详情

原文传递煤矸石改性及填筑路基承载特性研究

论文题名：	煤矸石改性及填筑路基承载特性研究
关键词：	煤矸石;级配改良;固化剂;路用性能;振动碾压
摘要：	煤矸石是煤矿开采、洗选等过程中产生的一种黑灰色岩类废弃物。煤矸石大方量堆积所引发的空气污染、水体污染以及土壤污染等问题对生态环境及人的生活产生较大影响。因此，如何对废弃煤矸石进行合理化综合利用尤为重要。煤矸石具有质地松散、粘结性差、强度低及浸水易膨胀等特性。对煤矸石进行理化改性可提高其物理力学性能，进而作为路基填筑材料。此外，在煤矸石路基振动碾压施工中，碾压效果受多种因素影响，合理的碾压方案可提高路基碾压效率，节约施工成本。　　本文依托济南至微山某高速公路项目，采用物理力学试验、理论分析、数值模拟相结合的方法开展煤矸石改性及填筑路基承载特性研究。主要研究内容及成果如下: 　　(1)对该项目路段弃置煤矸石进行理化性质及路用性能研究，通过煤矸石化学组成、烧失量、液塑限及塑性指数、浸水膨胀量、耐崩解性、压碎值试验对理化性质进行分析，并结合筛分试验、击实试验、加州承载比试验对煤矸石路用性能展开研究。试验结果表明，本研究所用煤矸石满足填筑路基的基本要求。为提高煤矸石路基承载能力以满足更高等级路基设计要求，需对煤矸石进行物理-化学改性。　　(2)对10％、20％、30％、40％P2(粒径在2mm之下的煤矸石)含量煤矸石进行击实试验、无侧限抗压强度试验、抗压回弹模量试验、直剪试验及加州承载比试验，以分析颗粒级配对煤矸石力学及路用性能影响，揭示了其物理力学各性能指标随P2掺量先增后减的变化规律，并确定了30％P2掺量为最优配比。　　(3)开展了SAHP复合型固化剂掺量(0.2％、0.4％、0.6％、0.8％)对30％P2煤矸石及天然煤矸石7d及28d路用性能参数(无侧限抗压强度、抗压回弹模量、加州承载比、粘聚力及内摩擦角)的影响试验。结果表明:0.2％固化剂掺量下的煤矸石7d抗压回弹模量与加州承载比均满足规范要求;煤矸石7d及28d路用性能随固化剂掺量增加均呈上升趋势;级配改良后的30％P2煤矸石添加固化剂后各性能均优于添加固化剂的天然煤矸石。基于X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)及能量色散谱(EDS)研究了固化剂作用于煤矸石固化机理:在添加固化剂后生成的钙矾石骨架、硅酸凝胶及固化剂自身羟丙基甲基纤维素和聚丙烯酰胺的共同作用下，煤矸石各力学性能显著提高，随掺量及龄期的增加，性能不断增强。　　(4)采用单自由度振动模型结合压实能量建立了振动压路机激振力、激振频率、碾压轮自重、行驶速度与碾压沉降量的关系。基于PFC2D离散元软件对添加固化剂后的30％P2煤矸石进行振动碾压模拟。得到了激振力、激振频率、碾压轮自重与碾压效果均呈正相关，行驶速度及松铺厚度与碾压效果呈负相关的变化规律。通过正交试验并采用极差分析得出影响碾压沉降率最关键的因素为松铺厚度，其次为激振力、碾压轮自重，而行驶速度、激振频率对碾压沉降率的影响较小。最终确定了松铺厚度30cm、碾压轮自重12T,行驶速度2m/s、激振频率50Hz,激振力200kN的最优碾压方案。
作者：	张锐
专业：	土木水利
导师：	尹航;张健
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东农业大学
学位年度：	2023