一种煤矸石基道路三合土混合料配比优化方法与流程

本发明涉及固体废弃物资源化利用与道路工程材料，尤其是涉及一种煤矸石基道路三合土混合料配比优化方法，尤其适用于以煤矸石、粉煤灰、炉渣等工业固体废弃物为主要原料，采用石灰和粉煤灰作为胶凝组分的道路基层或垫层三合土混合料的配合比设计与优化。

背景技术：

1、三合土是我国传统及现代道路工程中广泛使用的一种无机结合料稳定材料，传统意义上的三合土由石灰、黏土和砂按一定比例拌和而成，具有可就地取材、造价低廉、施工简便等优点，常被用作低等级道路的基层、底基层或垫层材料。随着天然砂石资源日益紧缺以及国家"双碳"战略和固废资源化政策的深入推进，利用工业固体废弃物替代天然砂石与黏土制备道路三合土已成为道路工程材料领域的重要发展方向。

2、煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中产生的固体废弃物，约占煤炭产量的10%~15%，我国煤矸石累计堆存量已超过60亿吨，且仍以每年数亿吨的速度增长，大量堆存的煤矸石不仅侵占土地资源，还带来自燃、滑坡和环境污染等严重问题。粉煤灰是燃煤电厂排放的粉状固体废弃物，炉渣则是燃煤锅炉排出的粒状废渣，二者同样存在消纳压力。研究表明，煤矸石的主要化学成分为sio2和al2o3，经热活化或机械活化处理后具有火山灰活性，能够在碱性激发条件下与氢氧化钙发生二次水化反应，生成水化硅酸钙（c-s-h）和水化铝酸钙（c-a-h）等胶凝物质。因此，将活化煤矸石与石灰、粉煤灰配合使用制备道路三合土混合料，既能为煤矸石等固废的大宗消纳提供出路，又能减少天然砂石开采，具有显著的经济效益和环境效益。

3、在现有技术中，围绕煤矸石等固废基道路基层材料及其配合比设计已有多种公开方案，概括起来可分为两类。

4、第一类为材料组成型方案，即公开特定的原料配比范围。例如，公开号为cn113265923a的中国专利申请公开了一种固化煤矸石的道路基层材料及制作施工方法，其原料重量配比为2.5%~5.5%的岩土固化剂、8.5%~19.5%的石粉和余量的0~10mm粒径煤矸石，通过干拌、加水湿拌、摊铺碾压养生成道路基层；公开号为cn113698156a的中国专利申请公开了一种道路基层材料及其制备方法，其由改性煤矸石24~58份、水泥10~36份、硅粉5~9份、碎石10~23份和减水剂2~3份组成，以水泥作为主要胶凝材料；公开号为cn119638285a的中国专利申请公开了一种煤矸石基固废胶凝材料及其制备方法和应用。这类方案的共同特点是：配比为经验性固定范围，煤矸石仅作为物理集料或简单的活性掺合料使用，其化学活性未被量化引入配比设计，更不存在随原料活性波动自适应调整配比的手段，配比一旦确定便无法适应煤矸石活性差异。

5、第二类为配比设计方法型方案。例如，公开号为cn103113073a的中国专利申请公开了一种基于胶浆理论的石灰粉煤灰稳定碎石配合比设计方法，该方法依次确定粗集料级配、石灰粉煤灰混合料最佳比例、石灰粉煤灰细集料混合料最佳比例以及石灰粉煤灰细集料混合料与粗集料的最佳比例，其以混合料堆积密度最大和7d无侧限抗压强度最大为确定配比的原则。该方法的对象为天然碎石集料，其配合比设计基于物理意义上的胶浆填充理论和骨架密实理论，将碎石视为化学惰性集料，未考虑集料自身活性对胶凝体系的化学贡献，且以单一强度指标作为优化目标。公开号为cn117285266a的中国专利申请公开了一种含焦化烟气干法脱硫灰的道路路面胶凝材料及其应用方法，其采用正交试验对脱硫灰等掺量进行配比优化，通过极差分析判断各因素对强度影响的显著性，并采用功效系数法对多指标进行综合评价。公开号为cn117602916a的中国专利申请公开了一种基于气化渣制备路基混凝土材料的方法，其以抗压强度为目标值，对矿渣料、脱硫石膏和水泥熟料进行三因素三水平正交试验优化复合剂配比。此外，非专利文献《基于响应面法的复掺磷石膏和石屑水泥稳定碎石混合料性能》公开了采用box-behnken响应面法以石屑替代率、磷石膏和水泥掺量为变量优化水泥稳定碎石混合料配比的方法；公开号为cn112016244b的中国专利以及题为"基于lssvm-nsgaii耐久性混凝土配合比多目标优化的方法"的专利文献公开了采用回归模型结合nsga-ii等智能算法对混凝土配合比进行多目标优化（如抗冻性、抗渗性）的方法。

6、上述第二类现有技术虽然已将正交试验、响应面法、多目标优化等数理工具引入配合比设计，但均存在一个共同的实质性缺陷：这些方法均针对某一批次固定特性的原料进行一次性建模与优化，建模过程中将原料活性视为恒定不变的输入条件。然而，煤矸石不同于天然碎石或商品化粉煤灰，其化学组成与活性受矿区、煤层、采选工艺和自然堆放程度的影响极大，不同批次的煤矸石经相同活化工艺处理后，火山灰活性指数可在60%~90%甚至更宽的范围内波动。对于活性波动的煤矸石，现有方法存在以下问题：其一，一旦煤矸石批次更换，原有响应面模型或正交试验结论即失效，必须重新开展完整的正交试验与建模（通常需要9~16组试件、28天龄期、约30天的设计周期），设计效率极低；其二，现有方法即便将活性指数作为胶凝贡献的折算依据（如混凝土配合比设计中按活性指数折算矿物掺合料用量），其折算系数也是针对单一原料批次的静态常数，无法反映活性变化对响应面模型整体形状的影响，活性偏离设计值时配比预测精度显著下降；其三，现有方法未将原料活性参数与优化问题的约束条件建立动态关联，多目标优化的可行域不随原料活性变化，难以在保证强度的前提下自适应调整胶凝组分用量与固废利用率之间的平衡。

7、综合来看，现有技术存在以下缺陷：其一，现有配合比设计方法普遍将煤矸石视为惰性集料或将活性折算视为静态常数，未建立"煤矸石活性-配比参数-路用性能"之间的动态定量关联模型，无法适应煤矸石活性波动，批次更换后需重新大量试配，设计周期长、成本高；其二，现有正交试验与响应面建模均针对单一固定活性批次，响应面模型不包含活性维度，活性变化时模型失效；其三，多目标优化的约束条件与原料活性参数相互割裂，难以实现胶凝组分用量、强度与固废利用率的自适应协同优化。因此，迫切需要一种能够将煤矸石活性作为模型维度纳入配比设计、实现活性自适应多目标协同优化的煤矸石基道路三合土混合料配比优化方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种煤矸石基道路三合土混合料配比优化方法，该方法以火山灰活性指数作为模型维度建立活性-配比响应面族，使煤矸石活性修正系数兼具胶凝贡献折算与响应面族插值权重的双重功能，并通过随活性动态调整的胶凝组分下限约束实现活性参数与多目标优化的深度耦合，从而在煤矸石活性波动时无需重新试配即可自适应输出最优配比，提高配比设计精度与效率，实现强度、水稳定性、抗冻性与固废利用率的多目标协同优化。

2、本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种煤矸石基道路三合土混合料配比优化方法，包括以下步骤：

4、步骤s1、原料表征与预处理：将煤矸石原样进行破碎、筛分分级，得到煤矸石粗集料和煤矸石细料；对部分煤矸石细料进行活化处理并粉磨，得到活化煤矸石粉；测定所述煤矸石粗集料的级配与压碎值，测定所述活化煤矸石粉的火山灰活性指数，测定粉煤灰的细度与烧失量，测定石灰中有效氧化钙含量；

5、步骤s2、制备多活性水平试样并确定优化变量：通过调整活化处理条件，制备火山灰活性指数互不相同的至少三个活性水平的活化煤矸石粉试样；以石灰掺量、粉煤灰掺量、活化煤矸石粉替代黏土的替代率、混合料含水率为优化变量，确定各优化变量的取值范围，并在取值范围内确定各优化变量的至少三个水平；

6、步骤s3、正交试验设计与试件制备：分别以所述至少三个活性水平的活化煤矸石粉为原料，各自基于所述优化变量及水平设计正交试验表，按正交试验表安排的各组配比分别称取原料，加水拌和均匀后成型三合土试件，对试件进行标准养护；

7、步骤s4、性能测试：对养护至设定龄期的试件测定无侧限抗压强度、水稳定系数和冻融循环后的强度损失率，并测定各组混合料的最大干密度和最佳含水率；

8、步骤s5、建立活性-配比响应面族：对步骤s4中各个活性水平下的测试结果分别进行极差分析和方差分析，确定各优化变量对各性能指标的显著性次序；分别建立各活性水平下的响应面子模型，所述响应面子模型以石灰掺量、粉煤灰掺量、替代率为自变量，以无侧限抗压强度、水稳定系数和强度损失率为因变量；由各活性水平对应的响应面子模型构成以火山灰活性指数为模型维度的活性-配比响应面族；

9、步骤s6、确定活性修正系数并生成目标响应面：根据待配比煤矸石批次实测的火山灰活性指数a，按k=k0×(a/a0)^n确定煤矸石活性修正系数k，其中k0为基准折算系数，a0为基准火山灰活性指数，n为活性贡献指数；所述煤矸石活性修正系数一方面用于折算活化煤矸石粉的胶凝贡献，另一方面作为所述活性-配比响应面族的插值权重；利用所述插值权重对所述活性-配比响应面族进行插值，生成与待配比煤矸石批次活性对应的目标响应面；

10、步骤s7、多目标优化求解：以无侧限抗压强度、水稳定系数和抗冻性能为目标函数，以固废利用率最大化、各优化变量取值范围以及随所述煤矸石活性修正系数动态调整的胶凝组分下限约束为约束条件，基于所述目标响应面进行多目标优化求解，得到帕累托最优配比集合；

11、步骤s8、综合决策与验证：根据工程性能优先级和成本约束，从所述帕累托最优配比集合中选定推荐配比，按推荐配比制备验证试件并测定其性能，将实测值与所述目标响应面的预测值比较，当相对偏差不超过设定阈值时，将所述推荐配比确定为最终配合比。

12、进一步地，步骤s1中，所述活化处理为热活化和/或机械活化；所述热活化是将煤矸石细料在600~950℃下煅烧1~3h后自然冷却；所述机械活化是将煤矸石细料粉磨至比表面积不小于400m²/kg；所述活化煤矸石粉的火山灰活性指数按gb/t 1596规定的方法测定，以掺入活化煤矸石粉的胶砂试件与基准胶砂试件28d抗压强度的比值计。

13、进一步地，步骤s2中，所述石灰掺量为三合土混合料总干质量的4%~8%，所述粉煤灰掺量为三合土混合料总干质量的10%~20%，所述活化煤矸石粉替代黏土的替代率为30%~50%，所述混合料含水率为6%~12%；其中，活化煤矸石粉与煤矸石粗集料合计占三合土混合料总干质量的60%~80%；所述至少三个活性水平的活化煤矸石粉试样通过调整煅烧温度和/或煅烧时间、粉磨细度制备，各活性水平的火山灰活性指数相差不小于8个百分点，且各活性水平的火山灰活性指数覆盖60%~90%的范围。

14、进一步地，步骤s3中，所述正交试验表选用l9(34)正交表或l16(45)正交表；试件采用静压成型或振动成型，试件尺寸为φ50mm×50mm或φ150mm×150mm；标准养护条件为温度20℃±2℃、相对湿度不小于95%，分别养护至7d和28d龄期。

15、进一步地，步骤s4中，所述无侧限抗压强度按jtg e51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》规定的方法测定；所述水稳定系数为浸水养生试件无侧限抗压强度与标准养生试件无侧限抗压强度的比值；所述冻融循环为冻融5~25次，冻融条件为在-18℃±2℃下冻结4h、在20℃±2℃水中融化4h，所述强度损失率为冻融循环后试件无侧限抗压强度相对于未冻融试件的强度损失百分比。

16、进一步地，步骤s6中，所述基准折算系数k0取值为0.3~0.5，所述基准火山灰活性指数a0取值为60%~70%，所述活性贡献指数n取值为0.8~1.5；所述插值权重的确定方法为：当待配比煤矸石批次的火山灰活性指数a位于所述活性-配比响应面族的活性覆盖区间内时，选取与a相邻的两个活性水平对应的响应面子模型，按a与两活性水平活性值的距离线性插值确定插值权重；当a位于所述活性覆盖区间外时，选取最邻近的响应面子模型并外推确定插值权重；修正后的有效胶凝组分用量m′按m′=m石灰+k×m煤矸石粉+f×m粉煤灰计算，其中，m石灰、m粉煤灰、m煤矸石粉分别为石灰、粉煤灰、活化煤矸石粉的质量，f为粉煤灰的活性修正系数，取值为0.8~1.0。

17、进一步地，步骤s5中，所述响应面子模型采用响应面法中的box-behnken设计或中心复合设计，或采用多元非线性回归方法建立；所述响应面子模型为以各优化变量为自变量、以性能指标为响应值的二次多项式回归模型，各响应面子模型的决定系数r²均不小于0.90；所述活性-配比响应面族中，各响应面子模型的一次项系数与常数项随火山灰活性指数的增大而单调增大。

18、进一步地，步骤s7中，所述多目标优化求解采用带精英策略的非支配排序遗传算法nsga-ii或加权理想点法；采用nsga-ii时，种群规模为50~200，迭代代数为100~500，交叉概率为0.7~0.9，变异概率为0.01~0.1；所述胶凝组分下限约束随煤矸石活性修正系数动态调整，按下式确定：m′min=m0×(a0/a)^m，其中，m′min为随活性动态调整的有效胶凝组分用量下限，m0为基准有效胶凝组分用量，m为联动约束指数，取值为0.5~1.5；求解得到的帕累托最优配比集合中包含不少于10个非支配解。

19、进一步地，步骤s8中，所述相对偏差的设定阈值为5%；当实测值与预测值的相对偏差大于5%时，对所述目标响应面进行修正并重新进行多目标优化求解；所述最终配合比还包括由击实试验确定的最佳含水率、最大干密度，以及施工碾压参数，所述施工碾压参数为静压3遍、振压4遍、净碾2遍。

20、进一步地，步骤s1中还包括将炉渣破碎筛分至粒径不大于5mm的炉渣细集料；步骤s2中将炉渣掺量作为附加优化变量，炉渣掺量为三合土混合料总干质量的5%~15%，所述炉渣替代部分煤矸石细料和/或部分粉煤灰；步骤s3~s8中对含炉渣的配比方案同步进行正交试验、响应面族建模与多目标优化，确定含炉渣方案的最终配合比，并将所述最终配合比用于道路基层或垫层的施工，施工过程包括：对未燃煤矸石进行选择性破碎分选或稳定化预处理，拌和时控制含水率处于最佳含水率的±1%范围内，摊铺后按静压3遍、振压4遍、净碾2遍的碾压参数碾压，养生7~14天。

21、综上所述，与现有技术相比，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

22、第一，本发明首次以火山灰活性指数作为模型维度构建活性-配比响应面族，将煤矸石活性从"静态折算常数"提升为"模型维度"，使响应面模型族能够刻画活性变化对配比-性能响应关系整体形状的影响。经试验验证，响应面族中各组响应面子模型的常数项与一次项系数随活性指数单调增大（实施例1表3），说明活性不仅改变强度绝对值，还改变各因素对强度的敏感度，这是现有技术中任何单一静态模型或静态折算系数都无法体现的。由于活性参数贯穿建模、折算、插值、约束与优化全过程，本发明形成了"活性测量→响应面族插值→自适应配比输出"的整体技术构思，而非各手段的简单叠加。

23、第二，本发明的煤矸石活性修正系数具有胶凝贡献折算与响应面族插值权重的双重功能。对比例试验表明（实施例7），当仅利用修正系数的胶凝折算功能、而不利用其插值权重功能时（即仅静态修正胶凝用量、仍采用单一活性水平的响应面模型），活性波动批次配比预测的相对偏差达6.0%，超过5%的验证阈值；而当双重功能同时作用时，预测偏差降至1.5%。这一对比结果直接证明，胶凝折算与响应面族插值两个功能在活性自适应配比中相互支持、缺一不可，二者协同产生了单独实施任一功能均无法达到的技术效果。

24、第三，本发明通过随活性动态调整的胶凝组分下限约束（m′min=m0×(a0/a)^m），将煤矸石活性参数直接嵌入多目标优化问题的可行域，实现"活性-胶凝-强度-固废利用率"的深度耦合：活性低的煤矸石自动提高胶凝组分下限以保证强度，活性高的煤矸石自动放宽胶凝组分下限以提高固废利用率，使优化求解结果随原料活性自适应变化，克服了现有技术中优化约束与原料活性相互割裂的缺陷。

25、第四，本发明实现了"一次建模、多次复用"的配比设计模式。在完成活性-配比响应面族构建后，面对新批次的煤矸石，仅需测定其火山灰活性指数（约1天），即可通过插值生成目标响应面并求解最优配比，整个设计周期由传统重新试配的约30天缩短至3天以内，设计效率提高90%以上；且响应面族插值预测与实测值的相对偏差不超过5%，而采用单一固定活性响应面直接外推时偏差可达9.7%以上，配比精度显著提高。

26、第五，本发明以活化煤矸石、粉煤灰和炉渣等工业固废为主要原料，在不掺黏土的极限配比方案中，煤矸石与粉煤灰等固废组分合计可占混合料总干质量的95%；在兼顾黏土替代率约束（30%~50%）的优化配比中，固废组分占比亦可达79%以上。每利用1吨煤矸石即可减少约1吨天然砂石的开采，显著降低了道路建设对天然资源的依赖和固废堆存造成的环境负荷，符合国家大宗固废资源化利用和"双碳"战略要求，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。

27、第六，本发明方法简单易行、通用性强，不仅适用于煤矸石基三合土混合料，还可扩展应用于炉渣、粉煤灰等多种活性固废协同配比优化场景；方法输出的最终配合比包含最佳含水率、最大干密度和施工碾压参数，可直接用于指导道路基层或垫层的现场施工，工程实用性突出。