四、煤矸石
（一）煤矸石的物理、化学性质
煤矸石是含碳岩石和其他岩石的混合物。混合煤矸石的矿物成分与黏土接近，pH为7～9。
煤矸石含有硅、铝、镁、铁、钙、硫等氧化物和碳，是一种惰性材料，在其内部进行反应的程度较弱。实践证明，煤矸石不宜直接依靠石灰来加固改善，但掺入一定剂量的石灰和粉煤灰后，可产生火山灰反应。石灰和粉煤灰的剂量不同，其反应程度也随之变化。
其中含水硅酸钙和水铝酸钙在电子显微镜照片中可清晰看出：煤矸石的周围都覆盖着一层凝胶物质，将整个混合体各个部分紧密地联结在一起，成为具有稳定性的整体结构，且后期逐渐形成方解石，强度提高的同时粒径结构逐渐改善。
煤矸石颗粒不太均匀，天然级配不够理想，尤其是普通混合煤矸石中，小颗粒含量偏高。掺入一定剂量的石灰、粉煤灰后，经化学反应小颗粒会凝聚，粒径会明显改善。碾压易成型，有一定的强度，特别是抗冻性能较好，可作为一般道路的底基层或加筋挡墙的主体填料。
（二）设计和施工中应注意的问题
煤矸石主要用作路堤填料和路面底基层材料，修建煤矸石加筋挡墙时，应注意以下几点。
1.避免面层出现“多筋破坏”
在确定填料、面板、筋带的设计参数后，需对加筋体进行内、外部稳定性分析、计算，以确定筋带的布设情况及应采取的构造措施。但依目前规范计算，为满足上层抗拔稳定性，需布设筋带较多、较密集，这就类似于在填料中有了一个夹层。受填料厚度的限制，上层填料被压路机碾压后表面会出现许多裂纹，呈破坏状态，压实成型较困难。为了防止裂缝反射到上层，顶层要控制在一定深度范围内尽量少布设或不布设筋带。如筋带布设在动载作用区，经常受动荷载的影响，会不利于筋带与填料间的紧密接触，结果会降低筋带的抗拔稳定性，也会导致裂缝向上延伸，从而缩短工程寿命。
2.避免在碾压过程中出现“假性弹簧”
布设筋带前，填料必须满足压实度要求、平整度要求。否则，凹凸不平的填料表面会使筋带在压路机碾压下出现起伏，导致筋带上层填料出现类似弹簧的现象，我们称之为“假性弹簧”。当然“弹簧”程度取决于该筋带下填料表面的平整程度。
“假性弹簧”的出现，使上层填料碾压困难，难以达到密实度要求；同时，减小了筋带与填料之间的接触面积，缩短了筋带的有效长度。
3.避免出现大块填料
由于煤矸石中含有不少粒径很大的成分，在碾压中容易造成筋带被压断，所以，施工中凡粒径大于15 cm的煤矸石都要剔除。
4.应预防的一种电解破坏(https://www.daowen.com)
煤矸石中的细颗粒呈松散的黏团形式，不均匀地分布在填料中，在黏团与筋带之间的接触处会缺氧，而透水颗粒和筋带接触部分已充分氧化，这就形成源电池。由于电腐蚀使粘土块和筋带接触处变成电池的阳极，不断失去电子而导致孔状腐蚀。这种孔蚀不仅会减少筋带的承载面积，而且由于孔状不规则的腐蚀导致应力集中，还会使筋带脆化。将煤矸石掺二灰后，发生一系列火山灰反应，细小颗粒含量变少，且越来越少，这样就可减少填料中发生黏土结块现象而引起电解腐蚀的可能性。
（三）工程实例
1.煤矸石加筋挡墙
庞庄立交桥为省道苏239线上跨庞庄煤矿专用铁路的一座公铁立交桥，由于桥头南侧80 m处进入地下采煤区范围，为了适应地基易变形的特点，决定在桥南引道接线采用柔性加筋挡墙。挡墙最高为6.75 m，长165 m。
面板：厚15 cm，钢筋混凝土十字板，四边设置企口缝，横向用Φ12钢筋联结。筋带：重庆北碚永固工程拉筋带厂生产的CAT30020 B型拉筋带，横断面尺寸为2 mm×30 mm，抗拉强度σL=100 MPa，伸长率＜2%，f=0.4。填料主体：煤矸石，掺入一定量的石灰、粉煤灰。其比例是石灰 ∶ 粉煤灰 ∶ 煤矸石=5∶15∶80。将混合料做成Φ50 mm×50 mm的圆柱体试件。养生后做抗压强度试验，最大干密度2.10 g/cm3，最佳含水量9.1%，7天饱水抗压强度2.23 MPa。从庞庄立交桥引道来看，以煤矸石掺二灰作填料的加筋挡墙比同高度、同长度的石砌挡墙节省投资35万元，且使用效果较好。可见，在采煤地区充分利用煤矸石掺二灰作加筋挡墙的主体填料或在一般道路的基层中使用煤矿石，既节省土地、降低工程造价，又减少环境污染，经济效益和社会综合效益比较明显。
2.煤矸石底基层
许昌市长葛—禹州无梁公路，全长22.3 km，二级公路，沥青路面，承担禹州市北部山区矿产资源的主要出口任务。1993年混合交通量已达4625辆/日，且以年20%的增长率递增，主要是大吨位装运石料、煤炭车辆。底基层利用了禹州矿的丰富煤矸石进行铺筑。1996年被评为省公路局优良工程。至1997年交通量增长达8000辆/日，路面仍完好无损。
煤矸石作路面底基层的施工工序：准备下承层→均匀摊铺煤矸石→稳压及嵌缝→洒水闷料→终压→养护。
煤矸石的虚铺系数在1.2～1.3之间，对特别大、超过结构层厚度的石块，应进行粉碎或剔除。用12～15 t压路机稳压2～3遍。煤矸石颗粒为自然级配，其不均匀性会使稳压后的表面产生空隙，需要嵌缝。应用较小的煤矸石粒料填充至空隙处，进行二次整形。稳压后洒水闷料半个小时左右，以增强界面黏合，减小摩阻力。对闷料后的煤矸石层再用18～21 t钢轮压路机碾压2～3遍，达到密实度后即可开放交通，并洒适量的水养护3～7天。
煤矸石作底基层，若不掺任何无机胶体材料，遇水后表层易软化。故应掺一定量的稳定材料以保证结构层的稳定性。
【注释】
[1]李昱.浅谈土工合成材料在土木工程中的应用[J].江西建材，2021（10）：27-28.
[2]张业兴.聚合物混凝土强度形成规律及开放交通时机预测模型研究[D].北京：北京建筑大学，2021.
[3]李琴，杨岳斌，刘君，等.我国粉煤灰利用现状及展望[J].能源研究与管理，2022（1）：29-34.
[4]李刘旺.工业废料应用于公路工程基层底基层中的试验研究[D].西安：长安大学，2020.