段軍庫 嚴鵬飛

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t，2020年將超過2000萬t。為減少寧夏固廢中粉煤灰及煤矸石對環(huán)境的不利影響，對現(xiàn)有水泥粉煤灰穩(wěn)定煤矸石碎石的研究進行的綜合分析，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，實現(xiàn)巨大的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

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

中圖分類號：U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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t，實現(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t，煤炭預(yù)測資源量2029億t，累計探明儲量338億t，居全國第6位，人均保有儲量居全國第2位。全區(qū)國有重點煤礦采煤機械化和掘進機械化程度分別達到98%和92%，全區(qū)集中規(guī)?；D(zhuǎn)化的煤炭占總消費量的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)濟發(fā)展最為迅速的工業(yè)基地，也是我國煤化工產(chǎn)業(yè)的重要的基地的一員，在保障國家煤炭能源安全、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，其再利用率并不高，占用了很多土地資源。長期堆積的煤矸石會散發(fā)出一些有毒的氣體造成大氣污染;有些煤矸石堆積場有可能發(fā)生自燃現(xiàn)象，對環(huán)境的污染較為嚴重。

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)活動中會產(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。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)中要用球磨機粉碎，過篩洗凈之后使用，相對粉煤灰，爐渣經(jīng)過高溫煅燒滅菌有害物質(zhì)較少，對環(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程中必須消耗的原料，近20年來隨著我國各項建筑的蓬勃發(fā)展，對于土石原料的需求殷切，全國95%以上的砂石來自河流山川，但是隨著不斷挖掘之后已逐漸枯竭。尋找可替代材料來減少砂石的消耗成為當務(wù)之急。充分了解粉煤灰、爐渣和煤矸石的使用價值，將其應(yīng)用到道路基礎(chǔ)建設(shè)中，實現(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

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)護的爐渣燒結(jié)磚;方小婉以渠道襯砌混凝土為研究對象，分析粉煤灰和爐渣單摻和復(fù)摻兩種情況下的混凝土強度和抗?jié)B性能，結(jié)果表明：單摻情況下，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，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)護下的熱膨脹系數(shù)變化，與參照混凝土對比發(fā)現(xiàn)，在兩種模式的養(yǎng)護下，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[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，在實驗室內(nèi)以亞甲基藍模擬污染物，通過不斷增加粉煤灰的劑量確定粉煤灰的去污能力，同時超聲波對粉煤灰的吸附有促進作用，通過試驗證實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，達到節(jié)約經(jīng)濟的目的，吳志良研究了粉煤灰摻量對自密實混凝土強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混凝土前期強度較對照混凝土低，但后期強度比對照混凝土高[4];Golewski對摻加粉煤灰的混凝土復(fù)合材料進行了抗壓強度和斷裂韌性試驗，認為達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，超過該值時斷裂韌性降低[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，為保證其抗剪切強度張攀對不同干密度和不同齡期的飽和爐渣進行了不同圍壓的三軸固結(jié)排水試驗，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、礦渣和水泥的級配用于制備新型膏體填充材料，通過塌落度、抗壓強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時膏體質(zhì)量最佳[7];袁滿昌等人通過對國內(nèi)焚燒爐渣的現(xiàn)狀進行了分析，因地制宜的采取相關(guān)綜合處理技術(shù)方案對固體廢料集中處理，保證集料的品質(zhì)和再利用價值[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時浸出率達89.24%[10]。

2.3 煤矸石的研究及應(yīng)用

國內(nèi)學(xué)者對煤矸石碎石作為瀝青混合料的骨料進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，增強了瀝青混凝土的抗剪強度和高溫穩(wěn)定性[11-14];為檢測煤矸石強度，李霖皓選取了不同地區(qū)的煤矸石進行干濕循環(huán)下煤矸石強度變化試驗，試驗結(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煤矸石強度影響較大[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)出明顯的變化過程，地基土為分別飄石、卵石、碎石、中砂、細沙、粉砂土和黏土。在銀川西夏區(qū)地基土以粉細砂為主。在以砂土為地基的基礎(chǔ)上修筑建筑物，若不對砂土進行加固處理，地基會發(fā)生過大不均勻變形或地基滲流可能會造成基礎(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)對建筑場地進行詳細勘察，判斷是否需要對地基進行加固治理。

3? 研究方案設(shè)計

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)達國家相比，我國粉煤灰、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。

將粉煤灰根據(jù)灰度進行分類確定使用用途，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度，灰度低的粉煤灰作為細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)進行劃分，質(zhì)量優(yōu)良材料可作為上基層材料，次等級爐渣和煤矸石可以考慮用于底基層混合料，材料分類能夠?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，并通過試驗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配。

（3）施工工藝。

各個材料施工設(shè)計級配不同其施工工法也不盡相同，通過鋪筑試驗路段確定在各種情況下基層的機械組合、松鋪厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓速率及最佳含水率等壓實工藝，同時檢測填料的各項性能是否符合相關(guān)標準要求。

4? 結(jié)語

粉煤灰、爐渣及煤矸石的使用能夠減少工廠對粉煤灰、爐渣及煤矸石的存貯空間，避免其產(chǎn)生的有害物質(zhì)對環(huán)境的污染，實現(xiàn)保護環(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降低了材料費用。粉煤灰、爐渣及煤矸石作為工業(yè)廢料價格低廉，利用粉煤灰、爐渣及煤矸石替代砂石，能夠節(jié)省購買砂石的費用;道路建設(shè)對粉煤灰、爐渣及煤矸石的需求有助于煤化工業(yè)對廢料的處理，減少相應(yīng)管理投入的人力、物力和財力以及保管所需要占用的土地。

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