高福寧，岳 峰，劉 耀，周國園，鄧小鵬

（1.山西誠達公路勘察設計有限公司，山西 太原 030006；2.山西能源學院，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來，為控制電廠NOx、SO2的排放，減少環(huán)境污染，循環(huán)流化床（CFB）鍋爐以其高效脫硫、低氮排放的優(yōu)勢，在低熱值燃料的利用中發(fā)揮著重要作用，已經代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤粉鍋爐成為發(fā)電廠燃燒鍋爐的主要型式。循環(huán)流化床粉煤灰（CFB粉煤灰）指的是燃煤電廠采用循環(huán)流化床鍋爐對燃煤進行燃燒，并噴入一定量的固硫劑進行脫硫后除塵收集的粉末，燃煤一般都是低熱值煤，燃燒的溫度一般在850℃～900℃，遠低于傳統(tǒng)的煤粉爐1 300℃～1 600℃的燃燒溫度，使得CFB粉煤灰在化學成分、礦物組成、物理性質等方面與傳統(tǒng)粉煤灰都有較大的差異[1]，因此不能對CFB粉煤灰采用常規(guī)的方式進行處理。由于循環(huán)流化床（CFB）鍋爐燃燒的溫度較低，燃煤燃燒得并不充分，產生的固廢排放量要高，同等燃煤量下固廢排放量比煤粉鍋爐燃煤要高出50%左右。據報道，我國每年CFB灰渣排放量達到了0.8～1.5億t[2]，其中CFB粉煤灰約占40%，但因CFB粉煤灰鈣硫含量高、需水量大、早期強度低，很大程度地限制了其在基礎建設中的應用，造成大量的粉煤灰堆積于地，占用大量土地，因此CFB粉煤灰的處理及利用是一急需解決的問題。

近年來，對于CFB粉煤灰資源化利用主要集中在建筑材料上，其中，CFB粉煤灰一般作為凝膠材料，代替部分石膏用作水泥混合材和混凝土摻合料，對水泥的凝結時間進行調節(jié)，可配制微膨脹混凝土；牛茂威，等[3]、錢覺時[4]、楊娟[5]、高燕[6]、霍琳[7]等研究了CFB灰作為混合材對水泥性能、水化作用的影響。其研究結果表明，磨細CFB灰可作為水泥混合材利用，強度、水泥安定性和凝結時間能滿足國家標準，CFB灰細度提高有利于水泥強度增加，CFB灰的最佳摻量為20%。但在公路建設中，特別是在路基填料方面的應用，目前報道較少，路基如何利用CFB粉煤灰的火山灰活性和自硬性還需進一步的研究。筆者以山西國道307線汾陽市過境改線工程為依托，采用室內試驗和現場試驗相結合的研究手段，對CFB粉煤灰在路基填料中的工程特性進行研究，分析其工程特性及應用效果。

1 工程概況

山西國道307汾陽市過境改線工程起點位于官道村國道307線K644+287處，經文峪西河（七支渠）、汾平高速G307連接線、西馬寨、宣柴堡、義安村、潴城村、趙家莊、喬家莊、牧莊村，終點在河北村國道307線（K667+000）處，路線全長27.194 km；道路等級為一級公路，雙向四車道，設計速度為80 km/h，路基寬24.5 m，全線填方量約200萬m3。路基填筑將需要大量的優(yōu)質路堤填料，但汾陽地處平原區(qū)，取土場地少，取土困難。汾陽市作為山西省的煤電產能大市，境內各火電廠年排灰渣量約1 000萬t，CFB粉煤灰、爐渣產量大，為了將CFB粉煤灰變廢為寶，采用CFB粉煤灰作為路基填料使用。

2 CFB粉煤灰性能試驗研究

對于CFB粉煤灰用作路基填料，其檢測方法、檢測指標等目前均沒有相應的規(guī)范、標準參考執(zhí)行，因此本次對CFB粉煤灰的試驗研究還是按《公路土工試驗規(guī)程》等規(guī)范執(zhí)行[8]。主要對CFB粉煤灰的化學組分、級配、壓實度、CBR值及燒失量等進行試驗分析，研究其作為路基填料的路用性能。

2.1 化學組分分析

CFB粉煤灰料選自汾陽市國峰電廠，總共3組試樣，分別產自2018年7月26日、2018年10月8及2018年11月22日，并與常規(guī)粉煤灰進行比較，其化學組分測試結果詳見表1。

表1 CFB粉煤灰及常規(guī)粉煤灰化學組分測試結果 %

從表1中對比可以看出，CFB粉煤灰中SiO2、Al2O3的含量與常規(guī)粉煤灰中SiO2、Al2O3的含量基本持平，CaO、SO3的含量比常規(guī)粉煤灰中CaO、SO3的含量高。其主要原因是SiO2、Al2O3、Fe2O3氧化物主要源自原煤的特性，其含量主要由燃煤自身中的石英、高嶺土以及黃鐵礦等礦物形成，因此兩者的差異不大。CFB粉煤灰中CaO、SO3的含量遠大于常規(guī)粉煤灰，主要是循環(huán)流化床鍋爐技術在燃煤的過程中加入了大量的石灰石或白云石作為脫硫劑，CaO的成分帶入較多，從而殘留在CFB灰中，同時由于脫硫劑的作用，燃煤中的S不能被燃燒排放到大氣中，以石膏的形式存在于CFB粉煤灰中，造成CFB灰中SO3的含量高。

正是因CFB粉煤灰中的CaO的含量達12.11% ～14.46%，遠大于常規(guī)粉煤灰中CaO的含量，所以CFB粉煤灰具有水化硬化特性，其自硬化機制主要由兩種化學反應產生：a）石膏、活性Al2O3和Ca(OH)2反應形成鈣礬石（Aft）；b）Ca(OH)2與活性SiO2反應形成水化硅酸鈣（C-S-H），所以CFB粉煤灰具有一定的自硬性。

2.2 室內土工試驗分析

2.2.1 顆粒級配分析

CFB粉煤灰顆粒級配采用密度計法測量，其顆粒級配曲線見圖1，從圖中可以看出粉煤灰粒徑分布范圍為0.075 ～0.001 mm之間；曲線在粒徑為0.05 ～0.01 mm階段較為陡峭；在粒徑小于0.05 mm之后，曲線發(fā)展趨勢較為緩和，表明CFB粉煤灰粒徑主要集中在0.05 ～0.01 mm范圍內，而在此范圍之外粒徑分布較為稀少，CFB粉煤灰顆粒較為均勻。

圖1 粉煤灰顆粒級配曲線圖

2.2.2 擊實試驗分析

從擊實曲線圖2看，各擊實樣含水量跨度較大，這是因為粉煤灰土樣存在黏粒較少，不同于普通黏性土擊實，含水量對壓實性的影響雖然不像黏性土那樣敏感，但仍然是有影響的，其擊實曲線與黏性土擊實曲線有很大差異。當含水量接近0時，它有較高的干密度；當含水量在某一較小的范圍時，由于假黏聚力的存在，擊實過程中一部分擊實能量消耗在克服這種假黏聚力上，所以出現了最低的干密度；隨含水量的不斷增加，假黏聚力逐漸消失，就又有較高的干密度。該土樣擊實試驗需要大量水分，因此在標準擊實能下，最優(yōu)含水量也較普通黏性土高，為34.6%，最大干密度為1.28 g/cm3。

圖2 干密度與最佳含水率曲線圖

表2 CFB粉煤灰干密度和含水率試驗結果

2.2.3 CBR試驗分析

圖3a表示膨脹量隨壓實度變化的關系曲線，從中可以看出，壓實度的提高與粉煤灰膨脹性的降低并無明顯的規(guī)律性，此外，在含水量41.6%下進行擊實，粉煤灰的膨脹性較大；圖3b表示膨脹量隨含水量變化的關系曲線，在含水率為39.6%時，3種擊實功下的膨脹量基本保持一致；在56擊的擊實功作用下，膨脹量隨初始含水量的增加而增加，在25擊和42擊的擊實功作用下，膨脹量則表現為先增大后減小，即在擊實功一定的前提下，初始含水量的增加反而會減緩粉煤灰出現的泡水膨脹，這也從另一方面說明了在較高的初始含水量時壓實填筑粉煤灰路基是可取的。

圖3 膨脹量與壓實度和含水量的關系

圖4a反映了CBR隨壓實度變化的關系圖，由圖中可以看出，不同含水量下的粉煤灰CBR值隨壓實度的增大而增大；在壓實度范圍超過83%后，曲線的斜率明顯增大，說明CFB粉煤灰壓實度越大，抗壓能力和抗變形能力越強；圖中CFB粉煤灰CBR最大達到了94%，而路基設計規(guī)范中路床填料最小承載比要求中最大值是上路床的值為8%，所以，室內試驗條件下，CFB粉煤灰的CBR值完全能夠滿足路基填料的要求。圖4b反映了CBR隨含水量變化的關系圖，由圖可知，在擊實功一定的情況下，粉煤灰的CBR與含水量的變化關系不如壓實度敏感，CBR隨著含水量的增加呈小幅度的下降。

圖4 CBR與壓實度和含水量的關系

2.2.4 燒失量試驗分析

利用工業(yè)廢渣填筑路基時，按現行的路基設計規(guī)范，燒失量是評價其能否用于路基填料的一項重要指標。本次共選取6組樣品（1 ～6號）進行CFB粉煤灰燒失量試驗，燒失量試驗結果見表3。

表3 CFB粉煤灰燒失量試驗結果表 %

從表3中可以看出，CFB粉煤灰的燒失量在4.68% ～7.50%之間，均值為5.86%，均滿足公路路基設計規(guī)范中燒失量不大于20%的要求，說明CFB粉煤灰中殘留的不穩(wěn)定物質含量較少，其填料對路基穩(wěn)定性影響小，完全可以用于路基填料中。

3 施工路段試驗驗證

為了驗證CFB粉煤灰能否用作路基填料，對現場填筑壓實后的路基進行了回彈模量檢測及路基開倉檢測，了解其強度及固化作用。

3.1 現場回彈模量測定

材料的抗壓回彈量是路面設計中重要的強度參數，本次現場試驗采用現場承載板法對回彈模量進行測定，分別對壓實后養(yǎng)護3 d、7 d、14 d的路基回填模量進行測定，測定結果見表4。

表4 CFB粉煤灰路基回彈模量測定結果表

從測定結果看，隨著CFB粉煤灰養(yǎng)護天數的增加，回彈模量值會快速增長，14 d齡期時回彈模量可達165.4 MPa，養(yǎng)護3 d其回彈模量也可達98.9 MPa，因此CFB粉煤灰路堤所測出回彈模量值均大于現行規(guī)范中所推薦回彈模量的高限，故采用CFB粉煤灰填筑路基，其強度是足以滿足設計要求的。

3.2 路基開倉檢測

路基剛開挖時，能夠明顯看到冒出的霧氣，見路基開倉檢測照片中圖5a，說明CFB粉煤灰填筑路基時水化作用比較明顯，挖出的路基料明顯呈大塊狀，固結作用明顯，見照片圖5b，進一步說明CFB粉煤灰中因CaO的含量較高，具有較強的水化硬化特性，壓實后易板結成形，強度高整體性好，能夠直接作為路基填料使用。

圖5 路基開倉檢測照片

4 結語

通過對CFB粉煤灰的化學組分、工程特性和用作公路路基填料現場的試驗研究，得出如下結論:

a）CFB粉煤灰中的CaO含量遠大于常規(guī)粉煤灰，具有較強的水化硬化特性，壓實后易板結成形，利于路基的穩(wěn)定，現場測得回彈模量可達165.4 MPa，能夠形成強度較高的整體；CFB粉煤灰燒失量在4.68% ～7.50%之間，滿足公路規(guī)范中燒失量不大于20%的要求，是一種優(yōu)質的路基填料。

b）CFB粉煤灰粒徑主要集中在0.05 ～0.01 mm范圍內，特征粒徑d30=0.029 mm，d50=0.034 mm，d60=0.037 mm，為級配分布較不良土。

c）CFB粉煤灰中活性成分遇水會發(fā)生水化反應，在加水拌和中吸附了大量水分，最優(yōu)含水量高達41.6%，因此施工中應重點關注粉煤灰含水量，并做到及時補充。

d）壓實度與CFB粉煤灰膨脹性并無明顯的規(guī)律性，在最優(yōu)含水量擊實，粉煤灰的膨脹性較大；不同含水量下的CFB粉煤灰CBR值隨壓實度的增大而增大，最大CBR可達到94%，遠大于公路路基填料要求，能夠用于路基工程中。