燃煤爐渣基泡沫輕質(zhì)土路用材料性能研究

蔣善國， 韓佳琦， 陳忠平， 余匡迪

(1.湖南高速建設(shè)工程有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000； 2.中交二公局萌興工程有限公司， 陜西 西安 710065;3.廣東同創(chuàng)科鑫環(huán)保有限公司， 廣東 廣州 511455)

目前中國能源結(jié)構(gòu)依然是以煤炭為主導(dǎo)，火力發(fā)電廠、工業(yè)鍋爐、地暖系統(tǒng)等設(shè)備消耗大量煤炭，同時(shí)伴隨產(chǎn)生大量的煙氣和爐底渣[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年中國煤炭燃燒總量達(dá)49.8億t，按照1 t煤燃燒后，平均產(chǎn)生0.35 t爐渣換算可得，全年?duì)t渣排放量高達(dá)17.4億t[2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)保的需求和重視程度越來越高，爐渣的無害化處置和資源化利用在業(yè)內(nèi)愈加重要。根據(jù)工信部頒布的《國家工業(yè)固體廢物資源綜合利用產(chǎn)品目錄》，燃煤爐渣被歸類于一般固體廢棄物[3]，引導(dǎo)企業(yè)做好固體廢棄物的資源化利用，并鼓勵(lì)進(jìn)行稅費(fèi)減免。

爐渣資源化利用目前主要在以下方面進(jìn)行嘗試：① 爐渣經(jīng)過篩分后，作為輕骨料制備砂漿或混凝土[4]，但存在篩分利用率低，玻璃體溶解-結(jié)晶導(dǎo)致的二次水化脹裂等問題，目前爐渣作為骨料應(yīng)用十分有限；② 爐渣用于污水處理，得益于爐渣疏松多孔的特點(diǎn)，遇水后溶出的鋁離子在水中形成絮凝體對(duì)污水中的重金屬離子和有機(jī)物起到一定的吸附作用[5]，但爐渣內(nèi)部可溶性鹽對(duì)環(huán)境的影響還需進(jìn)一步論證，目前未得到實(shí)際應(yīng)用；③ 爐渣應(yīng)用于土壤改良[6]，能夠顯著增大土壤的透氣性，改善土壤結(jié)構(gòu)，但本質(zhì)上爐渣作為固廢應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)上存在較大的挑戰(zhàn)，距離規(guī)模化、工業(yè)化應(yīng)用則更加遙遠(yuǎn)。

燃煤爐渣化學(xué)成分主要以SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO為主，同時(shí)含有少量K2O、Na2O、SO3、CrO2等[7]。爐渣的礦物相組成分為非晶相和結(jié)晶相，非晶相主要是以硅、鋁為網(wǎng)絡(luò)形成體，鈣為網(wǎng)絡(luò)改變體，橋接搭建的空間網(wǎng)絡(luò)玻璃相[8]。爐渣粉磨后與粉煤灰、礦渣粉類似，具備存在潛在活性的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，爐渣具有一定的火山灰活性，在化學(xué)激發(fā)、熱激發(fā)等條件下表現(xiàn)出水硬性膠凝材料性質(zhì)。

泡沫輕質(zhì)土作為改善軟土路基沉降、減少自重載荷的高性能路用材料，泡沫輕質(zhì)土材料于2002年，由陳忠平博士引進(jìn)中國[9]，經(jīng)過20年的研究和推廣，目前已廣泛應(yīng)用于高速公路軟土路堤、道路加寬段、軟基橋臺(tái)、塌方搶修等填筑工程[10]。未來，中國高速公路建設(shè)將保持高速、高質(zhì)量發(fā)展，雖然傳統(tǒng)水泥基輕質(zhì)土性能足以滿足施工需求，但大量使用水泥帶來的高耗能和溫室氣體排放仍存在較大的優(yōu)化空間[11]。將燃煤爐渣微粉大摻量替代水泥，開發(fā)以燃煤爐渣為基體的輕質(zhì)土路用材料，可有效解決爐渣固廢帶來的環(huán)境問題，并通過規(guī)?；酚脦順O高的附加價(jià)值，契合當(dāng)下的“碳達(dá)峰、碳中和”理念，具備較高的社會(huì)效益。

綜上，燃煤爐渣磨細(xì)制粉作為活性摻合料，具備一定的物相基礎(chǔ)和理論體系；另一方面，受益于中國高速公路建設(shè)規(guī)劃的巨大市場(chǎng)規(guī)模，燃煤爐渣基輕質(zhì)土具備重大的發(fā)展前景。該文采用改性激發(fā)的方式，開發(fā)燃煤爐渣基輕質(zhì)土，并著重分析濕密度對(duì)材料力學(xué)性能和工作性能的影響，同時(shí)采用甲醇替代法測(cè)量其空隙率，建立空隙率-抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料分析

(1) 燃煤爐渣選自山東棗莊某火力發(fā)電廠，粒徑為5～42 mm，試驗(yàn)前使用烘箱105 ℃烘干8 h，以保證整體含水率低于1%，烘干后使用XMB-68棒磨機(jī)進(jìn)行粉磨，按照每次稱取5 kg爐渣，棒磨30 min，直至比表面積達(dá)到400 m2/kg。

將135 g燃煤爐渣、315 g水泥、225 g試驗(yàn)用水、1 350 g標(biāo)準(zhǔn)砂，按照GBT 12957—2005《用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性試驗(yàn)方法》對(duì)燃煤爐渣灰的活性系數(shù)K進(jìn)行測(cè)試。K=R1/R2×100%，R1為摻入工業(yè)廢渣后試樣28 d抗壓強(qiáng)度；R2為對(duì)照試樣28 d抗壓強(qiáng)度。得到28 d活性系數(shù)K為80.95%。

(2) 水泥選自英德海螺P.O42.5R水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量124 g，初凝180 min，終凝280 min，依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》，測(cè)得試驗(yàn)所用水泥3 d抗壓強(qiáng)度代表值為24.6 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為46.9 MPa。

(3) 石灰石粉(重鈣型)選自山東青島某粉磨站，密度為2.69 g/cm3，d50=7.5 μm。

(4) 碳酸鹽激發(fā)劑選用國藥集團(tuán)分析純(AR)。爐渣、水泥的氧化物組成如表1所示。

表1 水泥、礦粉及細(xì)尾砂氧化物組成 %

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)9組配合比，如表2所示。試驗(yàn)配置的膠材組分為燃煤爐渣、水泥、石灰石粉，共計(jì)100%。激發(fā)劑為碳酸鈉(外摻)，摻量均為總量的4%。固體組分混料均勻后，按水固比0.6進(jìn)行制備膠凝材料，隨后進(jìn)行物理發(fā)泡制備濕密度(料漿質(zhì)量/料漿體積)為500～750 kg/m3的爐渣基輕質(zhì)土試樣。

表2 試樣成型配合比

1.3 試樣制備

(1) 按照表2配合比稱量磨細(xì)爐渣微粉、水泥和石灰石粉，使用混料機(jī)充分混合，制備爐渣基活性料。

(2) 參考GB 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行制備，按照設(shè)計(jì)水固比制備膠凝材料凈漿，依據(jù)CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》，凈漿攪拌時(shí)間不應(yīng)低于2 min，轉(zhuǎn)速應(yīng)控制為50 r/min。

(3) 依據(jù)CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》、JC/T 2199—2013《泡沫混凝土用泡沫劑》，采取物理發(fā)泡混合的方式制備所需濕密度的輕質(zhì)土材料。

(4) 依照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，成型試樣放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度95%以上。考慮到輕質(zhì)土硬化過程中的脫水，表面應(yīng)覆蓋塑料薄膜進(jìn)行保水。

1.4 測(cè)試手段

(1) 流動(dòng)度測(cè)試：基于現(xiàn)澆輕質(zhì)土的性質(zhì)，流動(dòng)度測(cè)試參照GB/T 50488—2008《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，使用內(nèi)徑80 mm，凈高80 mm圓筒模具按照流值板法進(jìn)行測(cè)定，垂直方向測(cè)2次取均值，精確至1 mm。

(2) 力學(xué)性能測(cè)試：依照CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》，制備100 mm×100 mm×100 mm的輕質(zhì)土試樣，在數(shù)顯全自動(dòng)壓力機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，讀取其極限破壞荷載與破壞面積的比值，每組試樣進(jìn)行3次測(cè)試，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

(3) 空隙率測(cè)試：輕質(zhì)土空隙率測(cè)試采用溶劑(甲醇)替代法進(jìn)行，將材料烘干記錄絕干質(zhì)量m1，將試樣浸泡溶液中待甲醇溶液完全浸入記錄質(zhì)量m2，將表面液體擦凈記錄飽和面干質(zhì)量m3，樣品最終總空隙率按照n=(m2-m1)/(m3-m2)×100%求得。

(4) 消泡率測(cè)試：使用容量筒測(cè)試新拌輕質(zhì)土初始濕密度(ρ0)，在水平方向和垂直方向交替攪拌，持續(xù)時(shí)間為1 min，記錄攪拌后濕密度(ρx)。重復(fù)攪拌步驟，共進(jìn)行6次攪拌，記錄此時(shí)濕密度(ρ6)，按下式計(jì)算濕密度增加率。濕密度=(ρ6-ρ0)/ρ0×100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

力學(xué)性能是路用輕質(zhì)土材料最重要的性能指標(biāo)之一，圖1為初始濕密度為500～750 kg/m3時(shí)，爐渣基輕質(zhì)土3、7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

圖1 初始濕密度對(duì)輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度性能影響

由圖1可知：輕質(zhì)土試驗(yàn)各齡期抗壓強(qiáng)度隨濕密度增加整體呈上升趨勢(shì)，3 d抗壓強(qiáng)度由0.28 MPa提升至0.69 MPa；7 d抗壓強(qiáng)度由0.42 MPa提升至1.04 MPa；28 d抗壓強(qiáng)度由0.61 MPa提升至1.67 MPa。圖2為不同爐渣摻比下，輕質(zhì)土各齡期抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

圖2 燃煤爐渣摻比對(duì)輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度性能影響

由圖2可知：隨著爐渣摻比的增加，輕質(zhì)土各齡期抗壓強(qiáng)度大幅降低，3 d抗壓強(qiáng)度由0.69 MPa(50%爐渣)降低至0.17 MPa(90%爐渣)；7 d抗壓強(qiáng)度由1.04 MPa降低至0.19 MPa；28 d抗壓強(qiáng)度由1.67 MPa降低至0.23 MPa，爐渣摻量高于80%時(shí)，輕質(zhì)土強(qiáng)度發(fā)展大幅受限。

結(jié)合上述分析可知：爐渣基泡沫輕質(zhì)土養(yǎng)護(hù)7 d后，強(qiáng)度仍有較大的發(fā)展空間，所有配合比中均未出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮的情況。在爐渣摻量超過60%，輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度迅速降低，這主要是由于爐渣本身形成強(qiáng)度較難，需要同水泥和激發(fā)劑中的活性礦物相以及可溶離子相互作用，產(chǎn)生水化產(chǎn)物以提供強(qiáng)度，因此爐渣摻入比不宜大于60%。濕密度大于650 kg/m3，輕質(zhì)土28 d強(qiáng)度大于1 MPa，強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定，適合作為后續(xù)推薦配合比使用，初始濕密度過低對(duì)輕質(zhì)土強(qiáng)度損害性大。

2.2 流動(dòng)擴(kuò)展度

流動(dòng)度是現(xiàn)澆輕質(zhì)土重要的工作性能指標(biāo)，流動(dòng)度過低會(huì)導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)自流平、自密實(shí)，甚至引發(fā)堵管等工程問題，流動(dòng)度過高則容易導(dǎo)致料漿不穩(wěn)定，同樣影響材料的使用性能，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土宜控制料漿流值為160～190 mm。圖3為新拌輕質(zhì)土料漿的濕密度對(duì)流動(dòng)度的影響規(guī)律，由圖3可知，隨著濕密度的提升，輕質(zhì)土料漿的流動(dòng)度逐步提升，由160 mm(500 kg/m3)提升至200 mm(750 kg/m3)，其中濕密度為500～650 kg/m3可作為現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的推薦流值，可較好應(yīng)用于工程實(shí)際。圖4為爐渣摻比對(duì)流動(dòng)度的影響，由圖4可知：隨著爐渣摻量的提升，流動(dòng)度整體呈下降趨勢(shì)，但變化幅度不大，影響程度較小。

圖3 流動(dòng)擴(kuò)展度隨濕密度的變化規(guī)律

圖4 流動(dòng)擴(kuò)展度隨爐渣摻比的變化規(guī)律

2.3 消泡率

消泡率是反映輕質(zhì)土泡沫穩(wěn)定性的重要參數(shù)，一般情況下消泡率越低，代表輕質(zhì)土成型過程中密度變化越低，具備更好的體積穩(wěn)定性。圖5為500、600、750 kg/m3初始濕密度的新拌輕質(zhì)土料漿密度隨攪拌次數(shù)的變化情況及消泡率隨初始濕密度變化情況。

由圖5(a)～(c)可知：按照輕質(zhì)土測(cè)試消泡率的操作規(guī)范，料漿濕密度隨攪拌次數(shù)逐漸增大，前期攪拌對(duì)濕密度的影響程度較大，后幾次攪拌料漿濕密度增長(zhǎng)減緩，密度趨于穩(wěn)定。初始濕密度為500 kg/m3時(shí)，經(jīng)過6次消泡后，密度上升至592 kg/m3，消泡率為18.4%；初始濕密度為600 kg/m3時(shí)，經(jīng)過6次消泡后，密度上升至648 kg/m3，消泡率為8.0%；初始濕密度為750 kg/m3時(shí)，經(jīng)過6次消泡后，密度上升至786 kg/m3，消泡率為4.8%。

圖5 爐渣基輕質(zhì)土消泡率與初始濕密度的關(guān)系

由圖5(d)可知：500、600 kg/m3初始濕密度下，消泡率分別為18.4%和13.2%，整體消泡較為嚴(yán)重。當(dāng)初始濕密度大于650 kg/m3，消泡率出現(xiàn)明顯改善，均在6%以下。

初始濕密度對(duì)消泡率的影響顯著，體系中泡沫占比越大，受擾動(dòng)的幅度就越大，泡沫輕質(zhì)土在外界環(huán)境下就越容易消泡，當(dāng)濕密度大于650 kg/m3時(shí)，新拌輕質(zhì)土料漿消泡率大幅下降，因此抵御外部擾動(dòng)的能力大，泡沫趨于穩(wěn)定，在相同質(zhì)量的情況下，更低的密度變化程度對(duì)應(yīng)更優(yōu)的體積穩(wěn)定性，能夠更好地保證現(xiàn)澆輕質(zhì)土施工的穩(wěn)定性。

2.4 空隙率-強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系

基于阿基米德原理，采用甲醇替代法測(cè)試輕質(zhì)土空隙率，并結(jié)合2.1節(jié)中500～750 kg/m3密度輕質(zhì)土試樣的28 d抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析空隙率和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果如表3、圖6所示。

表3 甲醇替代法測(cè)空隙率測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 爐渣基輕質(zhì)土空隙率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系擬合

由表3可知：隨著密度的增大，試樣的絕干質(zhì)量逐漸增加，表明更多的自由水參與了水化反應(yīng)，進(jìn)而生成了更多未被烘干的水化產(chǎn)物。空隙率由77.4%(500 kg/m3)降低至61.5%(750 kg/m3)。由圖6可知：爐渣基輕質(zhì)土28 d抗壓強(qiáng)度隨空隙率增加呈線性降低，相關(guān)度較高(R2=0.961 6)。

3 結(jié)論

分析了爐渣摻比和濕密度對(duì)爐渣基輕質(zhì)土的力學(xué)性能、流動(dòng)性能、消泡率、空隙率的影響規(guī)律，得到結(jié)論如下：

(1) 隨著濕密度的增加，輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度穩(wěn)步增加，爐渣摻量提高，輕質(zhì)土強(qiáng)度則迅速降低，當(dāng)爐渣摻比達(dá)90%時(shí)，材料基本失去力學(xué)性能。

(2) 新拌輕質(zhì)土的流動(dòng)擴(kuò)展度隨發(fā)泡率的提升迅速下降，爐渣的摻入量對(duì)輕質(zhì)土料漿流動(dòng)度影響不明顯。

(3) 輕質(zhì)土初始濕密度高于650 kg/m3時(shí)，消泡率明顯大幅降低，具備較好的體積穩(wěn)定性。

(4) 隨著初始濕密度上升，28 d輕質(zhì)土固結(jié)體的空隙率逐步降低，空隙率與強(qiáng)度呈線性擬合關(guān)系，在初始濕密度為配比變量下，相關(guān)程度較高。

(5) 考慮各項(xiàng)性能指標(biāo)，推薦采用爐渣摻比50%，水泥摻量40%，石灰石粉10%，外摻4%激發(fā)劑，制備650 kg/m3密度的爐渣基輕質(zhì)土，這樣制備的爐渣基輕質(zhì)土具備較好的工作性能。