环境的影响。”该条亦未说明怎么 利用煤矸石。
一方面大量的煤矸石废弃物露天堆放，占用大量的土地，不仅占用土地， 破坏环境，部份矸石自燃增加了碳排放量，污染环境，堆积如山的矸石甚至可 能形成尾矿滑坡，给地方工程建设和人居环境造成潜在的安全隐患。另一方面 铁路工程建设中需要大量的填料，填筑料短缺，目前要主要采用开山取土获得 适合的填料，不仅破坏环境，造成水土流失，甚至有可能形成自然灾害。如何 将铁路工程建设中大量的路基填料需求与采选煤过程中产生的大量废弃矸石结 合起来，将矸石因材施用，绿色处理，变废为宝，是本发明想要解决的问题。
根据《铁路路基设计规范》(TB10001-2016)的要求将天然填料分为A，B， C，D，E五组，A，B，C组填料可以直接使用，D组必须改良使用，E组禁止使 用。经研究煤矸石主要物理力学性能受矸石的组分，洗选煤技术的影响性能存 在一定差异。目前随着我国采矿技术及洗选煤技术的提升，矸石上附着的残煤 成分正逐渐减少，作为填料自燃的可能性正逐渐降低，如果使用不当依旧可能 自燃，矸石相对均匀，粗颗粒径集中，细颗粒相对较少，级配一般相对较差， 随母岩成分份的不同矸石性质也存在一定差异。矸石在作为铁路路基填料时必 须满足路用性能各项指标要求，并不是所有的矸石都能采用，识别什么样的矸 石能利用以及怎么填筑利用是解决矸石作为铁路路基填料利用的关键技术。
因此，需要针对铁路路基填料的要求，提出利用煤矸石作为铁路路基填料 的选用及填筑方案，回收利用煤矸石的同时解决铁路建设中填料短缺的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤矸石填料及其填筑铁路路基的施工方法，以至 少解决目前铁路建设中填料短缺、回收利用煤矸石并满足铁路路基填料路用性 能的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，所述方法包括：
准备煤矸石、熟石灰、水玻璃和阻燃剂，进场并检测；
处理地基；
破碎、筛分煤矸石；
拌合熟石灰、水玻璃和阻燃剂，之后加入煤矸石继续拌和，获得煤矸石填 料；
利用煤矸石填料在地基上布料、摊铺，之后用路拌机进行二次拌和，检测 均匀度后压实；
检测压实度、横坡平整度，最后修整边坡；
所述准备煤矸石、熟石灰、水玻璃和阻燃剂，进场并检测中，检测煤矸石 的饱和单轴抗压强度、烧失量、吸水率、软化系数和级配，进行分级选型。
进一步地，所述分级具体包括：
煤矸石的饱和单轴抗压强度Rc≥10MPa，650℃下的烧失量β650≤10％，吸水 率ω＜2％，软化系数Kf≥0.75，级配良好，为I类煤矸石；
煤矸石的饱和单轴抗压强度为5＜Rc≤10MPa，650℃下的烧失量为10％＜ β650≤20％，吸水率为2％＜ω≤4％，软化系数Kf≥0.60，级配一般，为Ⅱ类煤矸 石；
煤矸石的饱和单轴抗压强度为5＜Rc≤10MPa，650℃下的烧失量为20％＜ β650≤30％，吸水率为4％＜ω≤6％，软化系数Kf≥0.60，级配不良，为Ⅲ类煤矸 石；
煤矸石的饱和单轴抗压强度、650℃下的烧失量、吸水率、软化系数和级配 不满足I类煤矸石、Ⅱ类煤矸石或Ⅲ类煤矸石，为Ⅳ类煤矸石。
进一步地，所述选型具体包括：
I类煤矸石用于时速200km及以下铁路路基基床底层及路基本体填料，或 企业专用铁路工业园站内铁路基床表层、底层，本体的填筑，或用于重载铁路 路基本体填料；
Ⅱ类煤矸石用于时速200km及以下铁路路基本体填料，或企业专用铁路园 区站内铁路的基床底层及本体的填筑；
Ⅲ类煤矸石改良后用于时速200km及以下铁路路基本体填筑；
Ⅳ类煤矸石用于铁路物流园区非建筑区段的填筑。
进一步地，所述煤矸石、熟石灰、水玻璃、阻燃剂的质量比为(79～88): (12～6):(7～5):(2～1)。
进一步地，所述改良指添加细粒土进行级配改良，添加量为煤矸石质量的 15％～25％；
所述细粒土选用塑性指数Ip≤12,液限指数≤32的粘性土。
进一步地，所述阻燃剂为聚硅氧烷粉末，硅酮含量≥85％，挥发性≤0.5％， 耐热性能≥300℃，密度区间1.42kg/m2～1.46kg/m3。
进一步地，所述熟石灰为钙质石灰，颗粒尺寸不大于5mm，0.08mm筛余≤ 25％，2.36mm筛余≤20％，CaCO3含量≥80％，CO2含量不大于9％。
进一步地，所述水玻璃为固体粉体状，颗粒粒径即2.36mm筛余≤20％。
进一步地，所述煤矸石填料的含水率为7％～9％，通过翻晒或喷淋调节。
另外，提供如所述的方法制备的填筑铁路路基的煤矸石填料。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提出了一种煤矸石填料及其填筑铁路路基的施工方法，适用于普速 铁路的煤矸石填料选用及填筑，该方法不仅能保证煤矸石满足作为路基填料的 路用性能，也能打破不同产地煤矸石利用的局限性，有效解决了铁路建设中填 料短缺的难题，同时降低铁路建设成本，减少矸石的碳排放、土地占用量、水 土流失、地质灾害，起到降排减灾，绿色环保的良好效果，对于实现双碳达标， 降低铁路工程建设成本和开发利用工业废弃物都有着极其重要的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是本发明一个实施例中提供的煤矸石填料试验段K30系数压实度检测结 果图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。 附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来 实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是 使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
本专利的描述中，需要理解的是，使用的所有技术以及科学术语具有与本 专利所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明 书中的定义为准。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员 所熟知的常规手段，实施例中所用的组分为市售商品，实施例中采用的设备为 现有设备，对手段、组分或设备的限定不能理解为对本专利的限制，同类型解 决相同技术问题的手段、组分或设备均在本专利的保护范围之内。
在本专利的描述中，需要理解的是，当量、浓度、或者其它值或参数以范 围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当 被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一 配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。当数值范围在本文中 被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整 数和分数。
在本专利的描述中，需要理解的是，在描述方法的过程中涉及了多个步骤， 不应理解为对方法步骤顺序的限制，在解决相同技术问题时仅通过改变步骤顺 序获得的技术方案也在本专利的保护范围之内。
本发明提出了一种煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，适用于普速铁路 的煤矸石填料选用及填筑，提升固体废弃物绿色资源化利用、缓解建筑材料短 缺、保障基础工程建设，实现双碳达标，降低铁路工程建设成本和开发利用工 业废弃物。所述方法包括：
步骤1：准备煤矸石、熟石灰、水玻璃和阻燃剂，进场并检测；
步骤2：处理地基；
步骤3：破碎、筛分煤矸石；
步骤4：拌合熟石灰、水玻璃和阻燃剂，之后加入煤矸石继续拌和，获得煤 矸石填料；
步骤5：利用煤矸石填料在地基上布料、摊铺，之后用路拌机进行二次拌和， 检测均匀度后压实；
步骤6：检测压实度、横坡平整度，最后修整边坡。
本发明所述煤矸石为达到我国铁路路基路用性能的煤矸石。我国的煤矸石 主要分布于西北地区(30.39％)和中南地区(49.25％)，由于各地区煤矸石成分 不同，所含成分差异较大，粒径大小不一，从而煤矸石是一种成性复杂的粗粒 土，物理力学性能存在较大的差异性，作为铁路荷载作用下路基填料的路用性 能也同样存在较大的差异性，目前煤矸石在铁路行业内存在想用不敢用，想用 不能用，想用不知怎么用的尴尬局面。为探求出一种东西南北皆能适用的铁路 路用性能指标，本发明中通过大量样本试验，从众多指标中选取一组复合指标 来进行分级选型，找到了表征力学性能的指标饱和单轴抗压强度、软化系数及 表征物理性能的指标吸水率、烧失量、颗粒级配共五个指标，通过这五个指标 对煤矸石铁路路用性能进行分级选型，根据煤矸石的铁路路用性能分类适配相 应的铁路标准，将不同的煤矸石用于相应标准下的铁路路基的基床表层，基床 底层，路基本体，物流园区的填筑，统一了煤矸石路用性能指标，找到经济实 用的使用方法，打破不同产地煤矸石利用的局限。
煤矸石的饱和单轴抗压强度、烧失量、吸水率、软化系数按《工程岩体试 验方法标准》(GB/T50266-2013)及《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)进 行试验。级配不仅指煤矸石的天然级配，亦指可适当掺入15％～25％细粒土所获得 的改良级配。
本发明根据煤矸石的物理力学性能，结合铁路路基填料的性能要求选用煤 矸石上述五项指标对煤矸石的路用性能指标进行分级，所述分级具体包括：
煤矸石的饱和单轴抗压强度Rc≥10MPa，650℃下的烧失量β650≤10％，吸水 率ω＜2％，软化系数Kf≥0.75，级配良好，为I类煤矸石；
煤矸石的饱和单轴抗压强度为5＜Rc≤10MPa，650℃下的烧失量为10％＜ β650≤20％，吸水率为2％＜ω≤4％，软化系数Kf≥0.60，级配一般，为Ⅱ类煤矸 石；
煤矸石的饱和单轴抗压强度为5＜Rc≤10MPa，650℃下的烧失量为20％＜ β650≤30％，吸水率为4％＜ω≤6％，软化系数Kf≥0.60，级配不良，为Ⅲ类煤矸 石；
煤矸石的饱和单轴抗压强度、650℃下的烧失量、吸水率、软化系数和级配 不满足I类煤矸石、Ⅱ类煤矸石或Ⅲ类煤矸石，为Ⅳ类煤矸石。
根据上述分级进行选型，具体包括：
I类煤矸石用于时速200km及以下铁路路基基床底层及路基本体填料，或 企业专用铁路工业园站内铁路基床表层、底层，本体的填筑，或用于重载铁路 路基本体填料；
Ⅱ类煤矸石用于时速200km及以下铁路路基本体填料，或企业专用铁路园 区站内铁路的基床底层及本体的填筑；
Ⅲ类煤矸石改良后用于时速200km及以下铁路路基本体填筑；
Ⅳ类煤矸石用于铁路物流园区非建筑区段的填筑。
具体见下表：
煤矸石填料中，所述煤矸石、熟石灰、水玻璃、阻燃剂的质量比为(79～88): (12～6):(7～5):(2～1)。所述述阻燃剂为聚硅氧烷粉末，硅酮含量≥85％， 挥发性≤0.5％，耐热性能≥300℃，密度区间1.42kg/m2～1.46kg/m3。所述熟石灰 为钙质石灰，颗粒尺寸不大于5mm，0.08mm筛余≤25％，2.36mm筛余≤20％，CaCO3含量≥80％，CO2含量不大于9％。所述水玻璃为固体粉体状，颗粒粒径即2.36mm 筛余≤20％。本发明在填料中制定上述配比，可确保不会产生自燃并获得规范要 求的力学性能指标。
上述对煤矸石填料的改良指添加细粒土，添加量为煤矸石质量的15％～25％； 所述细粒土选用塑性指数Ip≤12,液限指数≤32的粘性土。
所述煤矸石填料的含水率需控制为7％～9％，通过翻晒或喷淋调节。
具体施工时，详细的步骤可采用以下标准：
(1)施工机械准备：挖机、推土机、平地机、装载机、压路机、路拌机等 施工设备进场，并检验性能；
(2)原材料准备：煤矸石、熟石灰、水玻璃、阻燃剂材料进场并检测；
(3)场地准备：集料拌合场地整平压实到位，做好临时排水；
(4)人员培训准备：对所有参与施工人员进行技术培训及安全技术交底；
(5)地基处理：对地基进行处理，经检测合格后方可填筑。
(6)材料处理加工：煤矸石破碎、筛分：筛子由φ25的钢筋加工，最大孔 径不大于15cm，用挖掘机配合装载机进行上料、倒运、清理等工作内容，清筛 后的煤矸石存放备用，粒径超标的单独存放，经破碎、清筛后方可使用，煤矸石 的破碎采用小型破碎机进行破碎。
(7)集料拌和：集料拌和的方法可采用路拌法或厂拌法，按质量比进行掺 合，煤矸石、熟石灰、水玻璃、阻燃剂＝(79～88):(12～6):(7～5):(2～1) 的比例，通过各种材料的质量和堆积密度换算出体积，先将熟石灰，水玻璃、阻 燃剂用装载机配合挖掘机拌三遍，然后再加入煤矸石拌和两遍，判定拌和均匀的 方法是，随机抽取3-4处，用EDTA滴定，计算EDTA的消耗量，如果EDTA的差 值在2％之内就说明拌和均匀。
其中在施工阶段，本发明需采用分层填筑施工方法，其具体步骤如下：
(1)布料：松铺厚度按35cm控制，运输车每车装载量约为15m3，用白灰 在原地面洒出面积为40㎡的方格网，每格卸料一车。
(2)摊铺：采用推土机全断面摊铺，大致平整后用平地机整平，宽度比设 计宽度宽50cm。
(3)二次拌和：用路拌机进行二次拌和，拌和后按每百米5个点位再次检 测均匀度。
(4)压实：压实采用23t振动压路机进行压实，碾压顺序为先两边后中间， 先静压2遍，再弱振2遍，再强振2遍，最后静压一遍收面，碾压速度先慢后快， 压路机的最大行驶速度不大于4km/小时，碾压时纵向轮迹搭接不小于40cm。
(5)检测：本项目主要检测内容有：压实度检测、横坡平整度检测，其中 压实度检测方法为K30平板荷载检测。以上检测标准统一参照规范TB 10414-2018。
(6)边坡修整：路基高度到设计标高后，根据设计宽度放出路肩边线，按 照1:1.5的坡比用挖机修坡，用坡度尺控制坡比，坡面应平整、顺直。
本发明所述一种煤矸石填料路基需要采用的质量控制要求有：
(1)确保煤矸石满足煤矸石作为铁路路基填料分类标准及煤矸石铁路路基 填料应技术标准的要求，其它材料的技术性能满足设计、相关规范及上述规定要 求；
(2)确保填料拌合均匀；
(3)确保按施工工艺要求进行填筑。
(4)确保路基边坡稳定，压实度满足相关规范要求。
实施例：
某段铁路路基填高3m，基床底层填料为煤矸石混合料。该混合料采用本发 明所涉及的路基填料，并严格按照比例分别掺入煤矸石、熟石灰、水玻璃和阻燃 稳定剂等，作为优选煤矸石、熟石灰、水玻璃和阻燃稳定剂的质量比是85:7:6: 2。其中煤矸石产自于本地，为Ⅱ类煤矸石，熟石灰、水玻璃及阻燃剂均购于本 地化工厂。经现场检测，拌和后的路基混合料的最大干密度为：1.91g/cm3，最 佳含水量为7.2％。按照本发明中所提供的施工方法进行路基填筑。
路基在填筑完成后，进行路基基底层压实度的测试。本试验段现场采取K30系数压实度检测，检测方法根据标准TB10001-2016提到的K30检测方法进行。图 1为该试验段压实度的检测结果，根据相关公式求得本试验段的K30系数为162.9 MPa/m。据《2019铁路专用线规范(试行)》铁路路基压实度所需要达到的标准 为K30≥100MPa/m，可见本发明所涉及的路基及其施工方法可以很好地在现场施 工中进行实施。
在其他实施例中，煤矸石、熟石灰、水玻璃、阻燃剂的质量比可采用以下 方案：
| 方案 | 煤矸石 | 熟石灰 | 水玻璃 | 阻燃剂 |
| 1 | 79 | 12 | 7 | 2 |
| 2 | 83 | 9.5 | 6 | 1.5 |
| 3 | 88 | 6 | 5 | 1 |
按上述方案，路基在填筑完成后，进行路基基底层压实度的测试同本实施 例。
本发明结合现有的主流采煤，洗选煤技术，对煤矸石的主要物理力学性能 进行研究，提出了一种实用的方法将废弃物煤矸石变废为宝，成功用于铁路路基 作为填料。该方法首先根据煤矸石物理力学性能指标对煤矸石可作为普速铁路的 路用性能指标进行分类，然后根据煤矸石类别及铁路等级进行煤矸石的选配适 用，最后根据选配合适的煤矸石提出相应的施工方法。根据本发明所选用的煤矸 石填料及填筑方法能满足相关规范对铁路路基填筑性能的要求，已在部分普速路 铁和铁路专用线中实际运用，从降碳、减灾、环保、绿色、经济的角度都能带来 显著的效益。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不 用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还 可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，其特征在于：
所述方法包括：
准备煤矸石、熟石灰、水玻璃和阻燃剂，进场并检测；
处理地基；
破碎、筛分煤矸石；
拌合熟石灰、水玻璃和阻燃剂，之后加入煤矸石继续拌和，获得煤矸石填料；
利用煤矸石填料在地基上布料、摊铺，之后用路拌机进行二次拌和，检测均匀度后压实；
检测压实度、横坡平整度，最后修整边坡；
所述准备煤矸石、熟石灰、水玻璃和阻燃剂，进场并检测中，检测煤矸石的饱和单轴抗压强度、烧失量、吸水率、软化系数和级配，进行分级选型。
2.根据权利要求1所述的煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，其特征在于：
所述分级具体包括：
煤矸石的饱和单轴抗压强度Rc≥10MPa，650℃下的烧失量β650≤10％，吸水率ω＜2％，软化系数Kf≥0.75，级配良好，为I类煤矸石；
煤矸石的饱和单轴抗压强度为5＜Rc≤10MPa，650℃下的烧失量为10％＜β650≤20％，吸水率为2％＜ω≤4％，软化系数Kf≥0.60，级配一般，为Ⅱ类煤矸石；
煤矸石的饱和单轴抗压强度为5＜Rc≤10MPa，650℃下的烧失量为20％＜β650≤30％，吸水率为4％＜ω≤6％，软化系数Kf≥0.60，级配不良，为Ⅲ类煤矸石；
煤矸石的饱和单轴抗压强度、650℃下的烧失量、吸水率、软化系数和级配不满足I类煤矸石、Ⅱ类煤矸石或Ⅲ类煤矸石，为Ⅳ类煤矸石。
3.根据权利要求2所述的煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，其特征在于：
所述选型具体包括：
I类煤矸石用于时速200km及以下铁路路基基床底层及路基本体填料，或企业专用铁路工业园站内铁路基床表层、底层，本体的填筑，或用于重载铁路路基本体填料；
Ⅱ类煤矸石用于时速200km及以下铁路路基本体填料，或企业专用铁路园区站内铁路的基床底层及本体的填筑；
Ⅲ类煤矸石改良后用于时速200km及以下铁路路基本体填筑；
Ⅳ类煤矸石用于铁路物流园区非建筑区段的填筑。
4.根据权利要求3所述的煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，其特征在于：
所述煤矸石、熟石灰、水玻璃、阻燃剂的质量比为(79～88):(12～6):(7～5):(2～1)。
5.根据权利要求4所述的煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，其特征在于：
所述改良指添加细粒土进行级配改良，添加量为煤矸石质量的15％～25％；
所述细粒土选用塑性指数Ip≤12,液限指数≤32的粘性土。
6.根据权利要求5所述的煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，其特征在于：
所述阻燃剂为聚硅氧烷粉末，硅酮含量≥85％，挥发性≤0.5％，耐热性能≥300℃，密度区间1.42kg/m2～1.46kg/m3。
7.根据权利要求6所述的煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，其特征在于：
所述熟石灰为钙质石灰，颗粒尺寸不大于5mm，0.08mm筛余≤25％，2.36mm筛余≤20％，CaCO3含量≥80％，CO2含量不大于9％。
8.根据权利要求6所述的煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，其特征在于：
所述水玻璃为固体粉体状，颗粒粒径即2.36mm筛余≤20％。
9.根据权利要求8所述的煤矸石填料填筑铁路路基的施工方法，其特征在于：
所述煤矸石填料的含水率为7％～9％，通过翻晒或喷淋调节。
10.如权利要求9所述的方法制备的填筑铁路路基的煤矸石填料。
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