蔣善國， 韓佳琦， 陳忠平， 余匡迪

(1.湖南高速建設工程有限公司， 湖南 長沙 410000； 2.中交二公局萌興工程有限公司， 陜西 西安 710065;3.廣東同創(chuàng)科鑫環(huán)保有限公司， 廣東 廣州 511455)

目前中國能源結構依然是以煤炭為主導，火力發(fā)電廠、工業(yè)鍋爐、地暖系統(tǒng)等設備消耗大量煤炭，同時伴隨產(chǎn)生大量的煙氣和爐底渣[1]。據(jù)統(tǒng)計，2020年中國煤炭燃燒總量達49.8億t，按照1 t煤燃燒后，平均產(chǎn)生0.35 t爐渣換算可得，全年爐渣排放量高達17.4億t[2]。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們對環(huán)保的需求和重視程度越來越高，爐渣的無害化處置和資源化利用在業(yè)內愈加重要。根據(jù)工信部頒布的《國家工業(yè)固體廢物資源綜合利用產(chǎn)品目錄》，燃煤爐渣被歸類于一般固體廢棄物[3]，引導企業(yè)做好固體廢棄物的資源化利用，并鼓勵進行稅費減免。

爐渣資源化利用目前主要在以下方面進行嘗試：① 爐渣經(jīng)過篩分后，作為輕骨料制備砂漿或混凝土[4]，但存在篩分利用率低，玻璃體溶解-結晶導致的二次水化脹裂等問題，目前爐渣作為骨料應用十分有限；② 爐渣用于污水處理，得益于爐渣疏松多孔的特點，遇水后溶出的鋁離子在水中形成絮凝體對污水中的重金屬離子和有機物起到一定的吸附作用[5]，但爐渣內部可溶性鹽對環(huán)境的影響還需進一步論證，目前未得到實際應用；③ 爐渣應用于土壤改良[6]，能夠顯著增大土壤的透氣性，改善土壤結構，但本質上爐渣作為固廢應用于生態(tài)修復上存在較大的挑戰(zhàn)，距離規(guī)?；⒐I(yè)化應用則更加遙遠。

燃煤爐渣化學成分主要以SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO為主，同時含有少量K2O、Na2O、SO3、CrO2等[7]。爐渣的礦物相組成分為非晶相和結晶相，非晶相主要是以硅、鋁為網(wǎng)絡形成體，鈣為網(wǎng)絡改變體，橋接搭建的空間網(wǎng)絡玻璃相[8]。爐渣粉磨后與粉煤灰、礦渣粉類似，具備存在潛在活性的物質基礎。因此，爐渣具有一定的火山灰活性，在化學激發(fā)、熱激發(fā)等條件下表現(xiàn)出水硬性膠凝材料性質。

泡沫輕質土作為改善軟土路基沉降、減少自重載荷的高性能路用材料，泡沫輕質土材料于2002年，由陳忠平博士引進中國[9]，經(jīng)過20年的研究和推廣，目前已廣泛應用于高速公路軟土路堤、道路加寬段、軟基橋臺、塌方搶修等填筑工程[10]。未來，中國高速公路建設將保持高速、高質量發(fā)展，雖然傳統(tǒng)水泥基輕質土性能足以滿足施工需求，但大量使用水泥帶來的高耗能和溫室氣體排放仍存在較大的優(yōu)化空間[11]。將燃煤爐渣微粉大摻量替代水泥，開發(fā)以燃煤爐渣為基體的輕質土路用材料，可有效解決爐渣固廢帶來的環(huán)境問題，并通過規(guī)模化路用帶來極高的附加價值，契合當下的“碳達峰、碳中和”理念，具備較高的社會效益。

綜上，燃煤爐渣磨細制粉作為活性摻合料，具備一定的物相基礎和理論體系；另一方面，受益于中國高速公路建設規(guī)劃的巨大市場規(guī)模，燃煤爐渣基輕質土具備重大的發(fā)展前景。該文采用改性激發(fā)的方式，開發(fā)燃煤爐渣基輕質土，并著重分析濕密度對材料力學性能和工作性能的影響，同時采用甲醇替代法測量其空隙率，建立空隙率-抗壓強度的擬合關系。

1 試驗

1.1 原材料分析

(1) 燃煤爐渣選自山東棗莊某火力發(fā)電廠，粒徑為5～42 mm，試驗前使用烘箱105 ℃烘干8 h，以保證整體含水率低于1%，烘干后使用XMB-68棒磨機進行粉磨，按照每次稱取5 kg爐渣，棒磨30 min，直至比表面積達到400 m2/kg。

將135 g燃煤爐渣、315 g水泥、225 g試驗用水、1 350 g標準砂，按照GBT 12957—2005《用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性試驗方法》對燃煤爐渣灰的活性系數(shù)K進行測試。K=R1/R2×100%，R1為摻入工業(yè)廢渣后試樣28 d抗壓強度；R2為對照試樣28 d抗壓強度。得到28 d活性系數(shù)K為80.95%。

(2) 水泥選自英德海螺P.O42.5R水泥，標準稠度用水量124 g，初凝180 min，終凝280 min，依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》，測得試驗所用水泥3 d抗壓強度代表值為24.6 MPa，28 d抗壓強度為46.9 MPa。

(3) 石灰石粉(重鈣型)選自山東青島某粉磨站，密度為2.69 g/cm3，d50=7.5 μm。

(4) 碳酸鹽激發(fā)劑選用國藥集團分析純(AR)。爐渣、水泥的氧化物組成如表1所示。

表1 水泥、礦粉及細尾砂氧化物組成 %

1.2 試驗配合比

試驗設計9組配合比，如表2所示。試驗配置的膠材組分為燃煤爐渣、水泥、石灰石粉，共計100%。激發(fā)劑為碳酸鈉(外摻)，摻量均為總量的4%。固體組分混料均勻后，按水固比0.6進行制備膠凝材料，隨后進行物理發(fā)泡制備濕密度(料漿質量/料漿體積)為500～750 kg/m3的爐渣基輕質土試樣。

表2 試樣成型配合比

1.3 試樣制備

(1) 按照表2配合比稱量磨細爐渣微粉、水泥和石灰石粉，使用混料機充分混合，制備爐渣基活性料。

(2) 參考GB 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行制備，按照設計水固比制備膠凝材料凈漿，依據(jù)CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質土技術規(guī)程》，凈漿攪拌時間不應低于2 min，轉速應控制為50 r/min。

(3) 依據(jù)CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質土技術規(guī)程》、JC/T 2199—2013《泡沫混凝土用泡沫劑》，采取物理發(fā)泡混合的方式制備所需濕密度的輕質土材料。

(4) 依照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，成型試樣放于標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，養(yǎng)護條件為溫度(20±2) ℃，相對濕度95%以上?？紤]到輕質土硬化過程中的脫水，表面應覆蓋塑料薄膜進行保水。

1.4 測試手段

(1) 流動度測試：基于現(xiàn)澆輕質土的性質，流動度測試參照GB/T 50488—2008《水泥基灌漿材料應用技術規(guī)范》，使用內徑80 mm，凈高80 mm圓筒模具按照流值板法進行測定，垂直方向測2次取均值，精確至1 mm。

(2) 力學性能測試：依照CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質土技術規(guī)程》，制備100 mm×100 mm×100 mm的輕質土試樣，在數(shù)顯全自動壓力機上進行測試，讀取其極限破壞荷載與破壞面積的比值，每組試樣進行3次測試，計算平均值和標準差。

(3) 空隙率測試：輕質土空隙率測試采用溶劑(甲醇)替代法進行，將材料烘干記錄絕干質量m1，將試樣浸泡溶液中待甲醇溶液完全浸入記錄質量m2，將表面液體擦凈記錄飽和面干質量m3，樣品最終總空隙率按照n=(m2-m1)/(m3-m2)×100%求得。

(4) 消泡率測試：使用容量筒測試新拌輕質土初始濕密度(ρ0)，在水平方向和垂直方向交替攪拌，持續(xù)時間為1 min，記錄攪拌后濕密度(ρx)。重復攪拌步驟，共進行6次攪拌，記錄此時濕密度(ρ6)，按下式計算濕密度增加率。濕密度=(ρ6-ρ0)/ρ0×100%。

2 結果與討論

2.1 力學性能

力學性能是路用輕質土材料最重要的性能指標之一，圖1為初始濕密度為500～750 kg/m3時，爐渣基輕質土3、7、28 d無側限抗壓強度測試結果。

圖1 初始濕密度對輕質土抗壓強度性能影響

由圖1可知：輕質土試驗各齡期抗壓強度隨濕密度增加整體呈上升趨勢，3 d抗壓強度由0.28 MPa提升至0.69 MPa；7 d抗壓強度由0.42 MPa提升至1.04 MPa；28 d抗壓強度由0.61 MPa提升至1.67 MPa。圖2為不同爐渣摻比下，輕質土各齡期抗壓強度測試結果。

圖2 燃煤爐渣摻比對輕質土抗壓強度性能影響

由圖2可知：隨著爐渣摻比的增加，輕質土各齡期抗壓強度大幅降低，3 d抗壓強度由0.69 MPa(50%爐渣)降低至0.17 MPa(90%爐渣)；7 d抗壓強度由1.04 MPa降低至0.19 MPa；28 d抗壓強度由1.67 MPa降低至0.23 MPa，爐渣摻量高于80%時，輕質土強度發(fā)展大幅受限。

結合上述分析可知：爐渣基泡沫輕質土養(yǎng)護7 d后，強度仍有較大的發(fā)展空間，所有配合比中均未出現(xiàn)強度倒縮的情況。在爐渣摻量超過60%，輕質土抗壓強度迅速降低，這主要是由于爐渣本身形成強度較難，需要同水泥和激發(fā)劑中的活性礦物相以及可溶離子相互作用，產(chǎn)生水化產(chǎn)物以提供強度，因此爐渣摻入比不宜大于60%。濕密度大于650 kg/m3，輕質土28 d強度大于1 MPa，強度發(fā)展穩(wěn)定，適合作為后續(xù)推薦配合比使用，初始濕密度過低對輕質土強度損害性大。

2.2 流動擴展度

流動度是現(xiàn)澆輕質土重要的工作性能指標，流動度過低會導致無法實現(xiàn)自流平、自密實，甚至引發(fā)堵管等工程問題，流動度過高則容易導致料漿不穩(wěn)定，同樣影響材料的使用性能，現(xiàn)澆泡沫輕質土宜控制料漿流值為160～190 mm。圖3為新拌輕質土料漿的濕密度對流動度的影響規(guī)律，由圖3可知，隨著濕密度的提升，輕質土料漿的流動度逐步提升，由160 mm(500 kg/m3)提升至200 mm(750 kg/m3)，其中濕密度為500～650 kg/m3可作為現(xiàn)澆泡沫輕質土的推薦流值，可較好應用于工程實際。圖4為爐渣摻比對流動度的影響，由圖4可知：隨著爐渣摻量的提升，流動度整體呈下降趨勢，但變化幅度不大，影響程度較小。

圖3 流動擴展度隨濕密度的變化規(guī)律

圖4 流動擴展度隨爐渣摻比的變化規(guī)律

2.3 消泡率

消泡率是反映輕質土泡沫穩(wěn)定性的重要參數(shù)，一般情況下消泡率越低，代表輕質土成型過程中密度變化越低，具備更好的體積穩(wěn)定性。圖5為500、600、750 kg/m3初始濕密度的新拌輕質土料漿密度隨攪拌次數(shù)的變化情況及消泡率隨初始濕密度變化情況。

由圖5(a)～(c)可知：按照輕質土測試消泡率的操作規(guī)范，料漿濕密度隨攪拌次數(shù)逐漸增大，前期攪拌對濕密度的影響程度較大，后幾次攪拌料漿濕密度增長減緩，密度趨于穩(wěn)定。初始濕密度為500 kg/m3時，經(jīng)過6次消泡后，密度上升至592 kg/m3，消泡率為18.4%；初始濕密度為600 kg/m3時，經(jīng)過6次消泡后，密度上升至648 kg/m3，消泡率為8.0%；初始濕密度為750 kg/m3時，經(jīng)過6次消泡后，密度上升至786 kg/m3，消泡率為4.8%。

圖5 爐渣基輕質土消泡率與初始濕密度的關系

由圖5(d)可知：500、600 kg/m3初始濕密度下，消泡率分別為18.4%和13.2%，整體消泡較為嚴重。當初始濕密度大于650 kg/m3，消泡率出現(xiàn)明顯改善，均在6%以下。

初始濕密度對消泡率的影響顯著，體系中泡沫占比越大，受擾動的幅度就越大，泡沫輕質土在外界環(huán)境下就越容易消泡，當濕密度大于650 kg/m3時，新拌輕質土料漿消泡率大幅下降，因此抵御外部擾動的能力大，泡沫趨于穩(wěn)定，在相同質量的情況下，更低的密度變化程度對應更優(yōu)的體積穩(wěn)定性，能夠更好地保證現(xiàn)澆輕質土施工的穩(wěn)定性。

2.4 空隙率-強度對應關系

基于阿基米德原理，采用甲醇替代法測試輕質土空隙率，并結合2.1節(jié)中500～750 kg/m3密度輕質土試樣的28 d抗壓強度數(shù)據(jù)，分析空隙率和抗壓強度的關系，結果如表3、圖6所示。

表3 甲醇替代法測空隙率測試數(shù)據(jù)

圖6 爐渣基輕質土空隙率與抗壓強度關系擬合

由表3可知：隨著密度的增大，試樣的絕干質量逐漸增加，表明更多的自由水參與了水化反應，進而生成了更多未被烘干的水化產(chǎn)物。空隙率由77.4%(500 kg/m3)降低至61.5%(750 kg/m3)。由圖6可知：爐渣基輕質土28 d抗壓強度隨空隙率增加呈線性降低，相關度較高(R2=0.961 6)。

3 結論

分析了爐渣摻比和濕密度對爐渣基輕質土的力學性能、流動性能、消泡率、空隙率的影響規(guī)律，得到結論如下：

(1) 隨著濕密度的增加，輕質土的抗壓強度穩(wěn)步增加，爐渣摻量提高，輕質土強度則迅速降低，當爐渣摻比達90%時，材料基本失去力學性能。

(2) 新拌輕質土的流動擴展度隨發(fā)泡率的提升迅速下降，爐渣的摻入量對輕質土料漿流動度影響不明顯。

(3) 輕質土初始濕密度高于650 kg/m3時，消泡率明顯大幅降低，具備較好的體積穩(wěn)定性。

(4) 隨著初始濕密度上升，28 d輕質土固結體的空隙率逐步降低，空隙率與強度呈線性擬合關系，在初始濕密度為配比變量下，相關程度較高。

(5) 考慮各項性能指標，推薦采用爐渣摻比50%，水泥摻量40%，石灰石粉10%，外摻4%激發(fā)劑，制備650 kg/m3密度的爐渣基輕質土，這樣制備的爐渣基輕質土具備較好的工作性能。