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【摘要】煤矸石是煤炭生产中排放的固体废物，是我国目前年排放量和累计存贮量最大的工业废弃物。发展煤矸石在道路工程中的综合利用，变废物为资源，是节约能源、节约土地、保护环境、发展循环经济、建设节约型社会的重大举措。
【关键词】煤矸石；道路工程；应用可行性；分析
1.煤矸石的环境影响
1.1占用土地
土地资源是自然环境资源的重要组成部分，是不可替代的生产要素。土地是矿物质的储存所，它能生长草木和粮食，也是人类、野生动物和家畜的栖息所，是重要的生命支持系统。节约土地和保护环境都是我国的基本国策。由于目前我国煤矸石的综合利用率较低，其堆放要占用大量土地，约为10.5万亩。
1.2污染环境
煤矸石中除含有大量的碳、硅、铝、铁、钙、镁等常量元素外，还含有各种痕量的重金属元素及硫化物，这些元素经过风化、淋溶作用，形成酸性溶液，随雨水流入河道、渗入地下，从而污染了地表水、地下水及土壤，导致土壤酸化或碱化，土壤板结，使农作物生长发育受到影响，有的因污染严重无法耕种。
1.3自燃现象
煤矸石的自燃是一个较为普遍的现象，目前矿山排出的煤矸石大多堆放在矿井四周，由于煤矸石含一定量的碳，在堆放时由于受到透气性、温度、水分及矸石中所含硫铁矿等因素的影响，当外界条件适宜时，会产生自燃现象。
2.煤矸石的性质
2.1物理化学特性
煤矸石是随煤层伴生的矿物质，实际上是一种夹在煤层间的脉石，它主要由炭质页岩、泥质页岩、砂质页岩等岩石组成，其中数量最大的是炭质页岩，其次为泥质页岩、砂质页岩，还含有少量的石英、云母等硬质岩，压碎值小于30%，级配良好，最大干密度在1.90g/cm3～2.04g/cm3之间。煤矸石堆存时间越长，其力学性质越稳定，越有利于用作路面基层材料。
2.2煤矸石的化学成分
煤矸石的化学成分主要有硅、铝、铁的氧化物，大约占总质量的60%以上，其次是钙、镁、硫等的氧化物。
2.3煤矸石的风化
煤矸石在大气中容易风化、崩解，其原因在于温度变化、盐类结晶、冰劈等作用。
2.3.1温度变化
温度变化是引起风化的主要因素。煤矸石呈黑褐色，吸热能力极强，当温度变化时大块煤矸石受热或冷却，不同的矿物颗粒间的联结力遭到破坏，使煤矸石产生裂隙，崩解分离成松散矿物颗粒。
2.3.2盐类结晶
煤矸石中溶于水的盐分也会产生一定的破坏作用。有些盐类具有很强的吸湿性，能从空气中吸收大量的水分而潮解。随着温度的升高，水分蒸发，当盐分又结晶析出时，其体积增大促使煤矸石胀裂。
2.3.3冰劈作用
当雨水或融雪水浸入煤矸石孔隙或裂缝后，若温度低于0℃时，水变成冰，体积膨胀约9%，这对裂缝会产生很大的膨胀力，使煤矸石逐渐崩解成碎块。
3.路用可行性
3.1基层应用
因为煤矸石颗粒具有一定的棱角和粗糙表面，碾压后相互紧密嵌锁，产生一定的摩阻力，并且煤矸石颗粒与胶凝材料相互作用，使煤矸石路面基层获得承载力。
3.1.1强度形成机理
煤矸石混合料基层是以煤矸石为骨料，以消解石灰为粘结料，以粉煤灰为掺合料，加水拌和均匀的混合材料。煤矸石骨料空隙和表面被石灰、粉煤灰及煤矸石粉末组成的可塑性物质裹覆和填充，经过机械压实后，空隙大大减小，由于煤矸石颗粒之间的嵌锁作用和结合料的粘结作用，产生一定的初期强度。粉煤灰和煤矸石粉末中含有硅、铝、铁、钙、镁等氧化物，具有一定的活性，在水分和温度条件下，能与Ca（OH）2起化学反应，主要生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，呈凝胶状或纤维状晶体，还生成部分氢氧化钙和碳酸钙晶体，使煤矸石颗粒之间的联结力和粘结力加强。随着龄期的增长，这些水化物日益增多，从而改变了煤矸石混合料的结构组成，使煤矸石混合料基层获得越来越大的抵抗荷载作用的能力。
3.1.2无侧限饱水抗压强度
作为承受主要荷载的煤矸石混合料基层，应具备一定的抗压强度。因此，对几种煤矸石混合料的无侧限饱水抗压强度作了测定，以上掺有煤矸石的混合料，除石灰稳定煤矸石材料之外，其无侧限饱水抗压强度均能满足多种等级的道路基层的抗压强度要求，石灰稳定煤矸石混合料的强度也能达到底基层强度的要求。可见，这种掺有煤矸石的道路基层材料在强度指标上是完全有保证的。
3.1.3注意事项
煤矸石矿物成分较多，化学成分复杂，将其应用到路面基层后最突出的就是稳定性问题。煤矸石有较强的吸水性，因为吸水是缓慢进行的，而路面基层施工是快速的，这样路面基层完成后，煤矸石仍在吸水、膨胀、解理，从而引起路面基层变形。由于煤矸石类似于微风化岩，未充分物化的煤矸石中的煤与空气发生化学反应，生成大量气体并放出热量，导致体积膨胀，膨胀后的路面基层会出现开裂、松动现象，粘结性差。因此从选料到摊铺碾压成型，也需采取相应的预防措施。鉴于以上原因，采用煤矸石作为道路基层时，应掺一定量的无机结合料以保证结构层的稳定性。尽可能采用碎石机粉碎煤矸石，这样煤矸石颗粒级配较好，基层空隙率小，嵌锁力强，可获得较高的强度，施工质量更易得到保证。宜选用轻微风化的煤矸石作为基层材料，采用砂质页岩和炭质页岩，不宜采用泥质页岩。
3.2路基应用
从天然材料粒径上看，煤矸石呈块状、粒状和粉状，选择级配合理的煤矸石作为路基填料尤为重要。煤矸石是一种低塑性材料，筛分0.5mm以下煤矸石进行塑性试验，塑性指数小于7。未燃煤矸石抗水性能差，遇水易变软，不宜用于地下水位高或地势低洼易被水浸泡的路段填筑，且未燃煤矸石强度较低，易风化粉碎，抗冻性差，在平均温度低于-10℃时不能直接用于路基填筑。自燃煤矸石抗冻性好，在低温地区也可直接用于高速公路的路基填筑。
3.2.1压实特性
由于煤矸石有与碎石土相近的级配，其压实特性主要由骨料中的细料，以及细料对骨料空隙的充满程度决定。因此，可以先对细料进行击实试验，测定其最大干密度，然后计算骨料空隙全部由细料充满时的最大干密度，并将其作为煤矸石的最大干密度。试验结果表明：煤矸石压缩系数较小，压缩模量较大；随干密度的减小压缩系数增大，压缩模量减小。
3.2.2强度特性
对煤矸石进行CBR试验，结果表明，煤矸石混合料满足路基设计规范的要求，且比粉土、粘土的CBR值高得多。
3.2.3变形特性
路面结构的破坏，除路面自身的原因外，主要是由于路基变形过大引起的。所以，应尽量采用抗变形能力强的材料作为路基填料。研究表明，当煤矸石压实度为95%时，其回弹模量为295MPa，而碎、砾石仅能达到100MPa。显然，煤矸石的强度优于路基常用填土，其抗变形能力较大。
3.2.4水稳特性
煤矸石属于碎石类土，但是其强度和变形性对于含水量的变化有较强的敏感性，通过强制压实后水稳性将得到改善。试验表明：煤矸石试样的含水量随浸水时间的增长而增大，非饱和煤矸石试样随浸水时间的增加强度明显降低，尤其是凝聚力随含水量的增加而明显降低；煤矸石的强度对含水量的变化较为敏感，随着含水量的增加强度降低；粗粒煤矸石饱和后，在长期浸水情况下，强度基本不变。
4.结论
煤矸石的堆放占用土地、污染环境、浪费资源、破坏生态，煤矸石还会爆炸伤人，在雨水的作用下可能引发泥石流、滑坡等地质灾害。煤矸石的压实特性好，强度高，变形及水稳性好，是一种良好的道路路基填料。 [科]
【参考文献】
［１］邱钰，缪林昌，刘松玉.煤矸石在道路建设中的应用研究现状及实例[J].公路交通科技，2002，19（2）：1-5.
【关键词】煤矸石；道路工程；应用可行性；分析
1.煤矸石的环境影响
1.1占用土地
土地资源是自然环境资源的重要组成部分，是不可替代的生产要素。土地是矿物质的储存所，它能生长草木和粮食，也是人类、野生动物和家畜的栖息所，是重要的生命支持系统。节约土地和保护环境都是我国的基本国策。由于目前我国煤矸石的综合利用率较低，其堆放要占用大量土地，约为10.5万亩。
1.2污染环境
煤矸石中除含有大量的碳、硅、铝、铁、钙、镁等常量元素外，还含有各种痕量的重金属元素及硫化物，这些元素经过风化、淋溶作用，形成酸性溶液，随雨水流入河道、渗入地下，从而污染了地表水、地下水及土壤，导致土壤酸化或碱化，土壤板结，使农作物生长发育受到影响，有的因污染严重无法耕种。
1.3自燃现象
煤矸石的自燃是一个较为普遍的现象，目前矿山排出的煤矸石大多堆放在矿井四周，由于煤矸石含一定量的碳，在堆放时由于受到透气性、温度、水分及矸石中所含硫铁矿等因素的影响，当外界条件适宜时，会产生自燃现象。
2.煤矸石的性质
2.1物理化学特性
煤矸石是随煤层伴生的矿物质，实际上是一种夹在煤层间的脉石，它主要由炭质页岩、泥质页岩、砂质页岩等岩石组成，其中数量最大的是炭质页岩，其次为泥质页岩、砂质页岩，还含有少量的石英、云母等硬质岩，压碎值小于30%，级配良好，最大干密度在1.90g/cm3～2.04g/cm3之间。煤矸石堆存时间越长，其力学性质越稳定，越有利于用作路面基层材料。
2.2煤矸石的化学成分
煤矸石的化学成分主要有硅、铝、铁的氧化物，大约占总质量的60%以上，其次是钙、镁、硫等的氧化物。
2.3煤矸石的风化
煤矸石在大气中容易风化、崩解，其原因在于温度变化、盐类结晶、冰劈等作用。
2.3.1温度变化
温度变化是引起风化的主要因素。煤矸石呈黑褐色，吸热能力极强，当温度变化时大块煤矸石受热或冷却，不同的矿物颗粒间的联结力遭到破坏，使煤矸石产生裂隙，崩解分离成松散矿物颗粒。
2.3.2盐类结晶
煤矸石中溶于水的盐分也会产生一定的破坏作用。有些盐类具有很强的吸湿性，能从空气中吸收大量的水分而潮解。随着温度的升高，水分蒸发，当盐分又结晶析出时，其体积增大促使煤矸石胀裂。
2.3.3冰劈作用
当雨水或融雪水浸入煤矸石孔隙或裂缝后，若温度低于0℃时，水变成冰，体积膨胀约9%，这对裂缝会产生很大的膨胀力，使煤矸石逐渐崩解成碎块。
3.路用可行性
3.1基层应用
因为煤矸石颗粒具有一定的棱角和粗糙表面，碾压后相互紧密嵌锁，产生一定的摩阻力，并且煤矸石颗粒与胶凝材料相互作用，使煤矸石路面基层获得承载力。
3.1.1强度形成机理
煤矸石混合料基层是以煤矸石为骨料，以消解石灰为粘结料，以粉煤灰为掺合料，加水拌和均匀的混合材料。煤矸石骨料空隙和表面被石灰、粉煤灰及煤矸石粉末组成的可塑性物质裹覆和填充，经过机械压实后，空隙大大减小，由于煤矸石颗粒之间的嵌锁作用和结合料的粘结作用，产生一定的初期强度。粉煤灰和煤矸石粉末中含有硅、铝、铁、钙、镁等氧化物，具有一定的活性，在水分和温度条件下，能与Ca（OH）2起化学反应，主要生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，呈凝胶状或纤维状晶体，还生成部分氢氧化钙和碳酸钙晶体，使煤矸石颗粒之间的联结力和粘结力加强。随着龄期的增长，这些水化物日益增多，从而改变了煤矸石混合料的结构组成，使煤矸石混合料基层获得越来越大的抵抗荷载作用的能力。
3.1.2无侧限饱水抗压强度
作为承受主要荷载的煤矸石混合料基层，应具备一定的抗压强度。因此，对几种煤矸石混合料的无侧限饱水抗压强度作了测定，以上掺有煤矸石的混合料，除石灰稳定煤矸石材料之外，其无侧限饱水抗压强度均能满足多种等级的道路基层的抗压强度要求，石灰稳定煤矸石混合料的强度也能达到底基层强度的要求。可见，这种掺有煤矸石的道路基层材料在强度指标上是完全有保证的。
3.1.3注意事项
煤矸石矿物成分较多，化学成分复杂，将其应用到路面基层后最突出的就是稳定性问题。煤矸石有较强的吸水性，因为吸水是缓慢进行的，而路面基层施工是快速的，这样路面基层完成后，煤矸石仍在吸水、膨胀、解理，从而引起路面基层变形。由于煤矸石类似于微风化岩，未充分物化的煤矸石中的煤与空气发生化学反应，生成大量气体并放出热量，导致体积膨胀，膨胀后的路面基层会出现开裂、松动现象，粘结性差。因此从选料到摊铺碾压成型，也需采取相应的预防措施。鉴于以上原因，采用煤矸石作为道路基层时，应掺一定量的无机结合料以保证结构层的稳定性。尽可能采用碎石机粉碎煤矸石，这样煤矸石颗粒级配较好，基层空隙率小，嵌锁力强，可获得较高的强度，施工质量更易得到保证。宜选用轻微风化的煤矸石作为基层材料，采用砂质页岩和炭质页岩，不宜采用泥质页岩。
3.2路基应用
从天然材料粒径上看，煤矸石呈块状、粒状和粉状，选择级配合理的煤矸石作为路基填料尤为重要。煤矸石是一种低塑性材料，筛分0.5mm以下煤矸石进行塑性试验，塑性指数小于7。未燃煤矸石抗水性能差，遇水易变软，不宜用于地下水位高或地势低洼易被水浸泡的路段填筑，且未燃煤矸石强度较低，易风化粉碎，抗冻性差，在平均温度低于-10℃时不能直接用于路基填筑。自燃煤矸石抗冻性好，在低温地区也可直接用于高速公路的路基填筑。
3.2.1压实特性
由于煤矸石有与碎石土相近的级配，其压实特性主要由骨料中的细料，以及细料对骨料空隙的充满程度决定。因此，可以先对细料进行击实试验，测定其最大干密度，然后计算骨料空隙全部由细料充满时的最大干密度，并将其作为煤矸石的最大干密度。试验结果表明：煤矸石压缩系数较小，压缩模量较大；随干密度的减小压缩系数增大，压缩模量减小。
3.2.2强度特性
对煤矸石进行CBR试验，结果表明，煤矸石混合料满足路基设计规范的要求，且比粉土、粘土的CBR值高得多。
3.2.3变形特性
路面结构的破坏，除路面自身的原因外，主要是由于路基变形过大引起的。所以，应尽量采用抗变形能力强的材料作为路基填料。研究表明，当煤矸石压实度为95%时，其回弹模量为295MPa，而碎、砾石仅能达到100MPa。显然，煤矸石的强度优于路基常用填土，其抗变形能力较大。
3.2.4水稳特性
煤矸石属于碎石类土，但是其强度和变形性对于含水量的变化有较强的敏感性，通过强制压实后水稳性将得到改善。试验表明：煤矸石试样的含水量随浸水时间的增长而增大，非饱和煤矸石试样随浸水时间的增加强度明显降低，尤其是凝聚力随含水量的增加而明显降低；煤矸石的强度对含水量的变化较为敏感，随着含水量的增加强度降低；粗粒煤矸石饱和后，在长期浸水情况下，强度基本不变。
4.结论
煤矸石的堆放占用土地、污染环境、浪费资源、破坏生态，煤矸石还会爆炸伤人，在雨水的作用下可能引发泥石流、滑坡等地质灾害。煤矸石的压实特性好，强度高，变形及水稳性好，是一种良好的道路路基填料。 [科]
【参考文献】
［１］邱钰，缪林昌，刘松玉.煤矸石在道路建设中的应用研究现状及实例[J].公路交通科技，2002，19（2）：1-5.