許曉東 關(guān) 旭 祝海燕

(1:吉林建筑工程學(xué)院交通科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118;2:吉林省高等級公路建設(shè)局，長春 130000)

0 引言

中國油頁巖資源豐富，現(xiàn)已探明的儲量為329.89億t，主要集中在東北和中南地區(qū)，吉林省為174.27 t［1］.在油頁巖早期開發(fā)階段，對灰渣的處理都是將其直接堆置在附近，嚴(yán)重污染環(huán)境，危害居民健康［2］，據(jù)國內(nèi)外對油頁巖灰渣綜合利用研究成果表明，用于生產(chǎn)空心砌塊、空心磚的技術(shù)是成熟可靠的［3］.本文對油頁巖灰渣在公路建設(shè)中進(jìn)行應(yīng)用研究，用于生產(chǎn)混凝土聯(lián)鎖塊來砌筑路面，研究不同原材料、不同配合比油頁巖灰渣混凝土的抗壓強度變化規(guī)律來確定最佳配合比，為其鎖塊路面的生產(chǎn)和施工工藝提供依據(jù).

1 油頁巖灰渣的化學(xué)及物理特性

油頁巖完全燃燒后，質(zhì)量一般減輕30% ～40%，燃燒部分為含油物質(zhì)，余下部分主要為礦渣.經(jīng)電鏡下鑒定，礦渣所含主要礦物質(zhì)為高嶺石，呈片狀結(jié)構(gòu)，細(xì)度在0 μm～5 μm;其次含非晶質(zhì)礦物約35%，少量石英，粒度為 15 μm ～25 μm;鐵、鈦等礦物晶體難于辨認(rèn)，嵌布粒度為 20 μm ～25 μm［3］.

1.1 油頁巖灰渣的化學(xué)成分

吉林省汪清縣羅子溝油頁巖礦儲量巨大，經(jīng)過幾年的開采和冶煉，產(chǎn)生了大量的廢棄灰渣，嚴(yán)重污染了環(huán)境.為確定灰渣中的礦物含量，課題組現(xiàn)場取樣委托相關(guān)實驗室進(jìn)行了成分分析和鑒定，并與其他油頁巖礦的灰渣進(jìn)行對比(如表1所示).其中前3種油頁巖灰渣的成分是根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［4］得到，為焚燒后的灰渣，最后一種油頁巖灰渣為煉油后剩余灰渣，其成分含量為課題組實測結(jié)果.

表1 油頁巖灰渣的礦物成分 (%)

1.2 油頁巖灰渣的級配分析

將油頁巖灰渣制作成鎖塊鋪筑路面，需與其他摻和料及水泥相拌和，鎖塊的路用性能還與油頁巖灰渣的物理特性有關(guān).研究其化學(xué)成分的同時，還對油頁巖灰渣的表觀密度、粒徑與級配等進(jìn)行測定分析.級配分析采用篩分法，除去大于16 mm的灰渣顆粒，取2組試樣，烘干至恒重，冷卻至室溫后進(jìn)行篩分試驗，并對實驗結(jié)果進(jìn)行整理.課題組從集料篩分結(jié)果著手，摻入一定量的天然砂礫進(jìn)行混凝土的各方面性能的研究與分析.

表2 油頁巖灰渣0.075 mm～16 mm粒徑集料的篩分結(jié)果

1.3 油頁巖灰渣的密度測定

選用容量瓶法，通過測定M'(試樣的烘干質(zhì)量)、M(試樣、水和容量瓶的總質(zhì)量)、m(水和容量瓶的總質(zhì)量)，計算不同粒徑的表觀密度(見表3).

表3 油頁巖灰渣表觀密度測定結(jié)果

由表3可見油頁巖灰渣的粗、細(xì)集料的密度測定結(jié)果，通過試驗測定，為后期油頁巖灰渣混凝土的配合比設(shè)計及計算集料不同摻量提供依據(jù).

2 試驗方案設(shè)計

2.1 集料組成設(shè)計

集料組成設(shè)計依據(jù)集料篩分結(jié)果，計算符合級配要求范圍的各礦料用量比例.方法選用試配法，具體過程在Excel中使用公式計算.

試驗所用集料:① 油頁巖灰渣原級配;② 實驗室天然砂礫:d4.75～9.5，d0.075～4.75.

表4為油頁巖灰渣粗集料的篩分結(jié)果，基本符合粗集料的目標(biāo)級配要求，可不摻加實驗室天然砂礫.

表4 試驗粗集料組成設(shè)計

細(xì)集料試驗優(yōu)選粗砂(見表5)，油頁巖灰渣細(xì)集料需摻入實驗室天然砂礫方能滿足目標(biāo)級配范圍要求，經(jīng)研究分析，確定3種油頁巖灰渣的原級配配比方案.

表5 試驗細(xì)集料組成設(shè)計

2.2 油頁巖渣聯(lián)鎖塊混凝土配比設(shè)計

本課題選用正交試驗設(shè)計方法來設(shè)計一套實驗方案，選出具有代表性的實驗，以便能達(dá)到滿意的結(jié)果.因子:用水量、水泥用量、油頁巖渣摻量;因子水平:油頁巖灰渣不同摻量:A1，A2，A3;用水量:m1，m2，m3，水泥用量:M1，M2，M3(詳見表6，表7).材料具體用量由經(jīng)驗公式推定計算［5］.

表6 油頁巖灰渣原級配集料配比方案

表7 摻有原級配油頁巖灰渣的混凝土正交試驗方案設(shè)計 (kg)

3 油頁巖灰渣混凝土的試驗結(jié)果分析

在研究物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，從抗壓強度著手來驗證油頁巖灰渣的路用性能.按計算出的配合比，分組制作規(guī)定尺寸的3個同條件混凝土方塊.完成后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中靜置1 d～2 d，編號拆模后養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，自養(yǎng)護(hù)箱取出，進(jìn)行加荷，記下破壞時的極限荷載Fmax，計算其抗壓強度，結(jié)果取平均值(見表8).

表8 油頁巖渣原級配聯(lián)鎖塊混凝土抗壓強度測定結(jié)果

初步設(shè)計抗壓強度接近20 MPa，難以滿足道路使用要求.研究發(fā)現(xiàn)，隨灰渣摻量減少強度增大，分析得出集料配比對強度影響較大.于是將灰渣原級配按粗、細(xì)集料篩分后與實驗室天然砂礫組合試驗(見表9).

表9 油頁巖渣篩分后組合的混凝土抗壓強度測定結(jié)果

由表9可見，油頁巖灰渣混凝土的抗壓強度有很大提高，已基本能夠滿足低等級道路的使用要求.

4 結(jié)論

試驗表明，不同摻量、不同組成的油頁巖灰渣混凝土塊的抗壓強度是不同的，主要取決于集料的性質(zhì).實驗結(jié)果表明，摻入一定量的油頁巖灰渣來加工混凝土聯(lián)鎖塊修筑鎖塊路面是可行的，滿足其強度和穩(wěn)定性的要求，所鋪筑的道路性能指標(biāo)能達(dá)到使用要求，確定油頁巖灰渣可用于道路材料摻料，變廢為寶，具有很好的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景.

［1］周慶凡.世界能源及其分布狀況［J］.中國能源，2001，29(1):37 －39.

［2］陳潔渝，嚴(yán)春杰，李子沖.油頁巖渣的綜合利用［J］.礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2006，6(12):41－45.

［3］高 健.頁巖干餾后固體廢物的利用途徑［J］.遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技，2002，22(6):19－21.

［4］秦 宏，姜秀民，孫 鍵.中國油頁巖的能源利用［J］.節(jié)能，1997(12):17－19.

［5］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F30－2003)［S］.北京:人民交通出版社，2003.