一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料及其设计方法与流程

本发明涉及路面基层材料领域，特别是涉及一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料及其设计方法。

背景技术：

目前，在我国最常用的沥青路面基层类型当属半刚性基层，占到基层用量的85％以上，而水稳碎石和二灰碎石是应用最为广泛的材料。半刚性基层材料均具有前期投入少，后期强度高、刚度大、板体性好、造价低等优点，但其缺陷在于半刚性基层材料容易产生干缩和温缩裂缝，并且在车辆荷载作用与环境因素影响下，产生不同程度的反射裂缝病害，最终导致沥青路面出现早期损害，也因此降低了路面使用性能，缩短了道路使用寿命。因此研究人员就如何提高其抗裂能力做了大量研究，总结起来可分为：①优化集料级配；②控制水泥用量；③掺入外加剂；④改善施工条件。工程实践表明，而这几种防裂手段的效果多表现在延缓表面裂缝出现及控制裂缝宽度，但后期裂缝发展情况仍不容乐观。因此，需要从材料设计思路上有所突破，寻找一种能有效克服反射裂缝问题的新型基层材料来替代传统半刚性基层。

因此，在设计时考虑选用公称最大粒径较大的混合料能更好地形成骨架结构，使得集料间相互嵌挤更加突出，具有更优的物理力学性能；骨架结构是混合料组成设计的首要目标，在保证骨架有效形成的前提下，空隙的填充追求密实，但以不干涉骨架形成为原则；选用间断级配在骨架密实程度及综合物理力学性能方面将更为优越，基层材料设计时应优先选用；基层材料在保证一定的承载力条件下，应尽量降低其板体性，避免宽而长的宏观裂缝的产生；合理选用基层材料，考虑材料的经济性，在满足规范要求下，优先考虑选用当地废旧材料，发挥其经济效益和社会效益。

技术实现要素：

为了解决半刚性基层沥青路面中出现的早期开裂问题，本发明提供一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料及其设计方法，该发明采用间断级配，在使用时带裂纹工作，能够诱导裂纹产生，从而具有防止反射裂缝向沥青层发展的作用；同时提供了一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料及其设计方法，该材料采用大粒径碎石能提供优良承载能力，采用水稳煤矸石作为填充料能大大降低材料成本，并且该材料具有良好的抗车辙和抗超载能力，为达此目的，本发明提供一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料，采用水稳煤矸石作为填充料，大粒径碎石为石灰岩集料，按重量百分比由以下组成：

作为本发明基层材料进一步改进，所述的大粒径碎石为粒径范围在31.5mm～70mm之间，其级配范围如下表：

作为本发明基层材料进一步改进，所述的水稳煤矸石填充料其实质是一种水泥稳定材料，填充料中的煤矸石粒径范围在0.075mm～13.2mm之间，且具有连续级配，其级配范围如下表：

作为本发明基层材料进一步改进，所述的水稳煤矸石填充料是采用水泥、水和煤矸石按照一定比例进行拌合而成的混合料，其中水泥用量即水泥占煤矸石质量的比例的范围为4.5％～6.4％

作为本发明基层材料进一步改进，所述的煤矸石细料是通过反击式或锤式破碎机破碎煤矸石的方式获取。

作为本发明基层材料进一步改进，所述的煤矸石为露天煤矿开采时剥离的、煤矿在井巷掘进时排出的和洗选加工过程中排出的固体废弃物，由含碳岩石、页岩、砂岩或者砾岩组成，不属于膨胀土。

作为本发明基层材料进一步改进，所述的含碳岩石为碳质页岩或者碳质砂岩。

作为本发明基层材料进一步改进，所述的水泥为标号42.5硅酸盐水泥。

本发明提供一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料的设计方法，该方法包括以下步骤：

1)对试验用直径31.5mm～70mm范围的大粒径粗集料进行物理力学指标试验，确定其是否满足规定的粗集料技术要求；

2)对所取煤矸石样品进行基本的化学和物理力学指标试验，确定煤矸石中是否存在有害成分，并对其进行物理力学性能，在排除有害杂质风险后对煤矸石样品通过破碎处理，从而得到填充料中所需要的煤矸石；

3)基于大粒径混合料、级配碎石和骨架密实型水稳碎石组成设计思路以及间断级配设计理论的基础，同时参考贝雷法的填充基本理论，以不干涉大粒径颗粒骨架的形成为依据，确定填充料的公称最大粒径为9.5mm，大粒径碎石的粒径范围为30～70mm；依据cavf法即主骨料空隙填充法体积关系提出了可由粗集料和煤矸石的振实密度确定二者的组成比例，并对煤矸石进行级配组成设计，在保证合成级配为骨架密实型的原则下，最大化地使用煤矸石材料；

4)按照步骤3)中所确定的填充料中的煤矸石用量，向煤矸石中加入一定量的水泥和水得到水稳煤矸石填充料，并依据试验规程对填充用水稳煤矸石填充料进行击实试验，确定其最佳含水率与最大干密度。其中水泥为水稳煤矸石填充料中煤矸石质量的4％～7％，试验加水量为水稳煤矸石混合料中煤矸石细料质量的3.5％～7.0％；

5)对步骤4)得到水稳煤矸石填充料按照试验规程进行7d无侧限抗压强度试验，其若水稳煤矸石混合料不能满足性能要求，则返回步骤3)，调整大粒径碎石和煤矸石的组成比例，并对煤矸石重新进行级配组成，直至满足性能要求；

6)将步骤4)中制得的水稳煤矸石填充料按照步骤3)中确定的大粒径碎石与煤矸石的比例，填充到步骤1)中满足要求的大粒径碎石，即可得到符合设计要求的水稳煤矸石填充大粒径碎石混合料。

7)将步骤6)中制得的水稳煤矸石填充大粒径碎石混合料按照试验规程进行室内抗压回弹模量试验，得到其抗压回弹模量范围，试验结果可用作路面结构设计时的指标选择依据。

本发明一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料及其设计方法，与现有技术相比有益效果如下；

1、该新型水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料选取间断级配，采用粒径超过规范的单一粒径大颗粒碎石(31.5mm～70mm)形成骨架，大粒径粗骨料的承载能力较普通粒径材料更加突出。选用偏细的水稳煤矸石混合料(0.075mm～13.2mm)作为填充料，用于填充大颗粒骨架的空隙，但其主要作用不是形成整体性材料，而是在大粒径骨架间隙形成小的水稳煤矸石，对大颗粒骨架起到支撑和侧向限制作用。在保证大粒径骨架的形成的同时，不强调甚至避免大粒径碎石与空隙内细料水稳煤矸石团块的粘结，使材料在收缩变形时由二者间隙产生微裂缝吸收变形，从而达到抑制反射裂缝的效果。

2、该新型水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料能够直接应用于高等级公路路面基层，所选用的大粒径碎石(31.5mm～70mm)在一定程度上减少了石料破碎及二次加工费用，同时选用水稳煤矸石细料(0.075mm～13.2mm)作为填充料，且煤矸石使用量高达45％以上，煤矸石是一种非常廉价的工业废料，从某种意义上是用煤矸石替代了粒径范围在0.075mm～13.2mm普通的碎石集料，将煤矸石作为土工填料和建筑材料使用，发挥其作用，可以改变环境面貌，促进资源利用，变废为宝，使煤矸石废弃物的经济效益和社会效益得到充分发挥,在保护环境的同时极大地降低道路建筑材料成本，因此是一项非常有前景的技术。

3、所述的水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料设计方法是一种快速验证获取可用于工程用新材料级配的方法，避免了复杂的正交异性试验，对水泥稳定煤矸石填充料采用7d无侧限抗压强度作为控制指标进行初步评价所使用的级配，对水稳煤矸石填充大粒径碎石混合料进行90d无侧限抗压强度和抗压回弹模量作为控制指标，对整体混合料进行评价，进而确定该材料所能应用的公路等级、交通等级以及材料所处具体层位，同时为路面结构设计提供依据。

附图说明

图1为本发明提供的一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料设计方法的流程框图；

图2为本发明提供的水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料示意图；

图3为实例中水稳煤矸石填充料的7d无侧限抗压强度值随水泥剂量增长趋势图；

图4为实例中水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料的90d无侧限抗压强度值随水泥剂量增长趋势图；

图5为实例中水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料的90d抗压回弹模量值随水泥剂量增长趋势图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料及其设计方法，其中水泥稳定煤矸石混合料作为整体材料的填充料，填充于大粒径碎石之间的孔隙。该材料具有优良的承载能力，良好的抗车辙和抗超载能力，并且能够有效地解决半刚性基层沥青路面中出现的早期开裂问题，既能节省材料成本，又能发挥材料的基本性能，其水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料设计方法流程框图如图1所示，水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料组成如图2所示，具体实施例如下。

实例1：

一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料，采用水泥稳定煤矸石细料作为填充料，以大粒径碎石作为主骨料，按重量计包括以下组成：

一种采用水泥稳定煤矸石作为填充料，以大粒径碎石作为主骨料的新型水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料及设计方法，包括如下步骤：

1)对大粒径碎石进行物理力学性能试验，确定本次使用的大粒径碎石集料属于以方解石为主要成分的碳酸盐岩，其具体试验结果见下表：

对大粒径碎石进行筛分试验，其颗粒组成级配如下表所示：

2)对煤矸石样品进行化学和物理力学指标试验，确定本次使用的煤矸石属于炭质页岩煤矸石，化学成分以sio2和al2o3为主，其具体试验结果见下表：

煤矸石筛分试验结果如下表所示：

3)本次试验选用海螺牌pc42.5的复合硅酸盐水泥，选取水泥剂量为煤矸石细料与石灰岩集料总质量的4％、5％与6％，含水量取煤矸石细料与石灰岩集料总质量的3％、4％、5％、6％和7％五组进行击实试验，试验结果详见下表：

4)根据击实试验结果，对填充水稳煤矸石采用试件的直径×高＝100mm×100mm，成型径高比为1:1的圆柱体试件，标准养生7d，然后进行7d无侧限抗压强度试验，7d无侧限抗压强度试验结果如下表所示：

试验中的三组水泥用量仅是按填充用煤矸石的质量考虑，如果加上水稳煤矸石填充大粒径碎石中的大粒径粗骨料，其实际水泥用量只有2.5％～3.5％，要远低于普通水泥稳定碎石的水泥用量范围(4.0％～6.0％)。因此采用水稳填充大粒径碎石在减少水泥用量、节省费用方面具有显著优势。试验结果可知，采用6％水泥剂量稳定的煤矸石混合料其7d无侧向抗压强度能达到3.98mpa，可应用于二级及二级以下公路的基层、底基层中，并且也能应用于中等、轻交通等级的高速、一级公路的基层、底基层中，因此该水稳煤矸石混合料可以对整体材料中的大颗粒碎石提供支撑及侧向限制作用。

5)根据3)和4)中确定的填充水泥稳定煤矸石混合料的最佳含水量和最大干密度，又考虑到水稳煤矸石填充大粒径碎石属于粗粒式混合料，故成型150mm×150mm的圆柱体试件，试件采用分层捣实的方式成型，每层大粒径粗颗粒手摆到位，加适量细料水稳后捣实，再进行下一层，共分5层，然后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtge51-2009)中的t0845-2009标准养生方法养生90d。在养生期最后一天将试件泡水一昼夜，取出后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtge51-2009)中的t0808-1994方法进行水稳煤矸石填充大粒径碎石混合料90d无侧限抗压强度试验和室内抗压回弹模量试验。试验结果如下表所示：

根据以上试验结果对水泥剂量与无侧限抗压强度、抗压回弹模量进行线性拟合，根据《公路沥青路面设计规范》(jtgd50-2017)中对水泥稳定类的要求，采用6％的水泥剂量用于稳定煤矸石混合料，其实际水泥用量(水泥质量占整体材料质量的比例)只有3.3％左右，但水稳煤矸石混合料的7d无侧限抗压强度能达到3.98mpa，对整体材料试验可得其90d无侧限抗压强度高达7.02mpa，兼具经济与性能优势；通过抗压回弹模量试验进行验证得其抗压回弹模量平均值为1568mpa，表明该材料已满足应用于沥青路面基层材料设计要求，通过分析和材料本身特性，可推荐其应用于旧路加铺的补强基层，或者作为新建公路的基层使用铺设于沥青面层与水稳底基层之间，且通过计算分析可知该材料层在路面结构中承受着压应力作用，同时其疲劳寿命对轴载大小的敏感性弱于普通的半刚性基层。

实例2：

一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料，采用水泥稳定煤矸石细料作为填充料，以大粒径碎石作为主骨料，按重量计包括以下组成：

一种采用水泥稳定煤矸石作为填充料，以大粒径碎石作为主骨料的新型水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料及设计方法，包括如下步骤：

1)对大粒径碎石进行物理力学性能试验，确定本次使用的大粒径碎石集料属于以方解石为主要成分的碳酸盐岩，其具体试验结果见下表：

对大粒径碎石进行筛分试验，其颗粒组成级配如下表所示：

2)对煤矸石样品进行化学和物理力学指标试验，确定本次使用的煤矸石属于炭质页岩煤矸石，化学成分以sio2和al2o3为主，其具体试验结果见下表：

并且其磨耗率较大，加州承载比(cbr)值远远超过8％，针片状颗粒含量较低，形状较好，且煤矸石崩解量较小，不属于膨胀土。煤矸石筛分试验结果如下表所示：

3)本次试验选用海螺牌pc42.5的复合硅酸盐水泥，选取水泥剂量为煤矸石细料与石灰岩集料总质量的5％、6％和7％，含水量取煤矸石细料与石灰岩集料总质量的3％、4％、5％、6％和7％五组进行击实试验，试验结果详见下表：

4)根据击实试验结果，对填充水稳煤矸石采用试件的直径×高＝100mm×100mm，成型径高比为1:1的圆柱体试件，标准养生7d，然后进行7d无侧限抗压强度试验，7d无侧限抗压强度试验结果如下表所示：

试验中的三组水泥用量仅是按填充用煤矸石的质量考虑，如果加上水稳煤矸石填充大粒径碎石中的大粒径粗骨料，其实际水泥用量只有2.5％～3.8％，要远低于普通水泥稳定碎石的水泥用量范围(4.0％～6.0％)。因此采用水稳填充大粒径碎石在减少水泥用量、节省费用方面具有显著优势。

5)根据3)和4)中确定的填充水泥稳定煤矸石混合料的最佳含水量和最大干密度，又考虑到水稳煤矸石填充大粒径碎石属于粗粒式混合料，故成型150mm×150mm的圆柱体试件，试件采用分层捣实的方式成型，每层大粒径粗颗粒手摆到位，加适量细料水稳后捣实，再进行下一层，共分5层，然后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtge51-2009)中的t0845-2009标准养生方法养生90d。在养生期最后一天将试件泡水一昼夜，取出后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtge51-2009)中的t0808-1994方法进行水稳煤矸石填充大粒径碎石混合料的室内抗压回弹模量试验。抗压回弹模量试验结果如下表所示：

根据以上试验结果对水泥剂量与无侧限抗压强度、抗压回弹模量进行线性拟合，根据《公路沥青路面设计规范》(jtgd50-2017)中对水泥稳定类的要求，采用6％的水泥剂量用于稳定煤矸石混合料，其实际水泥用量(水泥质量占整体材料质量的比例)只有3.3％左右，但水稳煤矸石混合料的7d无侧限抗压强度能达到3.79mpa，对整体材料试验可得其90d无侧限抗压强度高达6.89mpa，兼具经济与性能优势；通过抗压回弹模量试验进行验证得其抗压回弹模量平均值为1232mpa，表明该材料已满足应用于沥青路面基层材料设计要求，通过分析和材料本身特性，可推荐其应用于旧路加铺的补强基层，或者作为新建公路的基层使用铺设于沥青面层与水稳底基层之间，且通过计算分析可知该材料层在路面结构中承受着压应力作用，同时其疲劳寿命对轴载大小的敏感性弱于普通的半刚性基层。

实例3：

一种水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料，采用水泥稳定煤矸石细料作为填充料，以大粒径碎石作为主骨料，按重量计包括以下组成：

一种采用水泥稳定煤矸石作为填充料，以大粒径碎石作为主骨料的新型水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料及设计方法，包括如下步骤：

1)对大粒径碎石进行物理力学性能试验，确定本次使用的大粒径碎石集料属于以方解石为主要成分的碳酸盐岩，其具体试验结果见下表：

对大粒径碎石进行筛分试验，其颗粒组成级配如下表所示：

2)对煤矸石样品进行化学和物理力学指标试验，确定本次使用的煤矸石属于炭质页岩煤矸石，化学成分以sio2和al2o3为主，其具体试验结果见下表：

煤矸石筛分试验结果如下表所示：

3)本次试验选用海螺牌pc42.5的复合硅酸盐水泥，选取水泥剂量为煤矸石细料与石灰岩集料总质量的4％、5％与6％，含水量取煤矸石细料与石灰岩集料总质量的3％、4％、5％、6％和7％五组进行击实试验，试验结果详见下表：

4)根据击实试验结果，对填充水稳煤矸石采用试件的直径×高＝100mm×100mm，成型径高比为1:1的圆柱体试件，标准养生7d，然后进行7d无侧限抗压强度试验，7d无侧限抗压强度试验结果如下表所示：

试验中的三组水泥用量仅是按填充用煤矸石的质量考虑，如果加上水稳煤矸石填充大粒径碎石中的大粒径粗骨料，其实际水泥用量只有2.5％～3.5％，要远低于普通水泥稳定碎石的水泥用量范围(4.0％～6.0％)。因此采用水稳填充大粒径碎石在减少水泥用量、节省费用方面具有显著优势。试验结果可知，采用6％水泥剂量稳定的煤矸石混合料其7d无侧向抗压强度能达到3.98mpa，可应用于二级及二级以下公路的基层、底基层中，并且也能应用于中等、轻交通等级的高速、一级公路的基层、底基层中，因此该水稳煤矸石混合料可以对整体材料中的大颗粒碎石提供支撑及侧向限制作用。

5)根据3)和4)中确定的填充水泥稳定煤矸石混合料的最佳含水量和最大干密度，又考虑到水稳煤矸石填充大粒径碎石属于粗粒式混合料，故成型150mm×150mm的圆柱体试件，试件采用分层捣实的方式成型，每层大粒径粗颗粒手摆到位，加适量细料水稳后捣实，再进行下一层，共分5层，然后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtge51-2009)中的t0845-2009标准养生方法养生90d。在养生期最后一天将试件泡水一昼夜，取出后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtge51-2009)中的t0808-1994方法进行水稳煤矸石填充大粒径碎石混合料90d无侧限抗压强度试验和室内抗压回弹模量试验。试验结果如下表所示：

根据以上试验结果对水泥剂量与无侧限抗压强度、抗压回弹模量进行线性拟合，根据《公路沥青路面设计规范》(jtgd50-2017)中对水泥稳定类的要求，采用6％的水泥剂量用于稳定煤矸石混合料，其实际水泥用量(水泥质量占整体材料质量的比例)只有3.3％左右，但水稳煤矸石混合料的7d无侧限抗压强度能达到4.12mpa，对整体材料试验可得其90d无侧限抗压强度高达7.19mpa，兼具经济与性能优势；通过抗压回弹模量试验进行验证得其抗压回弹模量平均值为1568mpa，表明该材料已满足应用于沥青路面基层材料设计要求，通过分析和材料本身特性，可推荐其应用于旧路加铺的补强基层，或者作为新建公路的基层使用铺设于沥青面层与水稳底基层之间，且通过计算分析可知该材料层在路面结构中承受着压应力作用，同时其疲劳寿命对轴载大小的敏感性弱于普通的半刚性基层。

结合上述三个实例，将试验结果进行整理，如图3所示为不同级配水稳煤矸石填充料7d无侧限抗压强度值随水泥剂量增长趋势图；如图4所示为不同级配水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料90d无侧限抗压强度值随水泥剂量增长趋势图；如图5所示为不同级配水稳煤矸石填充大粒径碎石基层材料90d抗压回弹模量值随水泥剂量增长趋势图。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。