粉煤灰在道路工程中的應用研究進展

摘要：粉煤灰是煤在生產利用過程中產生的工業(yè)固體廢物，處置不當不僅會污染環(huán)境，還會占據大量土地資源。目前，粉煤灰的資源化利用主要包括改良土壤、制作肥料以及制造建材。已有研究表明，粉煤灰在道路工程中具有良好的應用前景。為顯著提高粉煤灰的利用率，急需開展粉煤灰在道路工程中的應用研究。對已有研究成果進行綜述是進一步深入研究的前提。本文結合粉煤灰的物化性質，綜述粉煤灰在道路工程中的應用研究現(xiàn)狀及應用方法，指出目前研究存在的不足，并提出進一步研究的建議與展望，為粉煤灰在道路工程中的資源化利用提供參考。

關鍵詞：粉煤灰；物化性質；道路工程；應用研究

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）04-00-06

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.04.022

Research Progress on the Application of Fly Ash in Road

Engineering

SUN Mengmeng， WU Libo， CAO Jinsheng

（School of Civil and Hydraulic Engineering， Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract： Fly ash is an industrial solid waste generated during the production and utilization of coal， improper disposal not only pollutes the environment， but also occupies a large amount of land resources. At present， the resource utilization of fly ash mainly includes improving soil， making fertilizers， and manufacturing building materials. Previous studies have shown that fly ash has good application prospects in road engineering. In order to significantly improve the utilization rate of fly ash， it is urgent to carry out research on the application of fly ash in road engineering. A review of existing research results is a prerequisite for further in-depth research. Based on the physicochemical properties of fly ash， this paper summarizes the current research status and methods of its application in road engineering， points out the shortcomings of current research， and proposes suggestions and prospects for further research， thus providing reference for the resource utilization of fly ash in road engineering.

Keywords： fly ash; physicochemical properties; road engineering; application research

煤炭作為當今世界的主要能源之一，具有成本低、易獲取的特點[1]，在未來一段時間內仍將是我國的主要能源。但是，煤炭開采和使用過程中不可避免地產生粉煤灰，若粉煤灰處置不當，則會污染環(huán)境，占據大量土地資源[2]。隨著煤炭生產量和使用率不斷提高，粉煤灰排放量也在不斷增大。目前，粉煤灰綜合利用率基本保持在67%左右，但在某些地區(qū)粉煤灰的綜合利用率仍然很低[3]。近年來，我國越來越重視各類工業(yè)固廢的資源化利用研究，其中粉煤灰在礦井填充、建材制備、土壤改良和金屬回收等方面已經取得不錯的成就，但其經濟利用性還遠遠不夠。目前，我國道路工程建設急缺合適的料源，將粉煤灰應用在道路工程中有著極為廣闊的前景，粉煤灰在道路工程中的資源化利用技術總體水平較低，我國要加快粉煤灰在道路工程中資源化利用的基礎理論和技術研發(fā)，不斷提高工業(yè)固體廢物綜合利用率[4]。

目前，火力發(fā)電站每年產生的粉煤灰接近4億t，而且還有近20億t的堆存量[5]。為提高粉煤灰的綜合利用率，許多單位對粉煤灰在道路工程中的應用進行研究。隋淑梅等[6]研究表明，粉煤灰可用作路堤填料和路床填料，合理利用粉煤灰有利于路基的穩(wěn)定；Woszuk等[7]研究表明，粉煤灰可替代傳統(tǒng)石灰石填料制備混合瀝青，且所制備混合瀝青的孔隙率、耐水性和抗凍性均符合相關標準；成高勇等[8]研究表明，固化后的粉煤灰材質輕，具有良好的耐久性、穩(wěn)定性、和易性及整體性，便于施工，可作為三背（橋、涵背、錐坡的臺背）回填替代材料，用于市政道路工程中不規(guī)則形狀的溝槽。李樹軍[9]研究表明，粉煤灰屬于火山灰材料的一種，能與氫氧化鈉在某些條件下發(fā)生化學反應，粉煤灰、土和石灰按一定比例加水混合，會改善配料的強度、水穩(wěn)定性、抗凍性和溫縮性，只要控制好粉煤灰含量，就可將粉煤灰應用到道路基層及路堤填筑中。因此，粉煤灰在道路工程中的應用存在可行性，將粉煤灰應用到道路工程中是充分利用粉煤灰的有效途徑之一，具有明顯的社會效益和環(huán)境效益。本文結合粉煤灰的物化性質，對粉煤灰在道路工程中的應用研究現(xiàn)狀及應用方法進行綜述，指出目前研究存在的不足，并提出進一步研究的建議與展望，為粉煤灰在道路工程中的資源化利用提供借鑒。

1 粉煤灰的物化性質

粉煤灰是指被磨細后的煤炭粉進入鍋爐燃燒后，其中的細灰顆粒隨氣流進入煙囪之前，被過濾并送進灰倉的那一部分。煤的來源、煤的燃燒程度、煤的磨細程度及過濾灰的方式都會決定粉煤灰的性質[10]。粉煤灰形貌的掃描電鏡圖像如圖1所示[11]。經觀察，粉煤灰為直徑0.3～0.5 μm的球狀微粒，表面凹凸不平，具有球形顆粒特征，組織疏松，其滲透性良好，A12O3浸出反應容易發(fā)生，因此它可以廣泛應用到道路工程和氧化鋁提取工藝中[12]。在物相組成方面，粉煤灰礦物組成多為非晶態(tài)的無定型狀態(tài)，晶相物質以3A12O3·2SiO2和A12O3為主，含量分別約為45%和25%，這主要是由燃煤中常見的黏土礦物經高溫燃燒發(fā)生結晶相變生成的[13]。

國內外某些地區(qū)粉煤灰的主要物化指標如表1所示[10]。由表1可知，雖然粉煤灰的物化性質隨燃煤的來源、燃燒程度、燃燒方式和收集方式的不同而有所不同，但其主要成分都是SiO2和Al2O3，兩者共占粉煤灰化學成分總量的70%以上。粉煤灰含有鈣、硅、鋁等成分，它們之間常常發(fā)生凝硬作用，會增加粉煤灰的強度并降低其壓縮性。當粉煤灰與水泥、石灰混合后，粉煤灰含有的SiO2和Al2O3會與水泥、石灰中的Ca（OH）2發(fā)生活性效應。粉煤灰的孔隙率也是一項重要指標，粉煤灰的孔隙率大小決定其滲透性，而粉煤灰的滲透性對道路工程中路堤的壓實度和穩(wěn)定性等力學性能起到關鍵影響。陳愈烔等[10]通過對國內有關試驗的總結，得出國內粉煤灰的滲透系數(shù)約為10-4 cm/s。粉煤灰的粒徑分布也會決定其滲透性，徐濤等[14]利用激光粒度儀對粉煤灰粒徑分布進行測定，得出約75%顆粒的粒度分布在1～40 μm。

2 粉煤灰在道路工程中的應用

2.1 應用研究現(xiàn)狀

王將軍[15]發(fā)現(xiàn)，石灰和硅酸鹽水泥的摻比為3%～4%，粉煤灰比例為10%～12%，并以石灰和水泥作為穩(wěn)定劑、碎石和砂作為集料時，最終混合材料的強度為13.78～17.91 MPa，作為柔性路面的基層可保持20年的優(yōu)良使用壽命。李曙龍等[16]通過研究堿激發(fā)粉煤灰摻量對水泥穩(wěn)定再生集料路用性能的影響發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量為25%的試件路用性能最佳，并將其應用到試驗路段中測試，相關性能指標均滿足高等級公路底基層設計要求。王東明等[17]研究表明，采用粉煤灰和硅烷制備的自分散顆?？商岣呋炷恋?8 d抗壓強度，用硅烷改性過的粉煤灰比普通粉煤灰更適合應用在超高性能混凝土中。Ruengsillapanun等[18]將高鈣粉煤灰作為粘結劑，在硅酸鈉（Na2SiO3）和氫氧化鈉（NaOH）兩種堿性激發(fā)劑作用下，當Na2SiO3/NaOH（質量比）為0.5、NaOH濃度為2 mol/L時，堿活化粉煤灰混凝土抗壓強度達到最大值（27.5 MPa），熱演化比普通硅酸鹽水泥混凝土低2倍，堿活化粉煤灰是更好的路用材料。楊小龍等[19]用不同摻量粉煤灰代替普通礦料制備冷拌乳化瀝青混合料，結果發(fā)現(xiàn)，粉煤灰改性后的瀝青混合料剛度模量和蠕變勁度較未改性前均顯著提升，且路面抗變形能力、勁度模量、水穩(wěn)定性都有所增強。

毛明杰等[20]發(fā)現(xiàn)，當粉煤灰替代率為35%，水膠比為0.5，養(yǎng)護環(huán)境為絕濕養(yǎng)護時，粉煤灰替代細骨料的混凝土早期抗壓強度最優(yōu)。Zhang等[21]發(fā)現(xiàn)，初始應力損傷和高溫都會對粉煤灰混凝土抗凍融性能產生影響，當損傷度高于0.16時，抗凍融能力明顯下降，采用粉煤灰作為細骨料能夠降低高溫對混凝土抗凍融性能的影響。Zhang等[22]發(fā)現(xiàn)，凍融和碳化兩者相互影響，共同決定粉煤灰細集料混凝土的耐久性，并給出碳化對混凝土凍融損傷的影響系數(shù)計算方法，為多因素環(huán)境下水泥混凝土路面耐久性分析提供了理論依據。朱凱[23]通過研究大摻量粉煤灰對重交通混凝土路面性能的影響，發(fā)現(xiàn)當粉煤灰摻量為30%～40%時，早期強度較低，干縮范圍較大，但澆筑60 d后，抗折強度和抗凍性有一定增強，干縮幅度變緩，耐磨性能變化無規(guī)律。何世欽等[24]對混凝土凍融循環(huán)后進行氯離子滲透試驗，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對混凝土中氯離子的擴散影響明顯。彭艷周等[25]研究了粉煤灰摻量對混凝土抗凍性和抗?jié)B性的影響，發(fā)現(xiàn)當粉煤灰摻量為20%時，抗凍等級在F200以上，抗氯離子滲透性也較好，但隨著粉煤灰摻量的增大，路面抗水凍性能下降。

綜合上述文獻可知，粉煤灰在路面基層和底基層、地基處理、路基填筑、水泥混凝土路面、瀝青混凝土路面以及道路中需要大體積混凝土的方面都發(fā)揮非常大的作用。結合粉煤灰路用的環(huán)境效應和經濟價值可知，將粉煤灰用于道路工程中，可解決當前道路工程建設中原料緊缺的問題。粉煤灰應用在道路工程中時，要考慮它的抗壓強度、抗彎強度、彈性模量、承載強度、自恢復性、疲勞性能、抗凍融性和抗?jié)B透性等，這些性能有的相互影響，共同決定道路使用壽命。

2.2 應用方向

已有研究表明，普通粉煤灰可以代替砂石應用到道路工程基層中，但與天然道路原料相比，粉煤灰存在強度低、密度低、吸水性大等缺點，直接應用到路基、路面工程時，強度、抗裂性、和易性和水穩(wěn)定性等較差。將粉煤灰進行改性處理，可以提高路基與路面的早期強度、抗水損害性能和抗磨耗性能等。堿激發(fā)粉煤灰水泥穩(wěn)定再生集料可作為道路基層材料，可通過研究堿激發(fā)粉煤灰混凝土的抗壓強度、彈性模量、收縮性能和熱演化等來驗證其是否能達到道路基層材料要求。硅烷可在粉煤灰表面產生吸附行為，在孔溶液作用下產生脫附行為，可以用如硅烷一樣分散能力較強的化學外加劑來改性粉煤灰，相比單獨使用粉煤灰摻合料，將改性過的粉煤灰應用到道路工程中，性能更好。

高鈣粉煤灰中鈣含量較高，可以改善地聚合物的強度發(fā)展趨勢，促進其固化，可用再生瀝青混凝土骨料替代天然骨料制備高鈣粉煤灰地聚合物混凝土[26]，高鈣粉煤灰也可作為粘結劑代替普通硅酸鹽水泥應用到路面基層中。冷拌乳化瀝青混合料主要用于低車流量高速公路以及人行道路表面處理，單獨冷拌瀝青混合料力學性能和早期強度較差，孔隙率高且路面穩(wěn)定性差。研究表明，完全固化的粉煤灰可以作為冷拌瀝青混合料的填充材料，降低路面的孔隙率，改善冷拌瀝青混合料的力學性能，同時減少資源浪費，保護環(huán)境。

粉煤灰可代替混凝土細骨料作為混凝土路面材料。從活性效應來講，粉煤灰中的活性物質可以和水泥中的Ca（OH）2反應生成大量的硅酸凝膠，填充孔隙，增大混凝土的后期強度。從形態(tài)效應來講，粉煤灰具有減水作用，可以減少混凝土組成的微級配，增加混凝土的密實度，增大混凝土抗凍性和抗?jié)B性。從交互作用來講，粉煤灰、外加劑和水泥等骨料會發(fā)生物理、化學交互作用，比如，減水劑會吸附粉煤灰表面水分，隨粉煤灰的水化緩慢發(fā)生作用。

2.3 目前研究存在的不足

研究表明，改性粉煤灰摻料的性能要高于普通粉煤灰，但現(xiàn)如今改性粉煤灰在道路工程中的應用研究很少，而且研究并未給出改性材料的占比對粉煤灰路用性能的具體影響。高鈣粉煤灰與普通粉煤灰性質和使用特性不同，高鈣粉煤灰作為粘結劑代替普通硅酸鹽水泥，可能會引起堿活性混凝土的假凝結，導致現(xiàn)如今絕大多數(shù)道路應用的都是普通粉煤灰。

粉煤灰作為路面基層時，其發(fā)生水化反應，會導致路面產生裂縫，凍融循環(huán)和碳化也會造成寒冷地區(qū)路面產生裂縫和斷板，它們都會降低粉煤灰細骨料混凝土結構的耐久性，影響道路的使用壽命。裂縫的產生還和施工方式、養(yǎng)護有關。對于施工和養(yǎng)護階段產生的裂縫，可以通過控制切縫質量和切縫時間、灑水養(yǎng)護等措施減少裂縫的產生；對于粉煤灰混凝土自身結構性損壞而產生的裂縫，目前缺少控制這類裂縫出現(xiàn)的方法。

粉煤灰混凝土路面的耐久性受多方面因素影響，抗凍融性、抗碳化性、抗氯離子滲透性、耐磨性、早期強度等都是評判粉煤灰混凝土路面耐久性的重要指標。其中，早期碳化有利于增強混凝土路面的抗凍性，后期影響不詳[22]；凍融循環(huán)會導致混凝土路面內部損傷，增大和增多氯離子滲透的通道[24]，對混凝土路面的抗氯離子滲透性產生影響；初始應力損傷和高溫都會對混凝土路面抗凍性產生影響[21]；粉煤灰摻量、水膠比和養(yǎng)護環(huán)境共同影響混凝土路面的滲透性能、抗凍性能、耐磨性及早期強度[27]。因此，在研究道路耐久性時，僅考慮單一因素是不夠的，應考慮多因素相互作用下的耐久性。

目前，粉煤灰作為路面基層材料的研究多集中在抗碳化性和抗凍性，其滲透性、自恢復性和抗疲勞性的研究較少。相對于碎礫石基層、底基層材料，固化后的粉煤灰穩(wěn)定基層材料滲透性很低；粉煤灰作為基層材料，有通過內在機制合攏裂縫的自恢復能力；粉煤灰穩(wěn)定基層要承受車輪重復荷載作用，其抗疲勞性能要求較高。因此，要加強對粉煤灰滲透性、自恢復性和抗疲勞性的研究。

3 粉煤灰作為道路材料的要求、利用方式、利用方法及優(yōu)缺點

目前，粉煤灰已經應用于道路工程中，如路面基層、路基填充、水泥混凝土路面及瀝青混凝土路面。粉煤灰作為道路材料的要求、利用方式、利用方法和優(yōu)缺點如表2所示。粉煤灰是良好的路用材料，其利用方式和利用方法簡單，在道路工程中應用較廣；和普通粉煤灰相比，經物理或化學處理的粉煤灰可以改變自身性質，增加路基、路面的強度，是更好的路用材料；粉煤灰作為路用材料，運輸要求高，使用過程中要關注是否會產生環(huán)境污染。

4 結論

將粉煤灰應用在道路工程中既有利于保護環(huán)境，又能解決道路工程建設中原材料緊缺的難題。本文綜述了我國粉煤灰在道路工程中的應用，以推進相關研究，更好地將粉煤灰應用于道路工程中。從組成及微觀結構來看，粉煤灰含有豐富的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等成分，可以代替混凝土中的細骨料和膠凝材料廣泛應用于道路工程。另外，粉煤灰表面孔洞較多，呈球形顆粒，其結構疏松、滲透性較好，因此將粉煤灰合理應用在道路工程中可以改善道路耐久性。粉煤灰在路面基層和底基層、路面地基處理、路基填筑、路基處理、水泥混凝土路面、瀝青混凝土路面以及道路中需要大體積混凝土的方面都發(fā)揮非常大的作用。粉煤灰研究可集中在改性粉煤灰、高鈣粉煤灰、防止水化產生裂縫，其耐久性研究可集中在抗碳化、抗凍性、抗?jié)B性和自恢復性等方面。

粉煤灰用作道路工程中不同領域的材料時，其性質要求不同，粉煤灰的性質受原煤來源、燃煤方式等因素影響。目前，粉煤灰分類及分級利用并未細化，導致粉煤灰在道路工程中的應用研究進展緩慢。粉煤灰路用材料分類及分級利用還需要深入研究，政府可進行引導和投資，同時科研人員要加大研發(fā)力度，加強成本控制，完善工藝。粉煤灰可以應用于道路工程中，但目前國內相關應用研究較少，缺乏工程驗證，大部分研究集中在一般建筑材料。因此，要結合粉煤灰的理化性質，開展深入研究，將粉煤灰更好地應用在道路工程中，從而提高粉煤灰的資源利用率。

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