段軍庫(kù) 嚴(yán)鵬飛

摘? 要：2019年寧夏全年產(chǎn)生粉煤灰、爐渣、脫硫石膏和煤矸石等工業(yè)固廢1750余萬(wàn)t，2020年將超過(guò)2000萬(wàn)t。為減少寧夏固廢中粉煤灰及煤矸石對(duì)環(huán)境的不利影響，對(duì)現(xiàn)有水泥粉煤灰穩(wěn)定煤矸石碎石的研究進(jìn)行的綜合分析，發(fā)現(xiàn)該種材料有很好的應(yīng)用前景，本文提出了將水泥、粉煤灰、煤矸石按照一定配比共同應(yīng)用到道路路面基層中代替?zhèn)鹘y(tǒng)土石混合料的研究方案。水泥粉煤灰穩(wěn)定煤矸石碎石應(yīng)用不僅能夠減少砂土石的消耗，節(jié)約自然資源，而且還能夠消耗本地大量的固體廢料，實(shí)現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：粉煤灰? 煤矸石? 土石混凝土? 穩(wěn)定煤矸石碎石

中圖分類(lèi)號(hào)：U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）08（b）-0011-04

Abstract： In 2019， Ningxia produced more than 17.5 million tons of industrial solid wastes such as fly ash， slag， desulfurized gypsum and coal gangue， which will exceed 20 million tons in 2020. In order to reduce the adverse effects of fly ash and coal gangue in Ningxia solid waste on the environment， the comprehensive analysis of the research on the existing cement fly ash stabilized coal gangue macadam is carried out， and it is found that this kind of material has a good application prospect. In this paper， the research scheme of applying cement， fly ash and coal gangue to replace the traditional earth rock mixture in the road base according to a certain proportion is proposed. The application of cement fly ash stabilized gangue macadam can not only reduce the consumption of sand and earth， save natural resources， but also consume a large number of local solid waste， and achieve huge economic， environmental and social benefits.

Key Words： Fly ash; Gangue; Earth rock concrete; Stable gangue macadam

1? 研究背景

煤炭及煤化工行業(yè)是寧夏回族自治區(qū)的傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，2016年全區(qū)原煤產(chǎn)量7075萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)工業(yè)增加值210.6億元，占全部工業(yè)比重的20.3%;現(xiàn)代煤化工總產(chǎn)值占全部化工行業(yè)的37%左右，已形成產(chǎn)能1229萬(wàn)t，煤炭預(yù)測(cè)資源量2029億t，累計(jì)探明儲(chǔ)量338億t，居全國(guó)第6位，人均保有儲(chǔ)量居全國(guó)第2位。全區(qū)國(guó)有重點(diǎn)煤礦采煤機(jī)械化和掘進(jìn)機(jī)械化程度分別達(dá)到98%和92%，全區(qū)集中規(guī)?；D(zhuǎn)化的煤炭占總消費(fèi)量的79%，煤層氣利用率50%。神華寧煤等企業(yè)先后攻克了大型先進(jìn)煤氣化、合成氣變換新技術(shù)、大型煤制甲醇、煤間接液化、煤制烯烴等一大批技術(shù)難題，技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化均走在世界前列，寧東能源化工基地是寧夏回族自治區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最為迅速的工業(yè)基地，也是我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)的重要的基地的一員，在保障國(guó)家煤炭能源安全、提高煤炭行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新等多方面發(fā)揮著重要作用。煤矸石是煤炭開(kāi)采中產(chǎn)生的固體工業(yè)廢渣。寧夏煤矸石年產(chǎn)量巨大，主要堆積在寧東渣場(chǎng)，其再利用率并不高，占用了很多土地資源。長(zhǎng)期堆積的煤矸石會(huì)散發(fā)出一些有毒的氣體造成大氣污染;有些煤矸石堆積場(chǎng)有可能發(fā)生自燃現(xiàn)象，對(duì)環(huán)境的污染較為嚴(yán)重。

煤炭應(yīng)用及技術(shù)的發(fā)展充分利用了區(qū)內(nèi)煤炭資源，豐富的煤炭資源促使寧夏地區(qū)大部分電廠和供熱公司采用火力發(fā)電，在生產(chǎn)活動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生大量的粉煤灰。粉煤灰的產(chǎn)生量很大，通常每消耗2t煤就會(huì)產(chǎn)生1t粉煤灰，巨量堆放的粉煤灰不僅污染環(huán)境，而且造成資源浪費(fèi)。爐渣是指燒煙煤的爐渣，即燒鍋爐的爐渣，一般結(jié)成焦塊，在生產(chǎn)中要用球磨機(jī)粉碎，過(guò)篩洗凈之后使用，相對(duì)粉煤灰，爐渣經(jīng)過(guò)高溫煅燒滅菌有害物質(zhì)較少，對(duì)環(huán)境影響傷害低。

道路地基基礎(chǔ)處理是道路建設(shè)中至關(guān)重要的一環(huán)節(jié)，地基的好與壞關(guān)系到后期道路的使用安全和服役年限，因此，需要保證基礎(chǔ)質(zhì)量。地基基礎(chǔ)材料通常為土石混合料，砂土石方是建筑興建過(guò)程中必須消耗的原料，近20年來(lái)隨著我國(guó)各項(xiàng)建筑的蓬勃發(fā)展，對(duì)于土石原料的需求殷切，全國(guó)95%以上的砂石來(lái)自河流山川，但是隨著不斷挖掘之后已逐漸枯竭。尋找可替代材料來(lái)減少砂石的消耗成為當(dāng)務(wù)之急。充分了解粉煤灰、爐渣和煤矸石的使用價(jià)值，將其應(yīng)用到道路基礎(chǔ)建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)資源和土地的有效利用。

2? 相關(guān)領(lǐng)域區(qū)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 粉煤灰的研究及應(yīng)用

孔德順采用某發(fā)電廠的粉煤灰和爐渣為主要材料，水泥為輔助材料，將粉煤灰和爐渣脫水之后和水泥按照一定比例混合攪拌成型，制備出非燒結(jié)常溫常壓養(yǎng)護(hù)的爐渣燒結(jié)磚;方小婉以渠道襯砌混凝土為研究對(duì)象，分析粉煤灰和爐渣單摻和復(fù)摻兩種情況下的混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能，結(jié)果表明：?jiǎn)螕角闆r下，隨著摻量的增加混凝土的彈性模量總體呈先增大后減少的趨勢(shì)，粉煤灰的作用效果優(yōu)于爐渣[1];隨著生態(tài)環(huán)保的發(fā)展，大體積混凝土中添加粉煤灰的用量也逐漸增大，趙志方研究了大體積混凝土的超高摻量粉煤灰常態(tài)大壩混凝土（UHVFA）在絕熱模式和溫度匹配模式（TMC）兩種溫度養(yǎng)護(hù)下的熱膨脹系數(shù)變化，與參照混凝土對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在兩種模式的養(yǎng)護(hù)下，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的熱膨脹系數(shù)呈逐漸減少的趨勢(shì)[2];陳嵐等人利用粉煤灰的吸附性借用超聲波探究粉煤灰的去污能力，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以亞甲基藍(lán)模擬污染物，通過(guò)不斷增加粉煤灰的劑量確定粉煤灰的去污能力，同時(shí)超聲波對(duì)粉煤灰的吸附有促進(jìn)作用，通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了粉煤灰可以處理污水或污染物[3];粉煤灰作為活性礦料，在試驗(yàn)及應(yīng)用中常作為水泥的替代品以減少生產(chǎn)中水泥的用量，達(dá)到節(jié)約經(jīng)濟(jì)的目的，吳志良研究了粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度和拌合物性能影響，研究結(jié)果表明：加入粉煤灰后自密實(shí)混凝土前期強(qiáng)度較對(duì)照混凝土低，但后期強(qiáng)度比對(duì)照混凝土高[4];Golewski對(duì)摻加粉煤灰的混凝土復(fù)合材料進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性試驗(yàn)，認(rèn)為達(dá)到最大斷裂韌性的摻量為17%，摻量小于25%斷裂韌性成規(guī)則分布，超過(guò)該值時(shí)斷裂韌性降低[5]。

2.2 爐渣的研究及應(yīng)用

爐渣作為替代骨料的道路墊層材料，為保證其抗剪切強(qiáng)度張攀對(duì)不同干密度和不同齡期的飽和爐渣進(jìn)行了不同圍壓的三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，結(jié)果表明：爐渣在50 100 kPa的圍壓條件下，其應(yīng)力應(yīng)變變化有應(yīng)變軟化的現(xiàn)象，在200 400 kPa的圍壓條件下，其應(yīng)力應(yīng)變變化有應(yīng)變硬化現(xiàn)象[6];Viet初步采用三組粉煤灰、礦渣和水泥的級(jí)配用于制備新型膏體填充材料，通過(guò)塌落度、抗壓強(qiáng)度和泌水率的變化規(guī)律得出粉煤灰、爐渣和水泥的質(zhì)量比為20：48：6時(shí)膏體質(zhì)量最佳[7];袁滿昌等人通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)焚燒爐渣的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，因地制宜的采取相關(guān)綜合處理技術(shù)方案對(duì)固體廢料集中處理，保證集料的品質(zhì)和再利用價(jià)值[8-9];劉青采用氨浸爐渣的工藝方法，從浮選尾砂與氨固液比、浸出溫度、浸出時(shí)間、溶液攪拌轉(zhuǎn)速和助浸劑作用效果等因素討論了氨浸方法的最佳參數(shù)，在尾礦與25%～28%濃氨水的質(zhì)量比為1︰1.4，浸出溫度60℃，浸出周期8 h，溶液攪拌轉(zhuǎn)速700 r/min，助浸劑（NH4）2SO4添加量0.2 mol/L時(shí)浸出率達(dá)89.24%[10]。

2.3 煤矸石的研究及應(yīng)用

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)煤矸石碎石作為瀝青混合料的骨料進(jìn)行了很多可行性分析研究。馮新軍等研究了煤矸石粉、礦粉摻量對(duì)瀝青混合料的路用力學(xué)性能的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)：煤矸石粉的比表面大于礦粉的比表面積，且其表面更為粗糙，其堿性和活性比礦粉更好，促使在骨料表面形成的結(jié)構(gòu)瀝青更多，提高了骨料之間的粘結(jié)力，增強(qiáng)了瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性[11-14];為檢測(cè)煤矸石強(qiáng)度，李霖皓選取了不同地區(qū)的煤矸石進(jìn)行干濕循環(huán)下煤矸石強(qiáng)度變化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明在水、硫酸鹽溶液干濕作用下，煤矸石的軟化系數(shù)低于石灰石骨料，硫酸鹽溶液干濕作用對(duì)煤矸石強(qiáng)度影響較大[15]。

寧夏回族自治區(qū)銀川市位于賀蘭山東麓，在風(fēng)搬運(yùn)及雨水沖刷的作用下，使得從賀蘭山到銀川市城東地基土呈現(xiàn)出明顯的變化過(guò)程，地基土為分別飄石、卵石、碎石、中砂、細(xì)沙、粉砂土和黏土。在銀川西夏區(qū)地基土以粉細(xì)砂為主。在以砂土為地基的基礎(chǔ)上修筑建筑物，若不對(duì)砂土進(jìn)行加固處理，地基會(huì)發(fā)生過(guò)大不均勻變形或地基滲流可能會(huì)造成基礎(chǔ)沉陷、基礎(chǔ)及地梁被拉裂、墻體裂縫、建筑物傾斜等危害，為了杜絕事故的發(fā)生，保證建筑物的使用安全，應(yīng)對(duì)建筑場(chǎng)地進(jìn)行詳細(xì)勘察，判斷是否需要對(duì)地基進(jìn)行加固治理。

3? 研究方案設(shè)計(jì)

粉煤灰、爐渣以及煤矸石等工業(yè)廢渣是用途廣泛的二次資源，國(guó)內(nèi)外已將粉煤灰廣泛應(yīng)用于建材、環(huán)保、農(nóng)業(yè)及化工等眾多領(lǐng)域，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)粉煤灰、爐渣以及煤矸石的利用率偏低。因此，我們要根據(jù)其特征，加大對(duì)粉煤灰在道路工程中應(yīng)用研究，使其“化害為利、變廢為寶”，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。后期的研究方案如下。

（1）粉煤灰爐渣及煤矸石分類(lèi)。

將粉煤灰根據(jù)灰度進(jìn)行分類(lèi)確定使用用途，灰度較高的粉煤灰可以作為水泥混凝土的填料提高混凝土強(qiáng)度，灰度低的粉煤灰作為細(xì)集料用于土石混合料的拌合物;爐渣和煤矸石按照質(zhì)量品質(zhì)進(jìn)行劃分，質(zhì)量?jī)?yōu)良材料可作為上基層材料，次等級(jí)爐渣和煤矸石可以考慮用于底基層混合料，材料分類(lèi)能夠?qū)⒉牧嫌糜诓煌慕Y(jié)構(gòu)層。

（2）確定粉煤灰、爐渣及煤矸石摻量。

通過(guò)查閱相關(guān)資料確定粉煤灰、爐渣及煤矸石的摻量范圍，并通過(guò)試驗(yàn)確定三種材料分別在單摻、雙摻及混摻情況下各自在土石混合料中的摻量，并確定出混合料的級(jí)配。

（3）施工工藝。

各個(gè)材料施工設(shè)計(jì)級(jí)配不同其施工工法也不盡相同，通過(guò)鋪筑試驗(yàn)路段確定在各種情況下基層的機(jī)械組合、松鋪厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓速率及最佳含水率等壓實(shí)工藝，同時(shí)檢測(cè)填料的各項(xiàng)性能是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4? 結(jié)語(yǔ)

粉煤灰、爐渣及煤矸石的使用能夠減少工廠對(duì)粉煤灰、爐渣及煤矸石的存貯空間，避免其產(chǎn)生的有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的目的;粉煤灰、爐渣及煤矸在道路基礎(chǔ)中的應(yīng)用不但減少天然土石料的使用，而且在保證道路基層厚度的同時(shí)降低了材料費(fèi)用。粉煤灰、爐渣及煤矸石作為工業(yè)廢料價(jià)格低廉，利用粉煤灰、爐渣及煤矸石替代砂石，能夠節(jié)省購(gòu)買(mǎi)砂石的費(fèi)用;道路建設(shè)對(duì)粉煤灰、爐渣及煤矸石的需求有助于煤化工業(yè)對(duì)廢料的處理，減少相應(yīng)管理投入的人力、物力和財(cái)力以及保管所需要占用的土地。

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