煤化工固體廢渣用于路面工程無機(jī)結(jié)合料試驗(yàn)研究

申鐵軍，汪曉勇

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

1 工業(yè)廢渣應(yīng)用背景

山西省煤炭資源極其豐富，煤化工企業(yè)數(shù)量多，以煤炭為原料通過化學(xué)加工生產(chǎn)石油、石化產(chǎn)品的工藝主要有：煤制烯烴、煤油共煉、煤直接液化、煤制乙二醇、煤間接液化。加工后形成的大量的工業(yè)固廢渣無處可用，盡數(shù)填埋的情況，在環(huán)保形勢高壓的局面下尤為突出。煤化工固體廢渣在資源化應(yīng)用過程中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，在系統(tǒng)研究項(xiàng)目周邊工業(yè)固廢排放情況與物理化學(xué)特性的基礎(chǔ)上，研發(fā)用于路面底基層、基層的代替碎石材料。

2 工業(yè)廢渣調(diào)查

本公路建設(shè)項(xiàng)目周圍地域面積約1 930 km2，周邊基礎(chǔ)工業(yè)主要有山西省陽城縣固隆鄉(xiāng)溝東煤礦、陽城北留煤炭火力發(fā)電廠、晉煤能源發(fā)電廠和位于沁水縣的順世達(dá)鑄造廠等。煤礦固體廢料主要是煤矸石，陽城縣北留煤炭火力發(fā)電廠主要固廢是粉煤灰，晉煤能源發(fā)電廠的主要固廢是爐渣，順世達(dá)鑄造廠的主要固廢是水渣。此外，爐渣生產(chǎn)地還有晉城市天澤集團(tuán)化肥廠(在李村村棄渣場，距離公路建設(shè)項(xiàng)目25 km，儲(chǔ)量約10萬方；高平市晉豐煤化工廠(距離公路建設(shè)項(xiàng)目17 km，儲(chǔ)量約10萬方)。煤矸石生產(chǎn)地還有高平市建寧鄉(xiāng)裕興煤業(yè)(距離公路建設(shè)項(xiàng)目15 km，儲(chǔ)量約10萬方)；高平市高良村煤礦(距離公路建設(shè)項(xiàng)目19 km，儲(chǔ)量約5萬方。各類固廢的儲(chǔ)量及價(jià)格的詳情見表1。

表1 項(xiàng)目周邊主要固廢一覽表

3 煤化工固體廢渣試驗(yàn)方案

(1)煤矸石與碎石的摻配比例按照其混合料的壓碎值指標(biāo)確定。確定了摻配比例后根據(jù)無機(jī)結(jié)合料擊實(shí)試驗(yàn)計(jì)算出混合料的最佳含水率和最大干密度，然后在根據(jù)無機(jī)結(jié)合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)計(jì)算出混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度判定混合料配比是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)給定爐渣在混合料中的摻量分別為5%、10%、15%，分別對(duì)上述摻量的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判定爐渣在混合料中的最佳摻量。

(3)水渣試驗(yàn)方法與爐渣相同。

4 煤化工固體廢渣試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 水泥粉煤灰穩(wěn)定材料中摻入煤矸石試驗(yàn)

(1)原材料試驗(yàn)

①篩分試驗(yàn)：20%煤矸石和80%碎石按照比例參配后的合成級(jí)配見表2。

表2 20%煤矸石和80%碎石按照比例摻配合成級(jí)配

②壓碎值試驗(yàn)

根據(jù)JTG E42-2005試驗(yàn)規(guī)程，煤矸石和碎石按照比例參配混合料的壓碎值試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 煤矸石和碎石按照比例參配混合料的壓碎值

依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》JTG/T F20-2015中對(duì)于粗集料壓碎值的技術(shù)要求，20%煤矸石+80%碎石這一配比的壓碎值指標(biāo)符合規(guī)范要求，故而選用這一配比做混合料試驗(yàn)。

(2)混合料試驗(yàn)

本試驗(yàn)的水泥粉煤灰穩(wěn)定材料水泥選用P.C 42.5牌號(hào)，水泥摻量4%，水泥和粉煤灰比例為1∶3，礦料配比為10～30∶10～20∶5～10∶0～5∶煤矸石=20∶22∶15∶23∶20，根據(jù)JTG E51-2009規(guī)范中的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)，計(jì)算出混合料的最大干密度為2.192 g/cm3，最佳含水率為5.7%。混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)上表的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值為3.8 MPa，變異系數(shù)為8.68，Rc0.95=3.3。試件浸水后高度增長最大為0.1 mm，完全符合相關(guān)要求。

4.2 水泥粉煤灰穩(wěn)定材料中摻入爐渣試驗(yàn)

(1)原材料試驗(yàn)

①篩分

爐渣和碎石按比例摻配后的篩分結(jié)果見表5。

表5 爐渣和碎石按比例摻配后的篩分結(jié)果

②壓碎值

依據(jù)JTG E42-2005試驗(yàn)規(guī)范，計(jì)算出爐渣各粒級(jí)的壓碎值數(shù)值如表6，并且得出爐渣壓碎值指標(biāo)。

表6 爐渣壓碎值試驗(yàn)指標(biāo)

(2)混合料試驗(yàn)

本試驗(yàn)的水泥粉煤灰穩(wěn)定材料水泥選用P.C 42.5牌號(hào)，水泥摻量4%，水泥和粉煤灰比例為1∶3，爐渣的摻量分別為5%、10%、15%，對(duì)上述三種摻量混合料分別做擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表7所示。

表7 爐渣三種摻量混合料試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.3 水泥粉煤灰穩(wěn)定材料中摻入水渣試驗(yàn)

(1)原材料試驗(yàn)

表8 水渣和碎石按比例摻配后的篩分結(jié)果

(2)混合料試驗(yàn)

本試驗(yàn)的水泥粉煤灰穩(wěn)定材料水泥選用P.C 42.5牌號(hào)，水泥摻量4%，水泥和粉煤灰比例為1∶3，水渣的摻量分別為5%、10%、15%，對(duì)上述三種摻量混合料分別做擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表9。

表9 水渣三種摻量混合料試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.4 混合料指標(biāo)分析

根據(jù)4%水泥用量，水泥粉煤灰比例為1∶3，按一定比例摻入煤矸石、水渣、爐渣的混合料強(qiáng)度指標(biāo)分析，按照以下情況，再根據(jù)各材料儲(chǔ)備量和成本核算綜合確定合理摻量。

(1)摻入煤矸石的水泥穩(wěn)定材料強(qiáng)度比水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石強(qiáng)度偏低17.5%，主要原因?yàn)槊喉肥瘔核橹灯汀Ｃ喉肥退槭壤秊?0∶80，混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值為3.8 MPa，變異系數(shù)為8.68，Rc0.95=3.3。試件浸水后高度增長最大為0.1 mm，可以初步判定加入煤矸石的混合料溫縮、干縮和水泥穩(wěn)定碎石基本接近，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)摻入爐渣的強(qiáng)度高于水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石，強(qiáng)度提高36%左右，且摻量多少對(duì)強(qiáng)度影響不明顯，考慮混合料拌合均勻性，建議摻量10%～15%。

(3)摻入水渣的強(qiáng)度高于水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石，強(qiáng)度提高5%～65%，且摻量越大強(qiáng)度提高越小，考慮混合料拌合均勻性，建議摻量5%～10%。

5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

按照各材料比例和單價(jià)對(duì)混合料成本價(jià)比較見表10。

表10 摻入各工業(yè)廢渣綜合價(jià)對(duì)比表

從上表可以看出，摻20%煤矸石經(jīng)濟(jì)節(jié)約最大。

6 工業(yè)固體廢渣基層路用性能評(píng)價(jià)

(1)水泥穩(wěn)定煤化爐渣基層在山西老爺山-屯絳水庫三級(jí)公路推廣應(yīng)用16 km，距今已12個(gè)月的齡期，鋪筑的路面基層施工性能良好且強(qiáng)度滿足要求，無溫縮、干縮裂縫以及鼓包、膨脹現(xiàn)象實(shí)踐證明：對(duì)爐渣的化學(xué)成分與礦物組成、物理力學(xué)性能、路用性能、環(huán)保性能的分析是科學(xué)合理的；各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)以及體積穩(wěn)定性、防水抗凍性經(jīng)過詳細(xì)分析與反復(fù)論證，是可以大面積規(guī)模化應(yīng)用的。不同齡期鉆芯強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 不同齡期鉆芯強(qiáng)度試驗(yàn)

(2)該試驗(yàn)路段鋪筑瀝青面層后已經(jīng)開放交通300 d，在鋪筑面層前及通車后持續(xù)觀測了水泥穩(wěn)定氣化爐渣基層的強(qiáng)度變化以及路面的情況。水泥穩(wěn)定氣化爐渣基層采用常規(guī)灑水養(yǎng)生方式養(yǎng)護(hù)，未產(chǎn)生任何早期干縮、溫縮裂縫；在交通載荷下，強(qiáng)度正常發(fā)展，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象；2019年入冬以來(項(xiàng)目所在地冰凍線約1.1 m)也未出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，路面平整無反射裂縫出現(xiàn)，初步表明水泥穩(wěn)定氣化爐渣基層抗干縮、抗溫縮、抗凍效果良好，在交通載荷的作用下，路面行車質(zhì)量、路面承載能力、結(jié)構(gòu)完整性等路用性能均表現(xiàn)正常。

7 結(jié)束語

針對(duì)工業(yè)固廢大量排放、綜合利用難度大、環(huán)保形勢高壓等問題，結(jié)合砂石材料供應(yīng)緊張的現(xiàn)實(shí)問題，通過對(duì)工業(yè)廢渣綜合利用，努力實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、清潔能源、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，為解決山西煤化工資源二次利用作出了有益的探索，走出了一條綠色與施工相結(jié)合的新道路。