高 鵬 李慶宏 田建平 周明凱 陳 瀟

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070) (山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司2) 晉城 048000)(華新水泥股份有限公司研發(fā)中心3) 武漢 430070)

0 引 言

煤炭氣化產(chǎn)物可用于煤基化學(xué)品合成、液體燃料合成、發(fā)電、制氫[1]，氣化過程中殘?zhí)俊⒒曳?、添加劑形成固態(tài)殘?jiān)?jīng)冷卻后形成煤氣化爐渣.按照固體與氣體接觸狀態(tài)的不同，可分為固定床氣化爐、流化床煤氣化爐和氣流床煤氣化爐[2].

固定床煤氣化爐渣(以下簡稱煤氣化爐渣)是一種灰黑色輕質(zhì)多孔粒狀材料，有研究表明：煤氣化爐渣可用于制備輕質(zhì)隔墻板、免燒磚、吸附凈水材料、煙氣脫硝催化劑載體等[3-6]，但利用率低，絕大部分煤氣化爐渣仍采用填埋堆存的方式進(jìn)行處置，處置成本高，占用土地，且對環(huán)境有潛在危害性.與此同時，路面工程建設(shè)需要大量天然砂石集料，而如今砂石緊缺、價(jià)格飆升，在一定程度上制約了公路建設(shè)的發(fā)展，若能用煤氣化爐渣代替砂石集料制備路面基層材料，大體量資源化利用煤氣化爐渣，可大大節(jié)約公路建設(shè)成本.

文獻(xiàn)[7-8]研究表明，煤矸石、煤渣、高爐礦渣、鋼渣及其他冶金礦渣等工業(yè)固廢可用于修筑路面基層或底基層，但并未提出上述工業(yè)固廢類基層材料的配合比設(shè)計(jì)方法、施工技術(shù)與質(zhì)量控制方法.另外，與常規(guī)天然碎石相比，煤氣化爐渣的壓碎值偏高、吸水率偏大，若用于路面基層中可能出現(xiàn)強(qiáng)度降低、抗凍性惡化的問題，為此，文中在分析煤氣化爐渣基本特性的基礎(chǔ)上，探討了水泥劑量、集料集配、粉煤灰摻量等因素對水泥穩(wěn)定類煤氣化爐渣路面基層材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，通過研究煤氣化爐渣路面基層材料長期力學(xué)性能、抗凍性以及工程應(yīng)用，論證了煤氣化爐渣路面基層材料在公路工程中應(yīng)用的技術(shù)可行性.

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

1) 水泥采用山西“P·S·B·32.5礦渣硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見表1.

表1 水泥物理力學(xué)性能

2) 粉煤灰取自山西某熱電廠，其化學(xué)成分及理化性能見表2～3.

表2 粉煤灰化學(xué)成分

表3 粉煤灰理化性能 %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用文獻(xiàn)[9]的方法對集料的壓碎值、吸水率等指標(biāo)進(jìn)行檢測，根據(jù)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，求出最大干密度與最佳含水率，以97%的壓實(shí)度成型直徑×厚度為150 mm×150 mm試件，并進(jìn)行不同齡期(7，28，90，180 d)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度測定，以及凍融試驗(yàn).Rid為齡期為i天時95%保證率下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值.

2 煤氣化爐渣特性

煤氣化爐渣取自山西長治某煤化工企業(yè)，化學(xué)成分及XRD分析圖譜見表4和圖1.

表4 煤氣化爐渣的化學(xué)組成

圖1 煤氣化爐渣XRD圖譜

由圖1可知，煤氣化爐渣主要由煤炭中碳酸鹽、硫酸鹽、氧化物等在1 200 ℃左右形成的莫來石和鈣長石、無定型的玻璃體，以及未參與反應(yīng)的殘?zhí)康刃再|(zhì)穩(wěn)定的礦相組成.堆場煤氣化爐渣經(jīng)過數(shù)十年的風(fēng)化和雨水沖刷，仍保持初排渣時具有的粒徑，表明煤氣化爐渣和煤矸石等具有天然巖石風(fēng)化特征的固廢不同，基本不會出現(xiàn)崩解等問題.

煤氣化爐渣采用篩分-破碎-篩分的制備工藝，形成5～10，5～15，15～25 mm三個粒級的集料，并測定了煤氣化爐渣粗集料的壓碎值、針片狀含量及細(xì)集料顆粒級配，并與文獻(xiàn)[9]對基層材料粗細(xì)集料的要求進(jìn)行對比；同時對比了煤氣化爐渣集料和傳統(tǒng)天然集料的物理性能，見表5～6.

表5 煤氣化爐渣集料特性與標(biāo)準(zhǔn)對比 %

表6 煤氣化爐渣集料與砂石集料物理性質(zhì)對比

對比結(jié)果表明：煤氣化爐渣壓碎值較高，約為40%，達(dá)到路面基層集料壓碎值的上限；煤氣化爐渣粗集料、細(xì)集料松方密度較天然粗、細(xì)集料分別低35%、28%；煤氣化爐渣粗、細(xì)集料飽和面干吸水率分別為9.5%和11.0%，為天然集料的2～3倍，這是因?yàn)槊禾繗饣^程中氣體逸出形成很多孔道，而多孔材料普遍具有體積密度低、吸水率大、硬度低等特點(diǎn).

3 煤氣化爐渣路面基層材料性能影響因素研究

因煤氣化爐渣密度低，在水泥穩(wěn)定碎石體系中常用的控制水泥劑量不變進(jìn)行其他變量的探討在水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣中不適用，比如，水泥穩(wěn)定碎石6%水泥劑量與水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣9%水泥劑量對應(yīng)的每壓實(shí)方水泥用量相同.水泥穩(wěn)定碎石水泥劑量4%時水泥用量約為96 kg/m3，因此在本小節(jié)中，除水泥劑量因素探討外，其他配合比方案均控制單位體積水泥用量一致，具體為96 kg/m3.

3.1 煤氣化爐渣摻量

用煤氣化爐渣分別替代0，30%，70%，100%的天然砂石集料，研究煤氣化爐渣摻量對傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石擊實(shí)結(jié)果與抗壓強(qiáng)度的影響，見圖2.其中，摻量30%時煤氣化爐渣只代替細(xì)集料，70%時煤氣化爐渣代替細(xì)集料與5～15 mm碎石，100%時煤氣化爐渣全部代替砂石集料，且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)均為懸浮密實(shí)型.

圖2 煤氣化爐渣不同摻量擊實(shí)曲線與抗壓強(qiáng)度對比

由圖2可知：

1) 隨著煤氣化爐渣摻量的增加，混合料最大干密度逐漸降低，最佳含水率逐漸增大.摻量為100%時最大干密度為1.58 g/cm3，較不摻爐渣降低約30%；最佳含水量14%，較不摻爐渣提高了將近3倍.這與之前煤氣化爐渣粗集料密度較碎石低35%，飽和面干吸水率為11.0%的結(jié)論相對應(yīng).

2) 煤氣化爐渣的摻入會導(dǎo)致混合料抗壓強(qiáng)度降低，爐渣摻量100%時強(qiáng)度較不摻爐渣降低21%，但仍可達(dá)到3.3 MPa.煤氣化爐渣集料硬度較低，表面曲折，集料間孔隙率較大，所以相同水泥用量下強(qiáng)度較低.但是，若能提高煤氣化爐渣集料間的填充率，防止煤氣化爐渣集料在受壓時大量破碎，其強(qiáng)度也應(yīng)隨之提高，這也是研究煤氣化爐渣級配、粉煤灰摻量、水泥劑量對集料受壓破碎程度及混合料抗壓強(qiáng)度影響的主要動因.

3.2 煤氣化爐渣級配

固定煤氣化爐渣摻量100%，調(diào)整煤氣化爐渣粗細(xì)集料的比例，形成級配1、級配2、級配3三種逐漸細(xì)化的水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣級配，并在級配2中摻入了10%的粉煤灰形成級配4，研究集料級配、粉煤灰摻入對集料破碎程度及混合料密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度的影響，見圖3～4和表7.其中，集料破碎程度通過靜壓成型前后混合料級配變化程度表征.

圖3 不同煤氣化爐渣集料級配

圖4 不同結(jié)構(gòu)類型水泥(粉煤灰)穩(wěn)定煤氣化爐渣受壓后級配變化

表7 不同級配水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣性能比較

由圖4a)～c)級配變化情況可知，隨著粗細(xì)集料比不斷降低，即級配逐漸從骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)向懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)過渡，受壓前后混合料級配變化逐漸降低，圖4b)和圖4d)的對比顯示摻入粉煤灰能進(jìn)一步降低混合料受壓級配變化程度；由表7可知，隨著煤氣化爐渣集料級配從骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)逐漸向懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)過渡，混合料干密度增大，抗壓強(qiáng)度增加24%；從級配3和級配4的對比可知，添加10%粉煤灰混合料干密度最大，抗壓強(qiáng)度較不摻粉煤灰提高35%.

總體來說，采用懸浮密實(shí)型級配或者摻入粉煤灰，可提高水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣密實(shí)度，降低集料受壓破碎程度，從而提高混合料強(qiáng)度，當(dāng)然粉煤灰的作用有多個方面，可通過對比不同粉煤灰摻量對水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣性能影響進(jìn)行研究.

3.3 粉煤灰摻量

固定集料級配為級配2，分別采用10%，20%，30%粉煤灰等量取代煤氣化爐渣集料，探討粉煤灰摻量對水泥粉煤灰穩(wěn)定煤氣化爐渣基層的最大干密度與力學(xué)性能的影響規(guī)律，見圖5.

圖5 粉煤灰摻量對水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣最大干密度與抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5a)可知，隨著粉煤灰摻量的增加，混合料最大干密度先增后減，摻量10%時達(dá)到最大值；由圖5b)可知，粉煤灰摻量10%，20%，30%時混合料28d抗壓強(qiáng)度分別提高22%，50%，19%.

煤氣化爐渣表面結(jié)構(gòu)粗糙，整體呈疏松多孔狀，添加粉煤灰后可以起到以下作用：①粉煤灰作為微集料填充集料內(nèi)部細(xì)微孔隙，提高水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣的密實(shí)度；②粉煤灰較大摻量的添加，包裹集料形成緩沖層，從而有效降低受壓時高壓碎值煤氣化爐渣顆粒相互擠壓造成的原位破碎的概率；③粉煤灰具有潛在膠凝活性，在水泥的激發(fā)下形成相比水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣更多的膠凝產(chǎn)物.粉煤灰摻量10%時結(jié)構(gòu)最密實(shí)，粉煤灰摻量20%時混合料抗壓強(qiáng)度最高，這種不一致性進(jìn)一步驗(yàn)證了粉煤灰的物理填充致密、緩沖作用與化學(xué)膠結(jié)作用共同發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)混合料抗壓強(qiáng)度的提高，適宜的摻量區(qū)間應(yīng)為10%～20%.

3.4 水泥劑量

固定集料級配為級配2、級配4，探究不同水泥劑量對水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣和水泥粉煤灰穩(wěn)定煤氣化爐渣抗壓強(qiáng)度的影響，見圖6.

由圖6可知，水泥(粉煤灰)穩(wěn)定煤氣化爐渣的抗壓強(qiáng)度隨著水泥劑量增加基本呈線性增長趨勢，在水泥劑量從5.5%到9%范圍內(nèi)，水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.2～5.4 MPa，水泥粉煤灰穩(wěn)定煤氣化爐渣可達(dá)3.2～6.8 MPa，基本可以滿足文獻(xiàn)[10]中各等級公路基層材料強(qiáng)度的要求.

圖6 水泥劑量對水泥(粉煤灰)穩(wěn)定煤氣化爐渣抗壓強(qiáng)度的影響

3.5 長期力學(xué)性能與耐久性

劈裂強(qiáng)度可表征水泥穩(wěn)定類基層的抗拉特性，凍融循環(huán)試驗(yàn)可模擬北方冰凍消融溫度變化，以評價(jià)煤氣化爐渣路面基層的抗凍性[11-12].在水泥用量相同的情況下，對比了水泥穩(wěn)定碎石，水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣和水泥粉煤灰穩(wěn)定煤氣化爐渣(粉煤灰摻量10%)的不同齡期抗壓強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度及28 d抗凍性，見表8.

表8 不同水泥穩(wěn)定材料長期性能與耐久性

由表8可知：

1) 從抗壓強(qiáng)度發(fā)展來看，水泥(粉煤灰)穩(wěn)定煤氣化爐渣和水泥穩(wěn)定碎石相同，90 d齡期時抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度發(fā)展基本穩(wěn)定.同水泥劑量下，水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣各齡期抗壓強(qiáng)度均小于水泥穩(wěn)定碎石，摻入粉煤灰后各齡期抗壓強(qiáng)度增長超過20%，大于水泥穩(wěn)定碎石；水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣90 d劈裂強(qiáng)度較水泥穩(wěn)定碎石低24%，添加粉煤灰后劈裂強(qiáng)度增長率達(dá)45%，超過水泥穩(wěn)定碎石；表明添加粉煤灰水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均顯著提高.

2) 從抗凍性指標(biāo)來看，水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣抗凍性較水泥穩(wěn)定碎石提高13%，可達(dá)94.1%，添加粉煤灰后，抗凍性可提高至99.1%，即在零下18 ℃的凍結(jié)溫度下凍融5個循環(huán)抗壓強(qiáng)度基本不降低，這是因?yàn)槊簹饣癄t渣顆粒內(nèi)部有大量閉孔及被封閉通孔存在，降低了材料的導(dǎo)熱系數(shù)，所以水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣具有優(yōu)良的保溫抗凍性；而粉煤灰的加入一方面提高基體強(qiáng)度，凍脹約束力增強(qiáng)；另一方面，添加粉煤灰后基層材料結(jié)構(gòu)更為致密，水分所占孔隙體積減小，從而降低了凍脹發(fā)生的概率，所以粉煤灰的添加使得其抗凍性得到進(jìn)一步提高.

4 煤氣化爐渣路面基層材料工程應(yīng)用研究

為研究煤氣化爐渣路面基層材料的施工特性和路用性能，在山西省長治市屯留縣縣城-老爺山-屯絳水庫旅游公路K7+950—K8+050修筑了100 m水泥粉煤灰穩(wěn)定煤氣化爐渣路面基層試驗(yàn)段(粉煤灰摻量10%)，在晉城市太行一號國家風(fēng)景道高平段K5+900—K6+100修筑了200米水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣路面底基層試驗(yàn)段，混合料均采用懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，同時為降低集料碾壓時破碎的概率，振動壓路機(jī)開啟輕振模式進(jìn)行碾壓.對碾壓前后混合料進(jìn)行了級配還原試驗(yàn)，結(jié)果見圖7，最后對試鋪段進(jìn)行了鉆芯取樣檢測，不同齡期芯樣外觀及抗壓強(qiáng)度結(jié)果見圖8.

圖7 煤氣化爐渣路面基層試驗(yàn)段碾壓前后集料級配變化情況

圖8 試驗(yàn)段不同齡期鉆芯取樣外觀及抗壓強(qiáng)度

工程試驗(yàn)表明：

1) 采用懸浮級配，在輕幅振動的碾壓工藝下煤氣化爐渣路面基層材料壓實(shí)度也可達(dá)到98%～100%，表層粗集料有受壓破碎現(xiàn)象發(fā)生，但碾壓后混合料級配還原結(jié)果顯示級配變化率很小，添加粉煤灰灰后級配變化更小，表明通過級配調(diào)整、添加粉煤灰，輔以輕振碾壓的施工方式，可實(shí)現(xiàn)煤氣化爐渣集料防壓碎.

2) 水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣基層7 d芯樣抗壓強(qiáng)度可達(dá)5.0 MPa，水泥粉煤灰穩(wěn)定煤氣化爐渣7 d芯樣可達(dá)6.2 MPa，表明煤氣化爐渣路面基層材料強(qiáng)度可滿足各等級公路基層材料強(qiáng)度要求；

3) 水泥粉煤灰穩(wěn)定煤氣化爐渣路面基層試驗(yàn)段鋪筑時施工氣溫5 ℃，7 d鉆芯取樣強(qiáng)度6.0 MPa，且經(jīng)歷了冬季零下15 ℃的冰凍，春季消融后未見凍融破壞現(xiàn)象，而90 d強(qiáng)度增長至11.9 MPa，證明煤氣化爐渣路面基層材料具有良好的抗凍性.

5 結(jié) 論

1) 煤氣化爐渣主要成分為莫來石、鈣長石、無定型玻璃體及殘?zhí)?，性質(zhì)穩(wěn)定；煤氣化爐渣集料壓碎值高達(dá)40%，吸水率可達(dá)11%，密度較碎石低35%，因此煤氣化爐渣完全代替天然砂石集料制備路面基層時，會大幅提高煤氣化爐渣路面基層混合料最佳含水率，降低混合料最大干密度，同時7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低21%.

2) 采用懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、添加粉煤灰可防止煤氣化爐渣受壓破碎，提高混合料密實(shí)度，從而提高煤氣化爐渣路面基層材料的抗壓強(qiáng)度，粉煤灰摻量宜為10%～20%.通過調(diào)整水泥劑量，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可調(diào)整至2.2～6.8 MPa，滿足各等級公路基層強(qiáng)度要求.

3) 煤氣化爐渣路面基層設(shè)計(jì)齡期宜為90 d，無論是抗壓強(qiáng)度還是劈裂強(qiáng)度，都呈現(xiàn)水泥粉煤灰穩(wěn)定煤氣化爐渣最優(yōu)，水泥穩(wěn)定碎石次之，水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣較差的規(guī)律，水泥及水泥粉煤灰穩(wěn)定煤氣化爐渣的抗凍性均明顯高于水泥穩(wěn)定碎石.

4) 工程實(shí)踐表明：采用懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、添加粉煤灰、并輔以微振碾壓能有效防止煤氣化爐渣集料被壓碎，試驗(yàn)段的壓實(shí)度和強(qiáng)度可滿足高速公路和一級公路基層路面基層要求，且煤氣化爐渣路面基層材料具有優(yōu)良的抗凍性.