煤氣化爐渣路面基層材料研究與應(yīng)用

高 鵬 李慶宏 田建平 周明凱 陳 瀟

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽國(guó)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(guò)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(jiǎn)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(duì)環(huán)境有潛在危害性.與此同時(shí)，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(wèn)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(duì)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(guò)研究煤氣化爐渣路面基層材料長(zhǎng)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(jiàn)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(jiàn)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(duì)集料的壓碎值、吸水率等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度測(cè)定，以及凍融試驗(yàn).Rid為齡期為i天時(shí)95%保證率下的無(wú)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(zhǎng)治某煤化工企業(yè)，化學(xué)成分及XRD分析圖譜見(jiàn)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(lái)石和鈣長(zhǎng)石、無(wú)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(chǎng)煤氣化爐渣經(jīng)過(guò)數(shù)十年的風(fēng)化和雨水沖刷，仍保持初排渣時(shí)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(huì)出現(xiàn)崩解等問(wèn)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(gè)粒級(jí)的集料，并測(cè)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(jí)配，并與文獻(xiàn)[9]對(duì)基層材料粗細(xì)集料的要求進(jìn)行對(duì)比；同時(shí)對(duì)比了煤氣化爐渣集料和傳統(tǒng)天然集料的物理性能，見(jiàn)表5～6.

表5 煤氣化爐渣集料特性與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比 %

表6 煤氣化爐渣集料與砂石集料物理性質(zhì)對(duì)比

對(duì)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^(guò)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(duì)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(shí)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(duì)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(jiàn)圖2.其中，摻量30%時(shí)煤氣化爐渣只代替細(xì)集料，70%時(shí)煤氣化爐渣代替細(xì)集料與5～15 mm碎石，100%時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)應(yīng).

2) 煤氣化爐渣的摻入會(huì)導(dǎo)致混合料抗壓強(qiáng)度降低，爐渣摻量100%時(shí)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(shí)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(jí)配、粉煤灰摻量、水泥劑量對(duì)集料受壓破碎程度及混合料抗壓強(qiáng)度影響的主要?jiǎng)右?

3.2 煤氣化爐渣級(jí)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(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3三種逐漸細(xì)化的水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣級(jí)配，并在級(jí)配2中摻入了10%的粉煤灰形成級(jí)配4，研究集料級(jí)配、粉煤灰摻入對(duì)集料破碎程度及混合料密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度的影響，見(jiàn)圖3～4和表7.其中，集料破碎程度通過(guò)靜壓成型前后混合料級(jí)配變化程度表征.

圖3 不同煤氣化爐渣集料級(jí)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(jí)配變化

表7 不同級(jí)配水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣性能比較

由圖4a)～c)級(jí)配變化情況可知，隨著粗細(xì)集料比不斷降低，即級(jí)配逐漸從骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)向懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)過(guò)渡，受壓前后混合料級(jí)配變化逐漸降低，圖4b)和圖4d)的對(duì)比顯示摻入粉煤灰能進(jìn)一步降低混合料受壓級(jí)配變化程度；由表7可知，隨著煤氣化爐渣集料級(jí)配從骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)逐漸向懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)過(guò)渡，混合料干密度增大，抗壓強(qiáng)度增加24%；從級(jí)配3和級(jí)配4的對(duì)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(lái)說(shuō)，采用懸浮密實(shí)型級(jí)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(gè)方面，可通過(guò)對(duì)比不同粉煤灰摻量對(duì)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(jí)配為級(jí)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(duì)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(jiàn)圖5.

圖5 粉煤灰摻量對(duì)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(shí)達(dá)到最大值；由圖5b)可知，粉煤灰摻量10%，20%，30%時(shí)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(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)最密實(shí)，粉煤灰摻量20%時(shí)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(jí)配為級(jí)配2、級(jí)配4，探究不同水泥劑量對(duì)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(jiàn)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(zhǎng)趨勢(shì)，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(jí)公路基層材料強(qiáng)度的要求.

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

3.5 長(zhǎng)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(píng)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(duì)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(jiàn)表8.

表8 不同水泥穩(wěn)定材料長(zhǎng)期性能與耐久性

由表8可知：

1) 從抗壓強(qiáng)度發(fā)展來(lái)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(shí)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(zhǎng)超過(guò)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(zhǎng)率達(dá)45%，超過(guò)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(lái)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(gè)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(zhǎng)治市屯留縣縣城-老爺山-屯絳水庫(kù)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(hào)國(guó)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(shí)為降低集料碾壓時(shí)破碎的概率，振動(dòng)壓路機(jī)開啟輕振模式進(jìn)行碾壓.對(duì)碾壓前后混合料進(jìn)行了級(jí)配還原試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖7，最后對(duì)試鋪段進(jìn)行了鉆芯取樣檢測(cè)，不同齡期芯樣外觀及抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)圖8.

圖7 煤氣化爐渣路面基層試驗(yàn)段碾壓前后集料級(jí)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(jí)配，在輕幅振動(dòng)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(jí)配還原結(jié)果顯示級(jí)配變化率很小，添加粉煤灰灰后級(jí)配變化更小，表明通過(guò)級(jí)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(jí)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(shí)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(jiàn)凍融破壞現(xiàn)象，而90 d強(qiáng)度增長(zhǎng)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(lái)石、鈣長(zhǎng)石、無(wú)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(shí)，會(huì)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(shí)7 d無(wú)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(guò)調(diào)整水泥劑量，其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可調(diào)整至2.2～6.8 MPa，滿足各等級(jí)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(wú)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(jí)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.