煤氣化爐渣路面基層材料研究與應用

高 鵬 李慶宏 田建平 周明凱 陳 瀟

(武漢理工大學硅酸鹽國家重點實驗室1) 武漢 430070) (山西路橋建設集團有限公司2) 晉城 048000)(華新水泥股份有限公司研發中心3) 武漢 430070)

0 引 言

煤炭氣化產物可用于煤基化學品合成、液體燃料合成、發電、制氫[1]，氣化過程中殘炭、灰分、添加劑形成固態殘渣，經冷卻后形成煤氣化爐渣.按照固體與氣體接觸狀態的不同，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(以下簡稱煤氣化爐渣)是一種灰黑色輕質多孔粒狀材料，有研究表明：煤氣化爐渣可用于制備輕質隔墻板、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行處置，處置成本高，占用土地，且對環境有潛在危害性.與此同時，路面工程建設需要大量天然砂石集料，而如今砂石緊缺、價格飆升，在一定程度上制約了公路建設的發展，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，可大大節約公路建設成本.

文獻[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固廢可用于修筑路面基層或底基層，但并未提出上述工業固廢類基層材料的配合比設計方法、施工技術與質量控制方法.另外，與常規天然碎石相比，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強度降低、抗凍性惡化的問題，為此，文中在分析煤氣化爐渣基本特性的基礎上，探討了水泥劑量、集料集配、粉煤灰摻量等因素對水泥穩定類煤氣化爐渣路面基層材料力學性能的影響規律，通過研究煤氣化爐渣路面基層材料長期力學性能、抗凍性以及工程應用，論證了煤氣化爐渣路面基層材料在公路工程中應用的技術可行性.

1 試驗概況

1.1 原材料

1) 水泥采用山西“P·S·B·32.5礦渣硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表1.

表1 水泥物理力學性能

2) 粉煤灰取自山西某熱電廠，其化學成分及理化性能見表2～3.

表2 粉煤灰化學成分

表3 粉煤灰理化性能 %

1.2 實驗方法

采用文獻[9]的方法對集料的壓碎值、吸水率等指標進行檢測，根據文獻[10]進行重型擊實試驗，求出最大干密度與最佳含水率，以97%的壓實度成型直徑×厚度為150 mm×150 mm試件，并進行不同齡期(7，28，90，180 d)無側限抗壓強度、劈裂強度測定，以及凍融試驗.Rid為齡期為i天時95%保證率下的無側限抗壓強度代表值.

2 煤氣化爐渣特性

煤氣化爐渣取自山西長治某煤化工企業，化學成分及XRD分析圖譜見表4和圖1.

表4 煤氣化爐渣的化學組成

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 ℃左右形成的莫來石和鈣長石、無定型的玻璃體，以及未參與反應的殘炭等性質穩定的礦相組成.堆場煤氣化爐渣經過數十年的風化和雨水沖刷，仍保持初排渣時具有的粒徑，表明煤氣化爐渣和煤矸石等具有天然巖石風化特征的固廢不同，基本不會出現崩解等問題.

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三個粒級的集料，并測定了煤氣化爐渣粗集料的壓碎值、針片狀含量及細集料顆粒級配，并與文獻[9]對基層材料粗細集料的要求進行對比；同時對比了煤氣化爐渣集料和傳統天然集料的物理性能，見表5～6.

表5 煤氣化爐渣集料特性與標準對比 %

表6 煤氣化爐渣集料與砂石集料物理性質對比

對比結果表明：煤氣化爐渣壓碎值較高，約為40%，達到路面基層集料壓碎值的上限；煤氣化爐渣粗集料、細集料松方密度較天然粗、細集料分別低35%、28%；煤氣化爐渣粗、細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，這是因為煤炭氣化過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.

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，在水泥穩定碎石體系中常用的控制水泥劑量不變進行其他變量的探討在水泥穩定煤氣化爐渣中不適用，比如，水泥穩定碎石6%水泥劑量與水泥穩定煤氣化爐渣9%水泥劑量對應的每壓實方水泥用量相同.水泥穩定碎石水泥劑量4%時水泥用量約為96 kg/m3，因此在本小節中，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傳統水泥穩定碎石擊實結果與抗壓強度的影響，見圖2.其中，摻量30%時煤氣化爐渣只代替細集料，70%時煤氣化爐渣代替細集料與5～15 mm碎石，100%時煤氣化爐渣全部代替砂石集料，且設計結構均為懸浮密實型.

圖2 煤氣化爐渣不同摻量擊實曲線與抗壓強度對比

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%的結論相對應.

2) 煤氣化爐渣的摻入會導致混合料抗壓強度降低，爐渣摻量100%時強度較不摻爐渣降低21%，但仍可達到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大量破碎，其強度也應隨之提高，這也是研究煤氣化爐渣級配、粉煤灰摻量、水泥劑量對集料受壓破碎程度及混合料抗壓強度影響的主要動因.

3.2 煤氣化爐渣級配

固定煤氣化爐渣摻量100%，調整煤氣化爐渣粗細集料的比例，形成級配1、級配2、級配3三種逐漸細化的水泥穩定煤氣化爐渣級配，并在級配2中摻入了10%的粉煤灰形成級配4，研究集料級配、粉煤灰摻入對集料破碎程度及混合料密實度、抗壓強度的影響，見圖3～4和表7.其中，集料破碎程度通過靜壓成型前后混合料級配變化程度表征.

圖3 不同煤氣化爐渣集料級配

圖4 不同結構類型水泥(粉煤灰)穩定煤氣化爐渣受壓后級配變化

表7 不同級配水泥穩定煤氣化爐渣性能比較

由圖4a)～c)級配變化情況可知，隨著粗細集料比不斷降低，即級配逐漸從骨架密實結構向懸浮密實結構過渡，受壓前后混合料級配變化逐漸降低，圖4b)和圖4d)的對比顯示摻入粉煤灰能進一步降低混合料受壓級配變化程度；由表7可知，隨著煤氣化爐渣集料級配從骨架密實結構逐漸向懸浮密實結構過渡，混合料干密度增大，抗壓強度增加24%；從級配3和級配4的對比可知，添加10%粉煤灰混合料干密度最大，抗壓強度較不摻粉煤灰提高35%.

總體來說，采用懸浮密實型級配或者摻入粉煤灰，可提高水泥穩定煤氣化爐渣密實度，降低集料受壓破碎程度，從而提高混合料強度，當然粉煤灰的作用有多個方面，可通過對比不同粉煤灰摻量對水泥穩定煤氣化爐渣性能影響進行研究.

3.3 粉煤灰摻量

固定集料級配為級配2，分別采用10%，20%，30%粉煤灰等量取代煤氣化爐渣集料，探討粉煤灰摻量對水泥粉煤灰穩定煤氣化爐渣基層的最大干密度與力學性能的影響規律，見圖5.

圖5 粉煤灰摻量對水泥穩定煤氣化爐渣最大干密度與抗壓強度的影響

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%時達到最大值；由圖5b)可知，粉煤灰摻量10%，20%，30%時混合料28d抗壓強度分別提高22%，50%，19%.

煤氣化爐渣表面結構粗糙，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部細微孔隙，提高水泥穩定煤氣化爐渣的密實度；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，在水泥的激發下形成相比水泥穩定煤氣化爐渣更多的膠凝產物.粉煤灰摻量10%時結構最密實，粉煤灰摻量20%時混合料抗壓強度最高，這種不一致性進一步驗證了粉煤灰的物理填充致密、緩沖作用與化學膠結作用共同發揮，實現混合料抗壓強度的提高，適宜的摻量區間應為10%～20%.

3.4 水泥劑量

固定集料級配為級配2、級配4，探究不同水泥劑量對水泥穩定煤氣化爐渣和水泥粉煤灰穩定煤氣化爐渣抗壓強度的影響，見圖6.

由圖6可知，水泥(粉煤灰)穩定煤氣化爐渣的抗壓強度隨著水泥劑量增加基本呈線性增長趨勢，在水泥劑量從5.5%到9%范圍內，水泥穩定煤氣化爐渣抗壓強度可達2.2～5.4 MPa，水泥粉煤灰穩定煤氣化爐渣可達3.2～6.8 MPa，基本可以滿足文獻[10]中各等級公路基層材料強度的要求.

圖6 水泥劑量對水泥(粉煤灰)穩定煤氣化爐渣抗壓強度的影響

3.5 長期力學性能與耐久性

劈裂強度可表征水泥穩定類基層的抗拉特性，凍融循環試驗可模擬北方冰凍消融溫度變化，以評價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，對比了水泥穩定碎石，水泥穩定煤氣化爐渣和水泥粉煤灰穩定煤氣化爐渣(粉煤灰摻量10%)的不同齡期抗壓強度，劈裂強度及28 d抗凍性，見表8.

表8 不同水泥穩定材料長期性能與耐久性

由表8可知：

1) 從抗壓強度發展來看，水泥(粉煤灰)穩定煤氣化爐渣和水泥穩定碎石相同，90 d齡期時抗壓強度和劈裂強度發展基本穩定.同水泥劑量下，水泥穩定煤氣化爐渣各齡期抗壓強度均小于水泥穩定碎石，摻入粉煤灰后各齡期抗壓強度增長超過20%，大于水泥穩定碎石；水泥穩定煤氣化爐渣90 d劈裂強度較水泥穩定碎石低24%，添加粉煤灰后劈裂強度增長率達45%，超過水泥穩定碎石；表明添加粉煤灰水泥穩定煤氣化爐渣的抗壓強度和抗拉強度均顯著提高.

2) 從抗凍性指標來看，水泥穩定煤氣化爐渣抗凍性較水泥穩定碎石提高13%，可達94.1%，添加粉煤灰后，抗凍性可提高至99.1%，即在零下18 ℃的凍結溫度下凍融5個循環抗壓強度基本不降低，這是因為煤氣化爐渣顆粒內部有大量閉孔及被封閉通孔存在，降低了材料的導熱系數，所以水泥穩定煤氣化爐渣具有優良的保溫抗凍性；而粉煤灰的加入一方面提高基體強度，凍脹約束力增強；另一方面，添加粉煤灰后基層材料結構更為致密，水分所占孔隙體積減小，從而降低了凍脹發生的概率，所以粉煤灰的添加使得其抗凍性得到進一步提高.

4 煤氣化爐渣路面基層材料工程應用研究

為研究煤氣化爐渣路面基層材料的施工特性和路用性能，在山西省長治市屯留縣縣城-老爺山-屯絳水庫旅游公路K7+950—K8+050修筑了100 m水泥粉煤灰穩定煤氣化爐渣路面基層試驗段(粉煤灰摻量10%)，在晉城市太行一號國家風景道高平段K5+900—K6+100修筑了200米水泥穩定煤氣化爐渣路面底基層試驗段，混合料均采用懸浮密實結構，同時為降低集料碾壓時破碎的概率，振動壓路機開啟輕振模式進行碾壓.對碾壓前后混合料進行了級配還原試驗，結果見圖7，最后對試鋪段進行了鉆芯取樣檢測，不同齡期芯樣外觀及抗壓強度結果見圖8.

圖7 煤氣化爐渣路面基層試驗段碾壓前后集料級配變化情況

圖8 試驗段不同齡期鉆芯取樣外觀及抗壓強度

工程試驗表明：

1) 采用懸浮級配，在輕幅振動的碾壓工藝下煤氣化爐渣路面基層材料壓實度也可達到98%～100%，表層粗集料有受壓破碎現象發生，但碾壓后混合料級配還原結果顯示級配變化率很小，添加粉煤灰灰后級配變化更小，表明通過級配調整、添加粉煤灰，輔以輕振碾壓的施工方式，可實現煤氣化爐渣集料防壓碎.

2) 水泥穩定煤氣化爐渣基層7 d芯樣抗壓強度可達5.0 MPa，水泥粉煤灰穩定煤氣化爐渣7 d芯樣可達6.2 MPa，表明煤氣化爐渣路面基層材料強度可滿足各等級公路基層材料強度要求；

3) 水泥粉煤灰穩定煤氣化爐渣路面基層試驗段鋪筑時施工氣溫5 ℃，7 d鉆芯取樣強度6.0 MPa，且經歷了冬季零下15 ℃的冰凍，春季消融后未見凍融破壞現象，而90 d強度增長至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 論

1) 煤氣化爐渣主要成分為莫來石、鈣長石、無定型玻璃體及殘炭，性質穩定；煤氣化爐渣集料壓碎值高達40%，吸水率可達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，會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7 d無側限抗壓強度降低21%.

2) 采用懸浮密實結構、添加粉煤灰可防止煤氣化爐渣受壓破碎，提高混合料密實度，從而提高煤氣化爐渣路面基層材料的抗壓強度，粉煤灰摻量宜為10%～20%.通過調整水泥劑量，其7 d無側限抗壓強度可調整至2.2～6.8 MPa，滿足各等級公路基層強度要求.

3) 煤氣化爐渣路面基層設計齡期宜為90 d，無論是抗壓強度還是劈裂強度，都呈現水泥粉煤灰穩定煤氣化爐渣最優，水泥穩定碎石次之，水泥穩定煤氣化爐渣較差的規律，水泥及水泥粉煤灰穩定煤氣化爐渣的抗凍性均明顯高于水泥穩定碎石.

4) 工程實踐表明：采用懸浮密實結構、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，試驗段的壓實度和強度可滿足高速公路和一級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良的抗凍性.