工業固體廢棄物在道路基層應用中的研究進展

盛燕萍 喬云雁 薛哲 陳華鑫 房建宏 徐安花

摘要：針對工業固體廢物在道路基層中的應用，分析了中國近幾年工業固體廢棄物的產生和利用情況，闡述了國內外典型工業固體廢棄物在道路基層中應用的研究進展和產生的問題，為大量工業固體廢棄物綜合處理提供了極具價值的思路和方法，有利于推動道路工程向綠色環保的可持續發展。

關鍵詞：工業固體廢棄物；道路基層；粉煤灰；煤矸石

中圖分類號：U416.25 文獻標志碼：B

Abstract： Aimed at the application of industrial solid waste in road base， the production and utilization of industrial solid waste in China in recent years were analyzed， and the research progress and problems in the application of typical industrial solid wastes at home and abroad were summarized. Valuable thoughts and measures were proposed for the comprehensive treatment of a great deal of industrial solid waste， which is meaningful for realizing sustainable development of environmental-friendly roads.

Key words： industrial solid waste； road base； fly ash； coal gangue

0 引 言

工業固體廢棄物是指在工業、交通等生產活動中產生的固體廢物，主要包括各種金屬、能源及非金屬礦開采、選礦、金屬冶煉、電力、化工生產等大量產生、排放的固體廢棄物，其大部分為硅酸鹽、鋁酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽等物質。這些廢棄物產量大、分布廣泛、種類多樣且對環境危害大。然而，這類廢棄物含有豐富的有用成分及有待發掘的性質，有實現資源化的潛在價值。

與此同時，公路建設需要大量的砂石料，通過工業固體廢棄物的回收、處理，使其成為道路基層中的原材料，實現變廢為寶，不僅可以節約施工成本，達到工業固體廢棄物資源化的目標，還解決了工業固體廢棄物處理過程中日益尖銳的矛盾，保護了生態環境。本文分析工業固體廢棄物的研究現狀和未來發展前景，對固體廢棄物的應用進展進行研究[1-2]。

1 工業固體廢棄物概述

1.1 工業固體廢棄物的構成

工業固體廢棄物主要分為兩類，包括一般工業固體廢棄物（如尾礦、爐渣、粉煤灰、冶煉廢渣、廢石膏等）和危險固體廢棄物。近幾年的統計資料顯示，尾礦、采礦以及燃煤產生的工業固體廢棄物最多，這與礦物資源開采量大和冶煉量大以及中國仍以煤炭為主要能源等密切相關。

1.2 工業固體廢棄物的產生及利用情況

與歐美發達國家的成熟穩定不同，中國還處于對固體廢棄物綜合治理的發展初期，隨著人口持續增加、消費水平提高和工業生產的不斷增加，工業固體廢棄物也大幅增長。據統計，截止到2014年底，大宗工業固廢產量約37.79億t，其中，尾礦16.52億t，粉煤灰5.9億t，鋼鐵渣4.22億t，工業副產石膏189億t。2014年大宗工業固廢綜合利用量為1735億t，同比增長11.7%。其中，水泥混凝土行業利用廢渣量超過11億t，同比增長10%以上。圖2是2004～2014年全國工業固體廢棄物的產生及綜合利用情況[3]。

通過圖2可以看出，10余年來，工業固體廢棄物的產生量總體呈持續增長的趨勢，綜合利用量雖然逐年增加，但利用率仍比較低，因此實現工業固體廢棄物在道路基層中的應用，可以大大提高工業固體廢棄物的綜合利用率。

2 典型工業固體廢棄物在道路基層中的應用

2.1 尾礦的應用

尾礦是指礦山企業在選礦完成后排放的廢渣礦渣，是工業固體廢棄物的主要組成部分。尾礦雖然產生量巨大，但利用率卻很低。在道路工程中主要應用鐵尾礦和各種尾礦礦砂來填筑路基或者代替碎石做路面基層。

國外對尾礦在道路基層中的應用已經形成了較為系統的理論研究和工程實踐。美國明尼蘇達州道路工程的實際應用表明，利用鐵尾礦碎石作為路基材料以及瀝青路面材料修筑的公路強度高、耐久性好。20世紀60年代，美國將鐵尾礦應用于城市路面底基層的鋪筑。21世紀以來，美國東部將鐵尾礦碎石用作瀝青路面的底基層、路基材料以及混凝土路面的基層材料。與國外的研究相比，國內在尾礦路用性能方面的研究起步較晚，較早的應用是將尾礦砂用作路基填料。后因尾礦碎石與碎石集料具有良好的相似性，2004年遷安至擂鼓臺新建工程采用二灰穩定尾礦砂碎石代替二灰碎石作為道路基層；同年，在連云港新建工程中，磷礦尾礦砂在碎石墊層、基層和排水管道溝槽回填中均得到了應用。新的研究表明，尾礦在作為道路基層材料使用時，通過摻加外加劑和水泥可以顯著提高二灰穩定尾礦料的早期強度。尾礦在道路基層中的應用降低了道路建筑成本，緩解了尾礦庫存壓力，減輕了尾礦對生態環境的污染和對市民生命健康的危害。

目前尾礦在道路基層中應用面臨的主要問題有：需要針對尾礦自身的組成特點和分布特點因地制宜，應用于不同地區和不同類型的路面結構中；對尾礦資源及其應用進行系統的基礎分析，為尾礦資源在道路基層中的應用提供數據支撐[4-7]。

2.2 粉煤灰的應用

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，是中國當前排量較大的工業廢渣之一。目前粉煤灰主要用于軟路基處理以及水泥混凝土摻合料、路面基層結合料等道路材料中。

粉煤灰可以用于道路基層的關鍵，是因為粉煤灰與活化劑發生火山灰反應后形成的水泥質基體具有一定的強度。粉煤灰在美國道路基層中的應用始于20世紀50年代，一項由不同比例的石灰、粉煤灰和集料組成道路基層材料的專利問世。國外在道路基層中應用粉煤灰最多的是在柔性路面中采用石灰、波特蘭水泥、粉煤灰和砂的混合材料作為基層。目前中國主要是以粉煤灰穩定土的形式用于路面基層，即在土壤中摻入一定比例的石灰和粉煤灰，攪拌均勻，然后攤鋪碾壓使其整體性能較好。作為基層、底基層材料，要求粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的總含量大于70%，粉煤灰的燒失量不超過20%，粉煤灰的比表面積大于2 500 g·cm-2，濕粉煤灰的含水量不超過35%。有研究表明，水泥粉煤灰穩定碎石的路用性能優于水泥穩定碎石。若粉煤灰原料有凝固現象，在使用時應打碎或者過篩，并清除有害雜質，避免對使用性能造成不利影響。

目前粉煤灰在道路基層應用中面臨的主要問題有：使用粉煤灰材料鋪筑的路面基層常常出現收縮裂縫，這主要是因為粉煤灰和活化劑發生了水化反應，一些裂縫也會反射到瀝青面層造成表面破壞。目前還沒有切實可行的方法來減少或者避免這種混合料的收縮裂縫；粉煤灰發生水化時消耗混凝土中的Ca（OH）2，從而使混凝土的堿性降低，碳化深度增加，使混凝土耐久性降低[8-12]。

2.3 煤矸石的應用

煤矸石是指在煤礦建設、煤炭開采及加工過程中排放出的廢棄巖石，其主要成分是Al2O3、SiO2。煤矸石在道路工程中主要用于軟土地基處理、路基填筑，以及低等級公路的路面基層。

國外對煤矸石用于基層的研究早在第二次世界大戰以前就已經開始，到20世紀60年代后期，才真正引起人們重視，特別是英國等歐洲國家用石灰、水泥來穩定煤矸石取得了成功，并嘗試將自然煤矸石用于道路底基層；20世紀70、80年代，美國通過試驗研究發現，將粉煤灰煤矸石混合料用于道路基層在技術和環境方面是可行的，而且在用于道路基層、底基層也取得了成功。中國對煤矸石應用于基層的研究始于20世紀80年代，最初主要作為路基的填料，對路基進行加固。長安大學曾采用石灰、煤矸石與土混合后用于道路基層，充分發揮了煤矸石的優良性能。煤矸石提高道路基層的強度主要是通過自身強度和其活性成分與石灰發生的火山灰反應。此外，遼寧工程技術大學對自燃煤矸石加固土的性能進行了研究，通過水泥、自燃煤矸石、粉煤灰的合理配比，使7 d固土強度顯著提高，粉煤灰填料不僅有效地提高了基層強度，同時大量減少了煤矸石的堆積。現階段，將煤矸石用作道路基層材料已積累了一些經驗，應用技術也較成熟。但是將煤矸石用作固土材料還沒有在實際工程中得到廣泛應用，仍處于實驗室研究階段，今后對煤矸石的應用可以從道路基層建設的角度進一步研究。

目前煤矸石在道路基層應用時面臨的主要問題有： 煤矸石中的殘留煤、軟巖等組分會對路用性能產生不利影響，一定條件下殘留煤發生自燃、軟巖浸水后發生泥化以及一些化學分解等作用會使煤矸石的結構和密度發生改變，造成壓縮變形增大，同時使路面結構抗剪強度降低，承載力下降。另外，因為不同煤礦的形成原因不相同、生產煤矸石部位和方式不同，導致化學成分和特性也有明顯不同。因此，在用作路面基層材料時，要盡量選取燒失量小、有機質含量較少的煤矸石，避免在一定條件下發生基層材料破壞，從而影響路面結構的使用性能[13-17]。

2.4 鋼渣的應用

鋼渣是煉鋼廠生產鋼材后剩余的廢渣，主要是指存放一年以上平爐和轉爐鋼渣，其組分與普通波特蘭水泥熟料相似。鋼渣中含有大量的鐵，致密的孔隙結構使其成為一種硬質材料，可以用來代替碎石作為基層材料。目前，歐美、日本等發達國家的鋼渣利用率已接近100%，其中50%～60%用于筑路，而中國的鋼渣利用率還較低，主要應用于將鋼渣作為集料用于熱拌瀝青混合料。

美國賓西法尼亞運輸部研究發現，鋼渣的瀝青吸收率較高，作為集料使用經濟效益不太顯著，但是含有鋼渣的瀝青混合料具有良好的穩定性、耐磨性以及長時間的保熱性，有利于盡早壓實。目前美國一直在從事鋼渣水泥的研究，研究結果顯示，雖然鋼渣同普通波特蘭水泥熟料礦物組分相似，但因為游離氧化鈣的存在，鋼渣不太穩定。采用鋼渣粉煤灰道路基層材料代替常用的水泥穩定類基層材料不僅可大幅度節約工程成本，還可減少對天然土石料的開采。上海市政部門在20世紀60年代利用轉爐渣進行了道路基層和瀝青面層的試驗研究，積累了一些實踐經驗，但是因為當時鋼渣未做處理，鋼渣中游離氧化鈣成分比較高，造成體積不穩定，使鋼渣在道路中的應用受到了很大的限制。

目前鋼渣在道路基層應用中面臨的問題有：鋼渣具有一定的活性，如用作道路基層材料，應重點關注如何安全使用、解決鋼渣的穩定性問題；另外，在使用未加結合料的鋼渣作道路基層材料時，鋼渣一定要有合適的級配；鋼渣做基層材料的推廣方向要充分考慮，級配鋼渣做道路基層時，鋼渣膨脹將向約束最弱的方向發展，而城市道路兩側建筑物較多，可能會引起膨脹破壞[18-19]。

3 結 語

（1）目前中國道路基層使用的工業固體廢棄物主要為粉煤灰、煤矸石、尾礦等，而對廢玻璃、廢舊輕化工原料等工業固體廢棄物應用較少，如：將廢玻璃作為瀝青道路集料的研究，尾礦充填過程中大規模高效濃縮、充填料的制備、輸送和充填的成套裝備與技術研究；尾礦廢石骨料高性能低碳混凝土整體膠凝材料生產技術；鐵尾礦和廢石生產的優質建材原料原創性應用技術研究。

（2）工業固體廢棄物在道路基層中的應用降低了工業固體廢棄物的危害，節約了資源和能源，為道路建設創造了顯著的環保和經濟效益，有良好的發展前景。目前工業固體廢棄物在道路基層中的應用研究主要集中在粉煤灰、煤矸石、尾礦等典型工業固體廢棄物的摻量配比和路用性能上，但仍然面臨一些問題和挑戰。

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[責任編輯：黨卓鈺]