CFB爐渣在臺背回填中的應用

高志兵

（山西路橋集團 呂梁國道項目建設管理有限公司，山西 呂梁 033099）

0 引言

循環(huán)流化床（簡稱CFB）鍋爐燃燒技術是一種潔凈燃煤技術，常被用于煤矸石、煤泥等低熱值燃料的發(fā)電，與普通燃煤電廠煤粉爐相比，具有燃燒適應性廣，燃燒強度大等優(yōu)勢，但是CFB技術也存在灰渣排放量大（其排放量是普通燃煤電廠粉煤灰的2倍左右），且難以利用的問題。這主要是因為CFB鍋爐溫度僅850℃～900℃，且采用爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝，從而導致產(chǎn)生的CFB灰渣與傳統(tǒng)的1 250℃的燃煤爐所產(chǎn)生的粉煤灰有很大的差別，主要表現(xiàn)在SO3、f-CaO含量高、需水量大、含碳量較高等，導致其無法如煤粉爐粉煤灰一樣應用于水泥混凝土等領域，多采用填埋方式處置，不僅處置費用較高而且長期堆存會污染環(huán)境[1]。國道209線呂梁新城區(qū)（方山縣城至中陽金羅鎮(zhèn)）段公路改線工程（以下簡稱“G209呂梁改線工程”）因地形原因設計橋涵眾多，臺背回填土方用量大，但由于素土承載比較低，用于臺背回填時需添加4%水泥或者石灰進行改良，不僅施工綜合成本較高，且實際施工過程中，少量的水泥很難在土中分散均勻，導致形成的路床均勻性差。而毗臨的大土河熱電廠，每年排放200萬噸CFB爐渣難以利用。鑒于上述情況，本項目研究了CFB爐渣對土的增強改性作用，以期用CFB爐渣改良土，替代水泥處治土，用于臺背回填，實現(xiàn)CFB爐渣大量利用，達到提高工程質量降低工程造價的目的。

1 CFB爐渣基本特性

CFB爐渣是低熱值燃料煤矸石等在循環(huán)流化床鍋爐燃燒發(fā)電后產(chǎn)生的殘渣，其化學物理特性如下。

1.1 化學成分

表1 CFB爐渣的化學組成

CFB爐渣與普通煤灰爐粉煤灰相比含有較多的CaSO4和游離的CaO。游離的CaO可激發(fā)脫硫灰渣中的SiO2和活性Al2O3，生成具有一定水硬性的凝膠類物質，所以CFB爐渣具有一定的自硬性[2]。

1.2 物理特性

CFB爐渣呈砂狀，具有連續(xù)級配，最大粒徑10 mm（如圖1和表2所示）。

表2 爐渣級配

圖1 CFB爐渣顆粒形貌

2 CFB爐渣改良土試驗

2.1 爐渣摻量對CFB爐渣改良土擊實特性的影響

為研究爐渣的摻入對土擊實特性的影響，設計了0%、20%、30%、40%、50%、60%系列爐渣摻量配合比，并通過重型擊實試驗確定了不同爐渣摻量對應的擊實曲線圖，如圖2所示。

圖2 不同爐渣摻量擊實曲線

從圖2可以看出，隨著爐渣的摻入，混合料的最大干密度降低，最佳含水率也略有提高，這是爐渣輕質、多孔吸水、保水特性導致，一定程度上可降低土體自重，和施工過程中水分散失的速率。從整體曲線變化趨勢來看，爐渣改良土與素土差異較小，且擊實后試件較為密實，擊實效果良好。

2.2 爐渣摻量對CFB爐渣改良土承載比（CBR值）的影響

CBR（加州承載比）是評定路基及路面材料承載能力的指標，《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2004）中路基填料的最高強度要求為CBR值8%，為研究爐渣對土的改良增強作用，測定了上述系列CFB摻量爐渣改良土的CBR值，試驗結果如表3所示。

表3 爐渣摻量與改良土CBR的關系

可以看出：

a）CFB爐渣的摻入可顯著提高土體的CBR值，爐渣摻量大于30%時，土體CBR值大幅提高至30%以上，遠超臺背回填材料承載比要求。

b）CFB灰渣的摻入可使土體容重降低，膨脹率也有所降低，表明CFB改良土自重小，且不易遇水軟化膨脹。

c）爐渣摻量30%的CBR試件貫入試驗后形變量小，脫模后測定了無側限抗壓強度，可達0.5 MPa，充分證明CFB爐渣土可顯著提高土體承載能力，對土的改良作用效果顯著。

3 CFB爐渣改良土用于臺背回填的工程試驗研究

為研究CFB爐渣改良土用于臺背回填的施工特性和路用性能，在施工現(xiàn)場蓋板涵臺背進行了試驗段鋪筑。

3.1 原材料

3.1.1 素土

素土取自施工附近，天然含水量8.2%，堆積密度1.02 g/cm3，液限30，塑限18，塑性指數(shù)12，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）判定為低液限黏土。

3.1.2 CFB爐渣

CFB爐渣取自項目周邊晉能大土河熱電廠，呈砂狀顆粒，最大粒徑10 mm，堆積密度為1.10～1.30 g/cm3。

3.2 對30%爐渣改良土與素土基本特性比較

3.2.1 塑性指數(shù)的測定

為驗證爐渣摻入是否引起土質的改變，測定了30%爐渣改良土的塑性指數(shù)，并與素土進行了對比，試驗結果見表4。同時，考慮到爐渣改性作用具有一定的時效，延長標準液塑限試驗悶料時間從18 h至72 h，悶料后土體結成硬塊。

表4 液塑限測定結果

可見，爐渣的摻入在短時間內(nèi)不會改變素土為低液限黏土的本質，但經(jīng)過3 d以上作用時間，其與土發(fā)生類似于水泥改良土的化學板結作用，不再適合采用塑性指數(shù)這一研究素土特性的指標進行評價。

3.2.2 滲透性的評估

為模擬爐渣改良土的滲透性，將素土與30%爐渣改良土按照路面基層水穩(wěn)試件的成型方法，并借鑒瀝青混凝土滲水試驗評估土體的滲透性。

一般的瀝青混凝土滲水系數(shù)為300 mL/min或者200 mL/min，但對于爐渣土與素土，滲水10 min僅8 mL，可見其基本不具透水性，這主要是因為爐渣改良土仍以素土為主，而工程取樣素土為黏土，本身具有良好抗?jié)B性。

結合爐渣土與素土的塑性指數(shù)和滲水性可以看出：爐渣的摻入在早期未改變素土基本物理特性，但是經(jīng)過3 d以上相互反應后，會形成較強化學板結作用，從而提高土體的密實度和強度。

3.2.3 30%爐渣改良土CBR值

取施工用土和CFB爐渣，測定了30%爐渣改良土的CBR值，并與素土作了對比，結果見表5。

表5 爐渣改良土CBR值驗證試驗結果

試驗結果表明：當壓實度為設計值96%時，素土CBR值為13.8%，CFB爐渣改良土的CBR值為28.3%，提高2倍多，完全滿足臺背回填CBR值的設計要求，對于試驗段工程用土，可采用30%爐渣進行改良。

3.3 施工過程與檢測

為提高爐渣與土的拌合均勻性，施工時采用場外預拌，悶料，運輸至現(xiàn)場攤鋪碾壓的工藝。

3.3.1 混合料的拌合

按施工配合比用裝載機將土與CFB干拌3次，以土的天然含水量和混合料最佳含水量為依據(jù)進行補水并悶料5 h，再濕拌5次，通過自卸車運輸至現(xiàn)場。

3.3.2 攤鋪

攤鋪時采用人工配合裝載機初平，平地機精平，最后人工修整邊部的方法。根據(jù)試驗段檢測，實測松鋪厚度26 cm，壓實厚度20 cm，松鋪系數(shù)為1.3。

3.3.3 碾壓

碾壓采用振動壓路機進行，碾壓時，振動輪邊部距離涵洞臺身不得小于50 cm空隙，空隙部分由挖掘機帶振動夯進行夯實（也可以由裝載機帶振動夯夯實）。

由于試驗段寬度較小，碾壓時錯輪量小，振壓遍數(shù)太多時出現(xiàn)了表層起皮和表面裂紋現(xiàn)象，建議施工時增大錯輪量至1/3～1/2，并在收面時關閉振動采用靜壓方式，以消除輪跡相近造成的擠壓開裂。

試驗段現(xiàn)場采用灌砂法測得壓實度為96.5%。從壓實度挖洞觀察，距離下層較近的位置也已密實,表明此壓實工藝效果良好，能夠滿足臺背回填的壓實度設計要求。

4 結論

綜上所述，CFB爐渣改良土新型材料的開發(fā)，一方面解決了CFB爐渣無法低成本高效率處理的難題，促進煤炭清潔利用的發(fā)展；另一方面減少臺背回填對沙礫或者水泥等材料的消耗，同時減少了爐渣堆存和水泥等材料生產(chǎn)加工時造成的環(huán)境污染，有利于資源節(jié)約和環(huán)境保護。