李曉東,滕逸偉,趙建寧,閆 升,楊建榮,賈小龍

(1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油分公司,銀川 750411;2.寧夏交通建設(shè)股份有限公司,銀川 750004;3.寧夏交建交通科技研究院有限公司,銀川 750004)

0 引 言

近年來,隨著我國公路建養(yǎng)項(xiàng)目的快速發(fā)展,道路工程鋪設(shè)量持續(xù)增加,砂礫土等基層材料供不應(yīng)求。此外,我國煤化工產(chǎn)能、產(chǎn)量保持世界第一,2021年我國生產(chǎn)原煤41.26億噸,化工用煤時(shí)每噸煤伴隨產(chǎn)生煤氣化爐渣20%,約8 252萬噸,年綜合利用量達(dá)2 250萬噸,綜合利用率約27.3%[1]。隨著“雙碳”政策與綠色發(fā)展理念的深入,原有固廢處置場不足以貯存每年新增的工業(yè)固廢,提高工業(yè)固廢利用率迫在眉睫。煤氣化爐渣(coal gasification slag, CGS)是煤與氧氣或富氧空氣在氣化爐中不完全燃燒產(chǎn)生的固態(tài)殘?jiān)?分為煤氣化粗渣和煤氣化細(xì)渣。若能將煤氣化爐渣替代部分砂石料用于道路基層建設(shè)中,不僅可以緩解砂石料的供應(yīng)問題,還可以減少煤氣化爐渣的貯存量,實(shí)現(xiàn)固廢資源化利用,從而提升道路工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

高鵬等[2]通過探究煤氣化爐渣、粉煤灰、水泥等集料的最佳配比,制備了一種路面基層材料,并對材料的長期力學(xué)性能與耐久性能進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣路面基層材料具有優(yōu)良的抗凍性。帥航等[3]采用X射線衍射、灰熔融性分析等方法研究了煤氣化爐渣的高溫相組成與黏溫特性,結(jié)果表明,隨溫度升高, 煤氣化爐渣逐漸熔融為非晶相。雷彤[4]對比分析了煤氣化粗渣與細(xì)渣的技術(shù)特性,并通過XRD、EDS、SEM分析了煤氣化爐渣與無機(jī)膠凝材料的硬化產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)煤氣化粗渣適用于半剛性基層材料,而煤氣化細(xì)渣則不適用。研究[5-7]表明,煤氣化爐渣、煤矸石等工業(yè)固廢可作為路面基層集料,且摻量越高,混合料最佳含水率越大,通過對比分析水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣及水泥穩(wěn)定碎石的長期力學(xué)性能及耐久性能,發(fā)現(xiàn)水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣路面基層材料抗凍性最佳,但干縮性能低于水穩(wěn)碎石材料?？蒲腥藛T[8-10]研究了水泥(粉煤灰)穩(wěn)定煤氣化爐渣的干縮性能及抗凍性,并對其有害元素浸出特性和重金屬淋濾特性進(jìn)行對比,揭示了煤氣化爐渣的環(huán)境屬性。在上述文獻(xiàn)中均研究了煤氣化爐渣基固廢協(xié)同利用及其本征特性,雖然對煤氣化爐渣作為水泥穩(wěn)定基層材料進(jìn)行了初步研究,但是尚未明確煤氣化爐渣對基層材料性能的綜合影響。

本文以煤氣化爐渣替代部分細(xì)集料制備水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣路面基層材料,通過對混合料擊實(shí)特性、力學(xué)性能、抗凍性與干縮性能的測試,確定水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣砂礫土的最佳配合比,驗(yàn)證其路用性能、長期穩(wěn)定性及環(huán)境性能,并對最佳配合比下混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行微觀分析,為公路建設(shè)中基層材料的選取提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 煤氣化爐渣

試驗(yàn)所用煤氣化爐渣為煤氣化粗渣,產(chǎn)自國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限公司,主要化學(xué)組成如表1所示。由表1可知,煤氣化爐渣以硅、鋁、鈣系氧化物為主,輔以鐵、鎂系等其他氧化物。

表1 煤氣化爐渣的主要化學(xué)組成

表2為煤氣化爐渣的粒徑分布及物理力學(xué)特性。由表2可知,煤氣化爐渣粒徑均在10 mm以下,其中粒徑分布在0～3 mm的占79.74%,具有細(xì)集料和細(xì)砂一般的級配。

表2 煤氣化爐渣的粒徑分布及物理力學(xué)特性

根據(jù)固體廢物再生利用污染防治技術(shù)導(dǎo)則要求[11],對于煤氣化爐渣等含有重金屬的工業(yè)固廢,為避免對環(huán)境及地下水產(chǎn)生影響,需檢測材料的金屬濃度,因此對銅(Cu)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、砷(As)、錳(Mn)、鋅(Zn)的濃度進(jìn)行了檢測[12],檢測結(jié)果見表3。

表3 重金屬浸出濃度檢測結(jié)果

從煤氣化爐渣的重金屬浸出濃度檢測結(jié)果看,重金屬浸出濃度遠(yuǎn)低于規(guī)范限制要求,水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣路面基層材料環(huán)境性能良好,因此可替代部分砂石料作為道路基層填料。

1.2 砂礫土

試驗(yàn)所用砂礫土為道路基層普通砂礫土填料,其天然含水率為3.2%,外觀呈深黃色。對砂礫土進(jìn)行篩分并繪制篩分曲線,如圖1所示,砂礫土的粒徑分布如表4所示,其粒徑分布在(0,10] mm占77.7%,而20 mm以上粒徑的占比僅為9.0%。根據(jù)式(1)對篩分后的砂礫土細(xì)度模數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得到MX=2.26,該砂礫土屬于中砂,級配良好。

(1)

式中:MX為砂的細(xì)度模數(shù);A0.15、A0.30、…、A4.75分別為0.15、0.30、…、4.75 mm篩上的累計(jì)篩余百分率,%。

煤氣化爐渣和砂礫土的XRD譜如圖2所示。由圖2可知,煤氣化爐渣及砂礫土均以硅、鋁、鈣系氧化物為主,煤氣化爐渣晶相主體為石英、鈣長石、莫來石及鉀長石,砂礫土晶相主體為石英、生石膏、明礬及白云石等。對比可知煤氣化爐渣及砂礫土中礦物組成大體相同,因此煤氣化爐渣具有部分替代砂礫土應(yīng)用于道路基層填料的可能。

圖2 煤氣化爐渣和砂礫土的XRD譜

1.3 水 泥

試驗(yàn)選用賽馬牌P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥,其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表5所示,主要化學(xué)組成如表6所示。

表5 水泥的性能指標(biāo)

表6 水泥的主要化學(xué)組成

1.4 試驗(yàn)方法與儀器

依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中T0804—1994要求,對混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),根據(jù)最佳含水率及最大干密度結(jié)果靜壓成型φ150 mm×150 mm圓柱形試件和100 mm×100 mm×400 mm的梁形試件。其中,干縮試驗(yàn)采用梁形試件,其余試驗(yàn)采用圓柱形試件。試驗(yàn)所用試件成型后包裹塑料薄膜,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度為25 ℃、相對濕度為95%)中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。利用捷克TESCAN MIRA LMS儀器進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀測,采用肖特基場發(fā)射電子槍,加速電壓為20 eV～30 keV;采用Ragiku Smartlab型X射線衍射儀分析物相組成。

試驗(yàn)方法參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)。其中,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)分別依據(jù)T0805—1994、T0806—1994、T0851—2009,試件養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、28、90 d。凍融循環(huán)試驗(yàn)依據(jù)T0858—2009進(jìn)行,試件養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。干縮試驗(yàn)依據(jù)T0854—2009進(jìn)行,在標(biāo)準(zhǔn)溫度與濕度下養(yǎng)護(hù)7 d后,在試件長軸端黏結(jié)有機(jī)玻璃片,并將千分表固定在收縮儀上。

1.5 配合比設(shè)計(jì)

將原材料煤氣化爐渣、砂礫土烘干備用,對煤氣化爐渣摻量為0%、20%、30%、35%、40%、60%、80%、100%下的基層混合料進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn),繪制擊實(shí)曲線并得到8組煤氣化爐渣、砂礫土混合料的最佳含水率與最大干密度,試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 基層混合料的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

以7 d養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為主要技術(shù)指標(biāo),以擊實(shí)試驗(yàn)最佳含水率為標(biāo)準(zhǔn),對上述8組配比分別在3%、4%、5%、6%、7%的水泥劑量下進(jìn)行交叉試驗(yàn),并對峰值配比下的5組試件進(jìn)行7、28、90 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試,探索養(yǎng)護(hù)齡期對水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣砂礫土強(qiáng)度的變化規(guī)律。試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖3(a)可知:在相同煤氣化爐渣摻量下,隨著水泥劑量的增大,試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增加;同一水泥劑量下,隨著煤氣化爐渣摻量的增加,試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢,且當(dāng)煤氣化爐渣摻量為30%時(shí),試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。

由于煤氣化爐渣中SiO2、Al2O3、CaO等活性物質(zhì)含量較高,在水泥水化作用下發(fā)生火山灰反應(yīng),對試件養(yǎng)護(hù)后的強(qiáng)度起到促進(jìn)作用,并且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長,試件的強(qiáng)度會緩慢增大(見圖3(b))。在水泥劑量大于5%且煤氣化爐渣集料摻量不超過40%時(shí),試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在3.0～4.0 MPa,可以滿足我國二級公路基層對重交通荷載條件下的要求[13]。

2.2 間接抗拉強(qiáng)度

間接抗拉強(qiáng)度又稱劈裂強(qiáng)度,可表征水泥穩(wěn)定類基層試件的抗拉特性。在滿足無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的7組配比中,選取煤氣化爐渣(CGFS)摻量為30%～40%、水泥劑量為6%～7%的配比進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖4為試件的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,通過對比劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣路面基層材料的劈裂強(qiáng)度逐漸增大,這是由于養(yǎng)護(hù)前期煤氣化爐渣混合料中的孔隙結(jié)構(gòu)促進(jìn)水泥膠凝材料的滲入,增大爐渣中活性物質(zhì)與水泥的水化反應(yīng),而90 d后的劈裂強(qiáng)度增長緩慢,這是由于水泥的水化反應(yīng)已反應(yīng)完全,對試件劈裂強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小。

圖4 試件的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

90 d齡期劈裂強(qiáng)度大于0.5 MPa的有三組,分別定義為A組(水泥劑量6%、煤氣化爐渣35%)、B組(水泥劑量7%、煤氣化爐渣35%)、C組(水泥劑量7%、煤氣化爐渣40%),這3組具有良好的抵抗橫向受力變形的能力,滿足規(guī)范中對公路路面水泥穩(wěn)定類基層材料的技術(shù)要求。

2.3 彎拉強(qiáng)度

彎拉強(qiáng)度又稱抗折強(qiáng)度,能反映材料單位面積承受彎矩時(shí)的極限折斷應(yīng)力。在滿足以上抗壓、抗拉強(qiáng)度的前提下,對A、B、C三組配比進(jìn)行彎拉強(qiáng)度測試,在萬能試驗(yàn)機(jī)上測試破壞極限荷載P,并采用3倍均方差剔除異常值,試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 三組試件的彎拉強(qiáng)度結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明,上述三組試件配合比均滿足水泥穩(wěn)定粒料彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范中彎拉強(qiáng)度大于1.5 MPa的要求[14]。對滿足上述三種力學(xué)性能指標(biāo)的配比進(jìn)一步開展耐久性能試驗(yàn),從凍融循環(huán)和干縮應(yīng)變兩個方面驗(yàn)證基層混合料的長期穩(wěn)定性。

2.4 凍融循環(huán)

凍融循環(huán)試驗(yàn)可模擬北方冰凍消融溫度變化對基層混合料耐久性能的影響,評估煤氣化爐渣在道路基層的抗凍性。對A、B、C三組配比進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),根據(jù)式(2)、(3)計(jì)算凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度損失比B及質(zhì)量變化率Wn,試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

(2)

式中:B為經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度損失比,%;RDC為n次凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度,MPa;Rc為對比試件的抗壓強(qiáng)度,MPa。

(3)

式中:Wn為n次凍融循環(huán)后的試件質(zhì)量變化率,%;m0為凍融循環(huán)前試件的質(zhì)量,g;mn為n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量,g。

通過表9中三組試件的凍融循環(huán)結(jié)果可知,三種方案配比中試件的整體性均較好,表面空隙較少,凍融后不會造成試件太大的體積膨脹或表面松散。經(jīng)5次凍融循環(huán)后,三組試件抗壓強(qiáng)度損失比分別為97.23%、94.97%、96.21%,質(zhì)量損失率均小于5%,C組煤氣化爐渣摻量最大,但質(zhì)量變化率及抗壓強(qiáng)度損失比略小于A、B組,這是由于煤氣化爐渣吸水較多,一定程度上加劇了試件的凍脹,但隨著煤氣化爐渣摻量增加,混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密,凍脹作用對試件的破壞程度降低。綜合分析可得,煤氣化爐渣摻量在35%～40%時(shí)試件的抗凍性最佳。

參考一、二級公路對水泥穩(wěn)定類基層材料的抗凍性技術(shù)要求,三種方案的抗壓強(qiáng)度損失比均符合規(guī)范要求。考慮大摻量應(yīng)用煤氣化爐渣及經(jīng)濟(jì)性的要求,從水泥劑量低且提升煤氣化爐渣用量的角度對A、C兩組試件進(jìn)行長期耐久性能檢測。

2.5 干縮試驗(yàn)

路面基層收縮裂縫的存在直接影響路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,導(dǎo)致行車舒適性下降,最終縮短路面使用壽命,因此對基層材料干縮性能的研究尤為重要。依據(jù)規(guī)范[15]對上述兩組配合比試件的長期耐久性能進(jìn)行干縮試驗(yàn),累積干縮量、累積干縮應(yīng)變與齡期之間的關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5 兩組試件累積干縮量隨齡期的變化

圖6 兩組試件累積干縮應(yīng)變隨齡期的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明,A、C兩組試件的累計(jì)干縮量隨齡期的增長逐漸趨于穩(wěn)定,180 d齡期時(shí)兩組試件的干縮量相差0.012 mm,累積干縮量均小于2.5 mm,說明兩組試件的配合比均具有長期穩(wěn)定性。由于水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣路面基層材料中前期水分散失較大,后期水分趨于平穩(wěn),水泥硬化過程中水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠減少,收縮變形趨于穩(wěn)定,故A、C兩組試件的累積干縮應(yīng)變量總體差較小,其變化速率隨時(shí)間的推移逐漸平緩。

3 微觀機(jī)理分析

基于上述試驗(yàn)研究,得到力學(xué)性能及耐久性能滿足路面基層材料的配合比A組(煤氣化爐渣摻量35%、水泥劑量6%)、C組(煤氣化爐渣摻量40%、水泥劑量7%)。C組配合比固廢摻量大,綜合利用率高,故選擇試件最佳質(zhì)量配比,即煤氣化爐渣和砂礫土的質(zhì)量比為40%∶60%的C組試件,制作長、寬小于等于1 cm、厚度小于等于1 cm的塊體樣品,觀察1～100 μm下試件斷面的微觀形貌,SEM照片如圖7所示。

圖7 不同齡期下C組試件的SEM照片

圖7(a)、(b)為3 d齡期下的煤氣化爐渣混合料水化產(chǎn)物,初期組織結(jié)構(gòu)存在海綿狀多孔殘?zhí)技爸旅艿那驙顭o定型玻璃相;圖7(c)、(d)為7 d齡期下的煤氣化爐渣混合料水化產(chǎn)物,多為鈣礬石(AFt)針棒狀晶體,伴隨放射狀、球形的鈣礬石簇,層狀、片甲狀晶體反應(yīng)不明顯;圖7(e)、(f)為28 d齡期下的煤氣化爐渣混合料水化產(chǎn)物,其中形貌不規(guī)則的相互交聯(lián)球形顆粒為C-S-H凝膠,層狀、板塊狀、片狀晶體為Ca(OH)2晶體。

從不同齡期混合料的水化產(chǎn)物微觀形貌分析可知,煤氣化爐渣中有較多的硅氧玻璃體活性物質(zhì),在水泥水化過程中形成堿性環(huán)境,煤氣化爐渣中大量硅氧四面體[SiO4]、鋁氧四面體[AlO4]相互連接,發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂、分解,進(jìn)而與水泥熟料發(fā)生反應(yīng)形成Ca(OH)2、C-S-H凝膠等產(chǎn)物,且煤氣化爐渣形成過程中大顆粒熔融體結(jié)構(gòu)致密,部分無定型玻璃體的火山灰效應(yīng)被激發(fā),與水泥共同水化,水化產(chǎn)物相互交錯,因此煤氣化爐渣與無機(jī)膠凝材料的水化產(chǎn)物強(qiáng)度較大、穩(wěn)定性良好,可在半剛性基層材料中應(yīng)用。

不同摻量水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣路面基層材料XRD譜如圖8所示。由圖8可知,水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣基層混合料主要水化產(chǎn)物為水化硅鋁酸鈣(C-A-S-H)、C-S-H凝膠、Ca(OH)2以及AFt,水化產(chǎn)物與SEM照片相對應(yīng)。隨著煤氣化爐渣摻量從0%升高到30%,XRD譜中主要水化產(chǎn)物的峰值明顯升高,當(dāng)煤氣化爐渣摻量升至70%時(shí),C-S-H凝膠及AFt衍射峰強(qiáng)度明顯降低,這是因?yàn)槊簹饣癄t渣疏松多孔、吸水多,阻礙了水泥充分水化,使水化產(chǎn)物生成量呈先增后減的趨勢,這與前文煤氣化爐渣摻量為30%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值形成鮮明對比。

圖8 不同摻量水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣路面基層材料XRD譜

4 結(jié) 論

1)通過配合比設(shè)計(jì),水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣砂礫土基層材料A組(水泥劑量6%、煤氣化爐渣35%)、B組(水泥劑量7%、煤氣化爐渣35%)、C組(水泥劑量7%、煤氣化爐渣40%)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足二級公路基層材料在重交通荷載情況下的3.0 MPa強(qiáng)度要求,并且隨著齡期的增長,其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也逐步提升。

2)對滿足基本力學(xué)強(qiáng)度要求的7組試件進(jìn)行間接抗拉強(qiáng)度測試,其中A、B、C三組試件抗拉強(qiáng)度均大于0.5 MPa,彎拉強(qiáng)度超過1.5 MPa,因此A、B、C三組力學(xué)性能穩(wěn)定,具有良好的抵抗豎向變形能力。

3)通過凍融循環(huán)試驗(yàn),三組配比下試件的質(zhì)量損失率小于5%、抗壓強(qiáng)度損失比大于90%,且煤氣化爐渣摻量在40%時(shí)抗凍性最優(yōu);干縮試驗(yàn)表明A、C兩組試件的干縮量差距僅為0.012 mm,干縮應(yīng)變較小,所以水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣砂礫土路面基層材料耐久性能良好,具有長期穩(wěn)定性。

4)通過SEM及XRD分析不同齡期下水泥穩(wěn)定煤氣化爐渣砂礫土路面基層材料的水化產(chǎn)物及微觀強(qiáng)度形成機(jī)理可知,主要水化產(chǎn)物有無定形水化硅酸鈣凝膠、Ca(OH)2晶體、針棒狀鈣礬石簇等,且當(dāng)煤氣化爐渣摻量為30%時(shí)各水化產(chǎn)物衍射峰值最大,因此煤氣化爐渣與無機(jī)膠凝材料的水化產(chǎn)物較致密,具有一定的強(qiáng)度且收縮變形較小,可滿足目前規(guī)范對基層材料路用性能的要求。