油頁(yè)巖灰渣在道路工程中的應(yīng)用研究

張鳳泉 李文強(qiáng) 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(jí)公路建設(shè)局，長(zhǎng)春 130021;4:吉林建筑工程學(xué)院交通科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

0 引言

油頁(yè)巖是一種天然的、不能滲透的、紋理細(xì)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(jī)物需要通過(guò)干餾產(chǎn)生油［1］.中國(guó)是一個(gè)油頁(yè)巖資源豐富的國(guó)家，儲(chǔ)量?jī)H次于美國(guó)、巴西和愛(ài)沙尼亞，居世界第4位，現(xiàn)已探明的油頁(yè)巖儲(chǔ)量為329.89億t，分布于15個(gè)省份(區(qū))，主要集中在東北和中南地區(qū)，其中，吉林省油頁(yè)巖儲(chǔ)量為174.27 t，廣東省油頁(yè)巖儲(chǔ)量為55.15億t，遼寧省油頁(yè)巖儲(chǔ)量為45.05億t，分別占全國(guó)油頁(yè)巖查明資源量的52.83%，16.72%和13.65%.但油頁(yè)巖在干餾后，所得的殘?jiān)?0% ～90%左右，灰分含量大于40%，而油頁(yè)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(guó)內(nèi)的油頁(yè)巖灰渣存量尚無(wú)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但根據(jù)頁(yè)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(yè)巖干餾生產(chǎn)線每年就可產(chǎn)生105.20 t灰渣.在油頁(yè)巖開(kāi)發(fā)的早期階段，由于缺乏環(huán)境保護(hù)意識(shí)與可持續(xù)發(fā)展觀念，對(duì)油頁(yè)巖灰渣的處理方式都是將其直接丟棄堆置在附近，嚴(yán)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(yè)巖灰渣的綜合利用途徑越來(lái)越得到人們的重視.

1 油頁(yè)巖灰渣的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)40年代，國(guó)際上對(duì)油頁(yè)巖廢渣的再利用就已開(kāi)始，對(duì)油頁(yè)巖工業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)程中所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注則始于20世紀(jì)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(huì)舉行一次關(guān)于油頁(yè)巖問(wèn)題的國(guó)際會(huì)議，幾乎每次會(huì)議都有關(guān)于利用油頁(yè)巖廢棄物的報(bào)道.其中，以培肥樹(shù)草與蔬菜的報(bào)道較多.在愛(ài)沙尼亞，早在1944年就開(kāi)始用頁(yè)巖灰作為肥料.當(dāng)時(shí)，頁(yè)巖灰渣磨細(xì)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(ài)沙尼亞把使用頁(yè)巖肥列入農(nóng)業(yè)發(fā)展綱要，并計(jì)劃對(duì)油頁(yè)巖露天采礦區(qū)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，全面評(píng)價(jià)礦區(qū)在恢復(fù)過(guò)程生物產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與社會(huì)效益.

德國(guó)油頁(yè)巖用于流化燃燒，其熱值很低，僅為3 400 kJ/kg，有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為9%，鋁甄油收率4% ～4.5%，灰含量高達(dá)71%.德國(guó)道頓毫遜(Dttern－h(huán)ausen)的魯拔赫(Rohrbach)水泥廠的顆粒頁(yè)巖沸騰燃燒流程:油頁(yè)巖露天開(kāi)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(yè)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(yè)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(yè)巖灰和熟料混合成波特蘭水泥.德國(guó)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(tuán)，仍利用油頁(yè)巖燃燒提供該廠電力及頁(yè)巖灰來(lái)制水泥［2］.

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)油頁(yè)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(yè)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(dāng)前關(guān)于油頁(yè)巖渣在水泥中利用方面的研究較少，20世紀(jì)90年代初，華南理工大學(xué)蘇達(dá)根教授曾用廣東茂名含稀土的干餾油頁(yè)巖廢渣替代粘土作為水泥原材料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果證明，這種水泥生料易燒性得到改善，凝結(jié)時(shí)間基本不變，水泥熟料強(qiáng)度和質(zhì)量明顯得到提高.但此研究?jī)H針對(duì)干餾后的油頁(yè)巖渣進(jìn)行試驗(yàn)，而且也沒(méi)有擴(kuò)大投產(chǎn)［4］.可見(jiàn)，目前尚沒(méi)有很好的方法來(lái)大量處理油頁(yè)巖礦渣和灰渣.因此，將其用于礦區(qū)周邊道路的修建，進(jìn)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(yè)巖灰渣聯(lián)鎖塊的研制與應(yīng)用

2.1 油頁(yè)巖灰渣聯(lián)鎖塊的材料配合比

油頁(yè)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(jí)聯(lián)鎖塊道路的材料或主要摻料.此項(xiàng)研究是一種道路結(jié)構(gòu)層材料，是指一種利用摻有油頁(yè)巖灰渣的混凝土聯(lián)鎖塊路面磚來(lái)砌筑道路面層.因此，研究組將取得的油頁(yè)巖灰渣與天然砂礫按照一定比例混合進(jìn)行試驗(yàn)，制作油頁(yè)巖灰渣混凝土來(lái)研究不同原材料、不同配合比的油頁(yè)巖灰渣混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，以及抗凍等方面的性能指標(biāo)，進(jìn)而確定最佳配合比和正確的生產(chǎn)方法，為油頁(yè)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(yè)巖灰渣性能從其物理及化學(xué)性質(zhì)著手，包括其礦物成分、粒徑級(jí)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(yè)巖灰渣混凝土，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后自養(yǎng)護(hù)箱取出進(jìn)行試驗(yàn)，定期測(cè)定其各方面性能指標(biāo)參數(shù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比較、分析，研究不同原材料、不同配合比頁(yè)巖灰渣混凝土的強(qiáng)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(jì)和環(huán)境效益.

課題組通過(guò)大量的試驗(yàn)研究，得到了不同材料配合比下的混凝土強(qiáng)度:

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

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

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

(4)油頁(yè)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(qiáng)度為23 MPa;

(5)油頁(yè)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(qiáng)度為28 MPa.

2.2 油頁(yè)巖灰渣聯(lián)鎖塊的尺寸及強(qiáng)度對(duì)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(jí)道路.課題組的試驗(yàn)研究及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果表明，油頁(yè)巖灰渣混凝土塊的強(qiáng)度均可達(dá)到農(nóng)村低速車輛的使用要求.國(guó)內(nèi)已有的《聯(lián)鎖型路面磚路面施工及驗(yàn)收規(guī)程(CJJ79－98)》［5］對(duì)聯(lián)鎖塊路面磚的強(qiáng)度、最小厚度、塊行及鋪筑形式等進(jìn)行了規(guī)定，但規(guī)程中對(duì)鎖塊路面磚的抗壓強(qiáng)度要求較高.如主干路、次干路路面磚抗壓強(qiáng)度需達(dá)到50 MPa以上，平均值需達(dá)到60 MPa.支路、街道、居住區(qū)道路的抗壓強(qiáng)度要求逐漸降低，最低需達(dá)到25 MPa以上.與其強(qiáng)度相對(duì)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(chǎng)鋪面設(shè)計(jì)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(qiáng)度不宜低于50 MPa.Shackel等人研究［7］認(rèn)為，混凝土塊體的強(qiáng)度在25 MPa～55 MPa范圍內(nèi)時(shí)，其道路鋪面對(duì)結(jié)構(gòu)的性能沒(méi)有影響.而對(duì)塊體的厚度則有兩種觀點(diǎn)，一種認(rèn)為聯(lián)鎖塊的尺寸對(duì)荷載的擴(kuò)散沒(méi)有影響;另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為塊體的厚度增加會(huì)改善路面結(jié)構(gòu)的受力性能.當(dāng)鎖塊的尺寸大于60 mm時(shí)，基層中的應(yīng)力趨于減小，即塊層的崁鎖作用趨于增強(qiáng).圖1為課題組設(shè)計(jì)的幾種油頁(yè)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(gè)六邊形的組合，制作時(shí)整體澆筑成型.鋪筑時(shí)，使各聯(lián)鎖塊齒邊相互咬合，可以按照一個(gè)方向鋪設(shè)，也可以縱橫交錯(cuò)鋪設(shè).

圖1 油頁(yè)巖灰渣混凝土聯(lián)鎖塊的形狀

3 油頁(yè)巖灰渣應(yīng)用于瀝青混凝土路面可行性分析

由于油頁(yè)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(yè)巖灰渣粉碎后用來(lái)拌制瀝青混凝土，可能會(huì)在不降低其強(qiáng)度的情況下提高延性性能.同時(shí)較細(xì)的油頁(yè)巖灰渣顆粒還可能改善瀝青混合料的級(jí)配，增強(qiáng)瀝青路面的耐水性能.在我國(guó)北方寒冷地區(qū)，冬季氣溫最低可達(dá)零下40℃，常常會(huì)使路面發(fā)生龜裂和凍脹現(xiàn)象，在春季則表現(xiàn)為開(kāi)裂和翻漿，嚴(yán)重增加了道路的維護(hù)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(qiáng)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(méi)有冰凍期，有的公路采用瀝青混凝土透水路面，雨季時(shí)可快速排干路面積水.在北方則不同，不僅雨季短，同時(shí)冬季寒冷，會(huì)使沁入路面內(nèi)的水分反復(fù)凍融，使路面過(guò)早破壞.因此，為抵御道路的冰凍災(zāi)害，宜將路面設(shè)計(jì)為耐水路面或不透水路面.油頁(yè)巖灰渣中較細(xì)的活性顆粒，可能會(huì)使瀝青路面的耐水性能得到有效提高.

世界上只有美國(guó)和德國(guó)的頁(yè)巖油煉油效率能夠達(dá)到100%，其他國(guó)家不是技術(shù)不夠先進(jìn)，就是無(wú)條件配套先進(jìn)設(shè)備.在國(guó)內(nèi)，煉油后的油頁(yè)巖灰渣，一般都含有10% ～20%的頁(yè)巖油尚未提煉出來(lái).未提煉出來(lái)的頁(yè)巖油，在拌制瀝青混合料的過(guò)程中是否會(huì)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(shí)，多數(shù)情況下都采用熱拌瀝青混合料，熱拌過(guò)程中的高溫有可能會(huì)提高油頁(yè)巖灰渣與瀝青的結(jié)合性能，因?yàn)橛晚?yè)巖灰渣中的頁(yè)巖油與瀝青為屬性相近的有機(jī)物.內(nèi)部含油的油頁(yè)巖灰渣也有可能進(jìn)一步增強(qiáng)瀝青路面的延性和耐水性能，但其真實(shí)性尚需試驗(yàn)證明.

4 結(jié)語(yǔ)

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

(1)將油頁(yè)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(jià)值和廣闊的發(fā)展前景.而通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻入一定量的油頁(yè)巖灰渣來(lái)加工混凝土聯(lián)鎖塊修筑鎖塊路面是可行的，滿足其強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，所鋪筑的道路性能指標(biāo)能達(dá)到使用要求;

(2)油頁(yè)巖儲(chǔ)量巨大，油頁(yè)巖灰渣來(lái)源廣泛，采用油頁(yè)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(jià)，突破了油頁(yè)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(jià)低、維護(hù)簡(jiǎn)便及節(jié)能、節(jié)地和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是可持續(xù)發(fā)展的綠色道路材料;

(3)通過(guò)材料的成分分析，用油頁(yè)巖灰渣作為瀝青混凝土的添料來(lái)鋪筑路面，可能會(huì)改善瀝青路面的抗裂性能和耐水性能，尚需試驗(yàn)驗(yàn)證.

［1］劉招君，柳 蓉.中國(guó)油頁(yè)巖特征及其開(kāi)發(fā)利用前景分析［J］.地學(xué)前緣，2005，12(3):315－3231.

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

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

［4］高 健.頁(yè)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(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).聯(lián)鎖型路面磚路面施工及驗(yàn)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(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).港口道路、堆場(chǎng)鋪面設(shè)計(jì)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.