張鳳泉 李文強 關(guān) 旭 許曉東

(1:延邊公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，延吉 137001;2:安圖縣交通局，安圖 133600;3:吉林省高等級公路建設(shè)局，長春 130021;4:吉林建筑工程學院交通科學與工程學院，長春 130118)

0 引言

油頁巖是一種天然的、不能滲透的、紋理細密的黑色或棕色片狀可燃化石燃料，灰含量大于33%，所含的有機物需要通過干餾產(chǎn)生油［1］.中國是一個油頁巖資源豐富的國家，儲量僅次于美國、巴西和愛沙尼亞，居世界第4位，現(xiàn)已探明的油頁巖儲量為329.89億t，分布于15個省份(區(qū))，主要集中在東北和中南地區(qū)，其中，吉林省油頁巖儲量為174.27 t，廣東省油頁巖儲量為55.15億t，遼寧省油頁巖儲量為45.05億t，分別占全國油頁巖查明資源量的52.83%，16.72%和13.65%.但油頁巖在干餾后，所得的殘渣占80% ～90%左右，灰分含量大于40%，而油頁巖完全燃燒后，質(zhì)量一般減輕30% ～40%，燃燒部分為含油物質(zhì)，余下部分主要為礦渣.目前雖然國內(nèi)的油頁巖灰渣存量尚無準確數(shù)據(jù)，但根據(jù)頁巖油的產(chǎn)量可知其灰渣的產(chǎn)量巨大，僅延邊州汪清羅子溝頁巖干餾生產(chǎn)線每年就可產(chǎn)生105.20 t灰渣.在油頁巖開發(fā)的早期階段，由于缺乏環(huán)境保護意識與可持續(xù)發(fā)展觀念，對油頁巖灰渣的處理方式都是將其直接丟棄堆置在附近，嚴重污染了周圍的水源、土地及植物，危害居民健康.因此，尋求油頁巖灰渣的綜合利用途徑越來越得到人們的重視.

1 油頁巖灰渣的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

早在20世紀40年代，國際上對油頁巖廢渣的再利用就已開始，對油頁巖工業(yè)生產(chǎn)加工過程中所帶來的環(huán)境問題的關(guān)注則始于20世紀60年代;到80年代，有關(guān)這方面的研究工作更深入、更系統(tǒng)，而且，每隔幾年就會舉行一次關(guān)于油頁巖問題的國際會議，幾乎每次會議都有關(guān)于利用油頁巖廢棄物的報道.其中，以培肥樹草與蔬菜的報道較多.在愛沙尼亞，早在1944年就開始用頁巖灰作為肥料.當時，頁巖灰渣磨細后作鉀肥使用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能顯著提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，還能增加土壤中的Ca，B，Cu，Zn，Mo等元素的含量，從而提高土壤肥力.到80年代末，愛沙尼亞把使用頁巖肥列入農(nóng)業(yè)發(fā)展綱要，并計劃對油頁巖露天采礦區(qū)進行生態(tài)恢復(fù)，全面評價礦區(qū)在恢復(fù)過程生物產(chǎn)品的經(jīng)濟、環(huán)境與社會效益.

德國油頁巖用于流化燃燒，其熱值很低，僅為3 400 kJ/kg，有機質(zhì)含量僅為9%，鋁甄油收率4% ～4.5%，灰含量高達71%.德國道頓毫遜(Dttern－h(huán)ausen)的魯拔赫(Rohrbach)水泥廠的顆粒頁巖沸騰燃燒流程:油頁巖露天開采，破碎篩分至0～10 mm入爐，沸騰燃燒產(chǎn)生水蒸氣，去蒸汽透平發(fā)電，產(chǎn)生7 500 kW電力，煙氣則經(jīng)電氣除塵器排放，頁巖灰分別從爐底、沉降室底部，以及電氣除塵器底排出，作水泥原料.年采油頁巖36×104t，沸騰燃燒用27×104t，另有9×104t則直接去水泥窯作為制取水泥熟料的原料，頁巖灰和熟料混合成波特蘭水泥.德國魯爾巴赫水泥廠于2005年并入瑞士大型水泥生產(chǎn)商—霍爾瑟姆(Holcim)集團，仍利用油頁巖燃燒提供該廠電力及頁巖灰來制水泥［2］.

根據(jù)目前國內(nèi)外對油頁巖灰渣綜合利用研究成果主要是生產(chǎn)燒結(jié)磚［3］，另外，水泥工業(yè)使用頁巖灰，不但可以降低水泥生產(chǎn)成本，而且可以提高其硬度，若作為瀝青混凝土的摻合劑，能提高混凝土的耐久性.當前關(guān)于油頁巖渣在水泥中利用方面的研究較少，20世紀90年代初，華南理工大學蘇達根教授曾用廣東茂名含稀土的干餾油頁巖廢渣替代粘土作為水泥原材料進行試驗，結(jié)果證明，這種水泥生料易燒性得到改善，凝結(jié)時間基本不變，水泥熟料強度和質(zhì)量明顯得到提高.但此研究僅針對干餾后的油頁巖渣進行試驗，而且也沒有擴大投產(chǎn)［4］.可見，目前尚沒有很好的方法來大量處理油頁巖礦渣和灰渣.因此，將其用于礦區(qū)周邊道路的修建，進行廢物利用必將改善自然環(huán)境并節(jié)約大量的建設(shè)資金.

2 油頁巖灰渣聯(lián)鎖塊的研制與應(yīng)用

2.1 油頁巖灰渣聯(lián)鎖塊的材料配合比

油頁巖灰渣具有一定的活性，用其制成的砌塊在建筑領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，交通領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景，可將其用作修筑低等級聯(lián)鎖塊道路的材料或主要摻料.此項研究是一種道路結(jié)構(gòu)層材料，是指一種利用摻有油頁巖灰渣的混凝土聯(lián)鎖塊路面磚來砌筑道路面層.因此，研究組將取得的油頁巖灰渣與天然砂礫按照一定比例混合進行試驗，制作油頁巖灰渣混凝土來研究不同原材料、不同配合比的油頁巖灰渣混凝土的抗壓強度和抗折強度，以及抗凍等方面的性能指標，進而確定最佳配合比和正確的生產(chǎn)方法，為油頁巖灰渣混凝土聯(lián)鎖塊路面的生產(chǎn)和施工工藝提供依據(jù).

研究油頁巖灰渣性能從其物理及化學性質(zhì)著手，包括其礦物成分、粒徑級配及密度特性.在此基礎(chǔ)上，將其與天然沙礫組合，制作符合規(guī)定的油頁巖灰渣混凝土，經(jīng)過標準養(yǎng)護后自養(yǎng)護箱取出進行試驗，定期測定其各方面性能指標參數(shù)，并進行統(tǒng)計、比較、分析，研究不同原材料、不同配合比頁巖灰渣混凝土的強度等變化規(guī)律，選擇最佳配合比，從而創(chuàng)造更好的經(jīng)濟和環(huán)境效益.

課題組通過大量的試驗研究，得到了不同材料配合比下的混凝土強度:

(1)油頁巖灰渣︰水泥︰水(重量比)=1︰0.23︰0.22，抗壓強度為16.21 MPa;

(2)油頁巖灰渣︰水泥︰水(重量比)=1︰0.33︰0.20，抗壓強度為18.22 MPa;

(3)油頁巖灰渣︰水泥︰水(重量比)=1︰0.31︰0.15，抗壓強度為19.31 MPa;

(4)油頁巖渣(d4.75～9.5)︰天然砂礫(d2.36～4.75)︰水泥︰水(重量比)=1 ︰ 0.49 ︰ 0.11 ︰ 0.2，抗壓強度為23 MPa;

(5)油頁巖渣(d4.75～9.5)︰天然砂礫(d2.36～4.75)︰水泥︰水(重量比)=1 ︰ 2.03 ︰ 0.63 ︰ 0.3，抗壓強度為28 MPa.

2.2 油頁巖灰渣聯(lián)鎖塊的尺寸及強度對行車性能的影響

聯(lián)鎖塊路面由于平整度差，不適于高速行車，可應(yīng)用于農(nóng)村低等級道路.課題組的試驗研究及國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果表明，油頁巖灰渣混凝土塊的強度均可達到農(nóng)村低速車輛的使用要求.國內(nèi)已有的《聯(lián)鎖型路面磚路面施工及驗收規(guī)程(CJJ79－98)》［5］對聯(lián)鎖塊路面磚的強度、最小厚度、塊行及鋪筑形式等進行了規(guī)定，但規(guī)程中對鎖塊路面磚的抗壓強度要求較高.如主干路、次干路路面磚抗壓強度需達到50 MPa以上，平均值需達到60 MPa.支路、街道、居住區(qū)道路的抗壓強度要求逐漸降低，最低需達到25 MPa以上.與其強度相對應(yīng)的塊體最小厚度要求為60 mm～100 mm，主干路、次干路和支路為雙向聯(lián)鎖鋪筑.另外，《港口道路、堆場鋪面設(shè)計與施工規(guī)范(JTJ296－96)》［6］5.3.3條規(guī)定聯(lián)鎖塊混凝土抗壓強度不宜低于50 MPa.Shackel等人研究［7］認為，混凝土塊體的強度在25 MPa～55 MPa范圍內(nèi)時，其道路鋪面對結(jié)構(gòu)的性能沒有影響.而對塊體的厚度則有兩種觀點，一種認為聯(lián)鎖塊的尺寸對荷載的擴散沒有影響;另一種觀點則認為塊體的厚度增加會改善路面結(jié)構(gòu)的受力性能.當鎖塊的尺寸大于60 mm時，基層中的應(yīng)力趨于減小，即塊層的崁鎖作用趨于增強.圖1為課題組設(shè)計的幾種油頁巖灰渣聯(lián)鎖塊形狀，其中，S－型、U－型和R－型為帶有齒邊的矩形塊材，而邊緣尺寸表現(xiàn)為不規(guī)則形狀;D－型和H－型為3個六邊形的組合，制作時整體澆筑成型.鋪筑時，使各聯(lián)鎖塊齒邊相互咬合，可以按照一個方向鋪設(shè)，也可以縱橫交錯鋪設(shè).

圖1 油頁巖灰渣混凝土聯(lián)鎖塊的形狀

3 油頁巖灰渣應(yīng)用于瀝青混凝土路面可行性分析

由于油頁巖灰渣中含有多種礦物成份，如SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO等具有一定的活性，遇水后可發(fā)生緩慢的水化反應(yīng)生成穩(wěn)定的物質(zhì).若將油頁巖灰渣粉碎后用來拌制瀝青混凝土，可能會在不降低其強度的情況下提高延性性能.同時較細的油頁巖灰渣顆粒還可能改善瀝青混合料的級配，增強瀝青路面的耐水性能.在我國北方寒冷地區(qū)，冬季氣溫最低可達零下40℃，常常會使路面發(fā)生龜裂和凍脹現(xiàn)象，在春季則表現(xiàn)為開裂和翻漿，嚴重增加了道路的維護成本.因此，提高瀝青混凝土的延性性能，尤其是低溫下的性能，是提高抗裂性能的關(guān)鍵.增強瀝青路面的耐水性，可防止和減輕凍融的損害.南方由于冰凍期短或沒有冰凍期，有的公路采用瀝青混凝土透水路面，雨季時可快速排干路面積水.在北方則不同，不僅雨季短，同時冬季寒冷，會使沁入路面內(nèi)的水分反復(fù)凍融，使路面過早破壞.因此，為抵御道路的冰凍災(zāi)害，宜將路面設(shè)計為耐水路面或不透水路面.油頁巖灰渣中較細的活性顆粒，可能會使瀝青路面的耐水性能得到有效提高.

世界上只有美國和德國的頁巖油煉油效率能夠達到100%，其他國家不是技術(shù)不夠先進，就是無條件配套先進設(shè)備.在國內(nèi)，煉油后的油頁巖灰渣，一般都含有10% ～20%的頁巖油尚未提煉出來.未提煉出來的頁巖油，在拌制瀝青混合料的過程中是否會改善瀝青的性能，目前還不清楚.由于北方地區(qū)的瀝青混凝土道路鋪筑時，多數(shù)情況下都采用熱拌瀝青混合料，熱拌過程中的高溫有可能會提高油頁巖灰渣與瀝青的結(jié)合性能，因為油頁巖灰渣中的頁巖油與瀝青為屬性相近的有機物.內(nèi)部含油的油頁巖灰渣也有可能進一步增強瀝青路面的延性和耐水性能，但其真實性尚需試驗證明.

4 結(jié)語

本文對油頁巖灰渣的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進行了介紹，提出將油頁巖灰渣用于聯(lián)鎖塊路面和瀝青路面中，并進行了可行性分析，結(jié)論如下:

(1)將油頁巖灰渣用于聯(lián)鎖塊混凝土材料摻料，變廢為寶，具有很好的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景.而通過實驗結(jié)果表明，摻入一定量的油頁巖灰渣來加工混凝土聯(lián)鎖塊修筑鎖塊路面是可行的，滿足其強度和穩(wěn)定性的要求，所鋪筑的道路性能指標能達到使用要求;

(2)油頁巖儲量巨大，油頁巖灰渣來源廣泛，采用油頁巖灰渣的混凝土聯(lián)鎖塊作為聯(lián)鎖塊道路面層砌筑材料，可大大降低其綜合造價，突破了油頁巖灰渣等廢棄物發(fā)展的瓶頸，與水泥混凝土道路和瀝青混凝土道路相比，具有造價低、維護簡便及節(jié)能、節(jié)地和環(huán)保等優(yōu)點，是可持續(xù)發(fā)展的綠色道路材料;

(3)通過材料的成分分析，用油頁巖灰渣作為瀝青混凝土的添料來鋪筑路面，可能會改善瀝青路面的抗裂性能和耐水性能，尚需試驗驗證.

［1］劉招君，柳 蓉.中國油頁巖特征及其開發(fā)利用前景分析［J］.地學前緣，2005，12(3):315－3231.

［2］秦 宏，姜秀民，孫 鍵.中國油頁巖的能源利用［J］.節(jié)能，1997，12:17－19.

［3］陳潔渝，嚴春杰，李子沖.油頁巖渣的綜合利用［J］.礦產(chǎn)保護與利用，2006，6(12):41－45.

［4］高 健.頁巖干餾后固體廢物的利用途徑［J］.遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技，2002，22(6):19－21.

［5］中華人民共和國行業(yè)標準.聯(lián)鎖型路面磚路面施工及驗收規(guī)程(CJJ79－98)［S］.北京:人民交通出版社，1998:1－3.

［6］中華人民共和國行業(yè)標準.港口道路、堆場鋪面設(shè)計與施工規(guī)范(JTJ296－96)［S］.北京:人民交通出版社，1997:27－28.

［7］Shackel B.Design and Construction of Interlocking concrete Block Pavements［J］.Elsevier Applied Science.London and New York，1992:2 －80.