高志兵

（山西路橋集團(tuán) 呂梁國(guó)道項(xiàng)目建設(shè)管理有限公司，山西 呂梁 033099）

0 引言

循環(huán)流化床（簡(jiǎn)稱CFB）鍋爐燃燒技術(shù)是一種潔凈燃煤技術(shù)，常被用于煤矸石、煤泥等低熱值燃料的發(fā)電，與普通燃煤電廠煤粉爐相比，具有燃燒適應(yīng)性廣，燃燒強(qiáng)度大等優(yōu)勢(shì)，但是CFB技術(shù)也存在灰渣排放量大（其排放量是普通燃煤電廠粉煤灰的2倍左右），且難以利用的問題。這主要是因?yàn)镃FB鍋爐溫度僅850℃～900℃，且采用爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的CFB灰渣與傳統(tǒng)的1 250℃的燃煤爐所產(chǎn)生的粉煤灰有很大的差別，主要表現(xiàn)在SO3、f-CaO含量高、需水量大、含碳量較高等，導(dǎo)致其無(wú)法如煤粉爐粉煤灰一樣應(yīng)用于水泥混凝土等領(lǐng)域，多采用填埋方式處置，不僅處置費(fèi)用較高而且長(zhǎng)期堆存會(huì)污染環(huán)境[1]。國(guó)道209線呂梁新城區(qū)（方山縣城至中陽(yáng)金羅鎮(zhèn)）段公路改線工程（以下簡(jiǎn)稱“G209呂梁改線工程”）因地形原因設(shè)計(jì)橋涵眾多，臺(tái)背回填土方用量大，但由于素土承載比較低，用于臺(tái)背回填時(shí)需添加4%水泥或者石灰進(jìn)行改良，不僅施工綜合成本較高，且實(shí)際施工過程中，少量的水泥很難在土中分散均勻，導(dǎo)致形成的路床均勻性差。而毗臨的大土河熱電廠，每年排放200萬(wàn)噸CFB爐渣難以利用。鑒于上述情況，本項(xiàng)目研究了CFB爐渣對(duì)土的增強(qiáng)改性作用，以期用CFB爐渣改良土，替代水泥處治土，用于臺(tái)背回填，實(shí)現(xiàn)CFB爐渣大量利用，達(dá)到提高工程質(zhì)量降低工程造價(jià)的目的。

1 CFB爐渣基本特性

CFB爐渣是低熱值燃料煤矸石等在循環(huán)流化床鍋爐燃燒發(fā)電后產(chǎn)生的殘?jiān)?，其化學(xué)物理特性如下。

1.1 化學(xué)成分

表1 CFB爐渣的化學(xué)組成

CFB爐渣與普通煤灰爐粉煤灰相比含有較多的CaSO4和游離的CaO。游離的CaO可激發(fā)脫硫灰渣中的SiO2和活性Al2O3，生成具有一定水硬性的凝膠類物質(zhì)，所以CFB爐渣具有一定的自硬性[2]。

1.2 物理特性

CFB爐渣呈砂狀，具有連續(xù)級(jí)配，最大粒徑10 mm（如圖1和表2所示）。

表2 爐渣級(jí)配

圖1 CFB爐渣顆粒形貌

2 CFB爐渣改良土試驗(yàn)

2.1 爐渣摻量對(duì)CFB爐渣改良土擊實(shí)特性的影響

為研究爐渣的摻入對(duì)土擊實(shí)特性的影響，設(shè)計(jì)了0%、20%、30%、40%、50%、60%系列爐渣摻量配合比，并通過重型擊實(shí)試驗(yàn)確定了不同爐渣摻量對(duì)應(yīng)的擊實(shí)曲線圖，如圖2所示。

圖2 不同爐渣摻量擊實(shí)曲線

從圖2可以看出，隨著爐渣的摻入，混合料的最大干密度降低，最佳含水率也略有提高，這是爐渣輕質(zhì)、多孔吸水、保水特性導(dǎo)致，一定程度上可降低土體自重，和施工過程中水分散失的速率。從整體曲線變化趨勢(shì)來(lái)看，爐渣改良土與素土差異較小，且擊實(shí)后試件較為密實(shí)，擊實(shí)效果良好。

2.2 爐渣摻量對(duì)CFB爐渣改良土承載比（CBR值）的影響

CBR（加州承載比）是評(píng)定路基及路面材料承載能力的指標(biāo)，《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2004）中路基填料的最高強(qiáng)度要求為CBR值8%，為研究爐渣對(duì)土的改良增強(qiáng)作用，測(cè)定了上述系列CFB摻量爐渣改良土的CBR值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 爐渣摻量與改良土CBR的關(guān)系

可以看出：

a）CFB爐渣的摻入可顯著提高土體的CBR值，爐渣摻量大于30%時(shí)，土體CBR值大幅提高至30%以上，遠(yuǎn)超臺(tái)背回填材料承載比要求。

b）CFB灰渣的摻入可使土體容重降低，膨脹率也有所降低，表明CFB改良土自重小，且不易遇水軟化膨脹。

c）爐渣摻量30%的CBR試件貫入試驗(yàn)后形變量小，脫模后測(cè)定了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，可達(dá)0.5 MPa，充分證明CFB爐渣土可顯著提高土體承載能力，對(duì)土的改良作用效果顯著。

3 CFB爐渣改良土用于臺(tái)背回填的工程試驗(yàn)研究

為研究CFB爐渣改良土用于臺(tái)背回填的施工特性和路用性能，在施工現(xiàn)場(chǎng)蓋板涵臺(tái)背進(jìn)行了試驗(yàn)段鋪筑。

3.1 原材料

3.1.1 素土

素土取自施工附近，天然含水量8.2%，堆積密度1.02 g/cm3，液限30，塑限18，塑性指數(shù)12，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）判定為低液限黏土。

3.1.2 CFB爐渣

CFB爐渣取自項(xiàng)目周邊晉能大土河熱電廠，呈砂狀顆粒，最大粒徑10 mm，堆積密度為1.10～1.30 g/cm3。

3.2 對(duì)30%爐渣改良土與素土基本特性比較

3.2.1 塑性指數(shù)的測(cè)定

為驗(yàn)證爐渣摻入是否引起土質(zhì)的改變，測(cè)定了30%爐渣改良土的塑性指數(shù)，并與素土進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見表4。同時(shí)，考慮到爐渣改性作用具有一定的時(shí)效，延長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)液塑限試驗(yàn)悶料時(shí)間從18 h至72 h，悶料后土體結(jié)成硬塊。

表4 液塑限測(cè)定結(jié)果

可見，爐渣的摻入在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變素土為低液限黏土的本質(zhì)，但經(jīng)過3 d以上作用時(shí)間，其與土發(fā)生類似于水泥改良土的化學(xué)板結(jié)作用，不再適合采用塑性指數(shù)這一研究素土特性的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2.2 滲透性的評(píng)估

為模擬爐渣改良土的滲透性，將素土與30%爐渣改良土按照路面基層水穩(wěn)試件的成型方法，并借鑒瀝青混凝土滲水試驗(yàn)評(píng)估土體的滲透性。

一般的瀝青混凝土滲水系數(shù)為300 mL/min或者200 mL/min，但對(duì)于爐渣土與素土，滲水10 min僅8 mL，可見其基本不具透水性，這主要是因?yàn)闋t渣改良土仍以素土為主，而工程取樣素土為黏土，本身具有良好抗?jié)B性。

結(jié)合爐渣土與素土的塑性指數(shù)和滲水性可以看出：爐渣的摻入在早期未改變素土基本物理特性，但是經(jīng)過3 d以上相互反應(yīng)后，會(huì)形成較強(qiáng)化學(xué)板結(jié)作用，從而提高土體的密實(shí)度和強(qiáng)度。

3.2.3 30%爐渣改良土CBR值

取施工用土和CFB爐渣，測(cè)定了30%爐渣改良土的CBR值，并與素土作了對(duì)比，結(jié)果見表5。

表5 爐渣改良土CBR值驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)壓實(shí)度為設(shè)計(jì)值96%時(shí)，素土CBR值為13.8%，CFB爐渣改良土的CBR值為28.3%，提高2倍多，完全滿足臺(tái)背回填CBR值的設(shè)計(jì)要求，對(duì)于試驗(yàn)段工程用土，可采用30%爐渣進(jìn)行改良。

3.3 施工過程與檢測(cè)

為提高爐渣與土的拌合均勻性，施工時(shí)采用場(chǎng)外預(yù)拌，悶料，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓的工藝。

3.3.1 混合料的拌合

按施工配合比用裝載機(jī)將土與CFB干拌3次，以土的天然含水量和混合料最佳含水量為依據(jù)進(jìn)行補(bǔ)水并悶料5 h，再濕拌5次，通過自卸車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)。

3.3.2 攤鋪

攤鋪時(shí)采用人工配合裝載機(jī)初平，平地機(jī)精平，最后人工修整邊部的方法。根據(jù)試驗(yàn)段檢測(cè)，實(shí)測(cè)松鋪厚度26 cm，壓實(shí)厚度20 cm，松鋪系數(shù)為1.3。

3.3.3 碾壓

碾壓采用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行，碾壓時(shí)，振動(dòng)輪邊部距離涵洞臺(tái)身不得小于50 cm空隙，空隙部分由挖掘機(jī)帶振動(dòng)夯進(jìn)行夯實(shí)（也可以由裝載機(jī)帶振動(dòng)夯夯實(shí)）。

由于試驗(yàn)段寬度較小，碾壓時(shí)錯(cuò)輪量小，振壓遍數(shù)太多時(shí)出現(xiàn)了表層起皮和表面裂紋現(xiàn)象，建議施工時(shí)增大錯(cuò)輪量至1/3～1/2，并在收面時(shí)關(guān)閉振動(dòng)采用靜壓方式，以消除輪跡相近造成的擠壓開裂。

試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)采用灌砂法測(cè)得壓實(shí)度為96.5%。從壓實(shí)度挖洞觀察，距離下層較近的位置也已密實(shí),表明此壓實(shí)工藝效果良好，能夠滿足臺(tái)背回填的壓實(shí)度設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

綜上所述，CFB爐渣改良土新型材料的開發(fā)，一方面解決了CFB爐渣無(wú)法低成本高效率處理的難題，促進(jìn)煤炭清潔利用的發(fā)展；另一方面減少臺(tái)背回填對(duì)沙礫或者水泥等材料的消耗，同時(shí)減少了爐渣堆存和水泥等材料生產(chǎn)加工時(shí)造成的環(huán)境污染，有利于資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)。