油页岩灰渣在道路工程中的应用研究

2012-10-12张凤泉李文强许晓东

吉林建筑大学学报 2012年2期

张凤泉李文强关旭许晓东

(1:延边公路工程质量监督站，延吉 137001;2:安图县交通局，安图 133600;3:吉林省高等级公路建设局，长春 130021;4:吉林建筑工程学院交通科学与工程学院，长春 130118)

0 引言

油页岩是一种天然的、不能渗透的、纹理细密的黑色或棕色片状可燃化石燃料，灰含量大于33%，所含的有机物需要通过干馏产生油［1］.中国是一个油页岩资源丰富的国家，储量仅次于美国、巴西和爱沙尼亚，居世界第4位，现已探明的油页岩储量为329.89亿t，分布于15个省份(区)，主要集中在东北和中南地区，其中，吉林省油页岩储量为174.27 t，广东省油页岩储量为55.15亿t，辽宁省油页岩储量为45.05亿t，分别占全国油页岩查明资源量的52.83%，16.72%和13.65%.但油页岩在干馏后，所得的残渣占80% ～90%左右，灰分含量大于40%，而油页岩完全燃烧后，质量一般减轻30% ～40%，燃烧部分为含油物质，余下部分主要为矿渣.目前虽然国内的油页岩灰渣存量尚无准确数据，但根据页岩油的产量可知其灰渣的产量巨大，仅延边州汪清罗子沟页岩干馏生产线每年就可产生105.20 t灰渣.在油页岩开发的早期阶段，由于缺乏环境保护意识与可持续发展观念，对油页岩灰渣的处理方式都是将其直接丢弃堆置在附近，严重污染了周围的水源、土地及植物，危害居民健康.因此，寻求油页岩灰渣的综合利用途径越来越得到人们的重视.

1 油页岩灰渣的应用研究现状

早在20世纪40年代，国际上对油页岩废渣的再利用就已开始，对油页岩工业生产加工过程中所带来的环境问题的关注则始于20世纪60年代;到80年代，有关这方面的研究工作更深入、更系统，而且，每隔几年就会举行一次关于油页岩问题的国际会议，几乎每次会议都有关于利用油页岩废弃物的报道.其中，以培肥树草与蔬菜的报道较多.在爱沙尼亚，早在1944年就开始用页岩灰作为肥料.当时，页岩灰渣磨细后作钾肥使用，结果发现，能显著提高农作物的产量，还能增加土壤中的Ca，B，Cu，Zn，Mo等元素的含量，从而提高土壤肥力.到80年代末，爱沙尼亚把使用页岩肥列入农业发展纲要，并计划对油页岩露天采矿区进行生态恢复，全面评价矿区在恢复过程生物产品的经济、环境与社会效益.

德国油页岩用于流化燃烧，其热值很低，仅为3 400 kJ/kg，有机质含量仅为9%，铝甄油收率4% ～4.5%，灰含量高达71%.德国道顿毫逊(Dttern－hausen)的鲁拔赫(Rohrbach)水泥厂的颗粒页岩沸腾燃烧流程:油页岩露天开采，破碎筛分至0～10 mm入炉，沸腾燃烧产生水蒸气，去蒸汽透平发电，产生7 500 kW电力，烟气则经电气除尘器排放，页岩灰分别从炉底、沉降室底部，以及电气除尘器底排出，作水泥原料.年采油页岩36×104t，沸腾燃烧用27×104t，另有9×104t则直接去水泥窑作为制取水泥熟料的原料，页岩灰和熟料混合成波特兰水泥.德国鲁尔巴赫水泥厂于2005年并入瑞士大型水泥生产商—霍尔瑟姆(Holcim)集团，仍利用油页岩燃烧提供该厂电力及页岩灰来制水泥［2］.

根据目前国内外对油页岩灰渣综合利用研究成果主要是生产烧结砖［3］，另外，水泥工业使用页岩灰，不但可以降低水泥生产成本，而且可以提高其硬度，若作为沥青混凝土的掺合剂，能提高混凝土的耐久性.当前关于油页岩渣在水泥中利用方面的研究较少，20世纪90年代初，华南理工大学苏达根教授曾用广东茂名含稀土的干馏油页岩废渣替代粘土作为水泥原材料进行试验，结果证明，这种水泥生料易烧性得到改善，凝结时间基本不变，水泥熟料强度和质量明显得到提高.但此研究仅针对干馏后的油页岩渣进行试验，而且也没有扩大投产［4］.可见，目前尚没有很好的方法来大量处理油页岩矿渣和灰渣.因此，将其用于矿区周边道路的修建，进行废物利用必将改善自然环境并节约大量的建设资金.

2 油页岩灰渣联锁块的研制与应用

2.1 油页岩灰渣联锁块的材料配合比

油页岩灰渣具有一定的活性，用其制成的砌块在建筑领域有一定的应用，交通领域也有广泛的应用前景，可将其用作修筑低等级联锁块道路的材料或主要掺料.此项研究是一种道路结构层材料，是指一种利用掺有油页岩灰渣的混凝土联锁块路面砖来砌筑道路面层.因此，研究组将取得的油页岩灰渣与天然砂砾按照一定比例混合进行试验，制作油页岩灰渣混凝土来研究不同原材料、不同配合比的油页岩灰渣混凝土的抗压强度和抗折强度，以及抗冻等方面的性能指标，进而确定最佳配合比和正确的生产方法，为油页岩灰渣混凝土联锁块路面的生产和施工工艺提供依据.

研究油页岩灰渣性能从其物理及化学性质着手，包括其矿物成分、粒径级配及密度特性.在此基础上，将其与天然沙砾组合，制作符合规定的油页岩灰渣混凝土，经过标准养护后自养护箱取出进行试验，定期测定其各方面性能指标参数，并进行统计、比较、分析，研究不同原材料、不同配合比页岩灰渣混凝土的强度等变化规律，选择最佳配合比，从而创造更好的经济和环境效益.

课题组通过大量的试验研究，得到了不同材料配合比下的混凝土强度:

(1)油页岩灰渣︰水泥︰水(重量比)=1︰0.23︰0.22，抗压强度为16.21 MPa;

(2)油页岩灰渣︰水泥︰水(重量比)=1︰0.33︰0.20，抗压强度为18.22 MPa;

(3)油页岩灰渣︰水泥︰水(重量比)=1︰0.31︰0.15，抗压强度为19.31 MPa;

(4)油页岩渣(d4.75～9.5)︰天然砂砾(d2.36～4.75)︰水泥︰水(重量比)=1 ︰ 0.49 ︰ 0.11 ︰ 0.2，抗压强度为23 MPa;

(5)油页岩渣(d4.75～9.5)︰天然砂砾(d2.36～4.75)︰水泥︰水(重量比)=1 ︰ 2.03 ︰ 0.63 ︰ 0.3，抗压强度为28 MPa.

2.2 油页岩灰渣联锁块的尺寸及强度对行车性能的影响

联锁块路面由于平整度差，不适于高速行车，可应用于农村低等级道路.课题组的试验研究及国内外相关研究结果表明，油页岩灰渣混凝土块的强度均可达到农村低速车辆的使用要求.国内已有的《联锁型路面砖路面施工及验收规程(CJJ79－98)》［5］对联锁块路面砖的强度、最小厚度、块行及铺筑形式等进行了规定，但规程中对锁块路面砖的抗压强度要求较高.如主干路、次干路路面砖抗压强度需达到50 MPa以上，平均值需达到60 MPa.支路、街道、居住区道路的抗压强度要求逐渐降低，最低需达到25 MPa以上.与其强度相对应的块体最小厚度要求为60 mm～100 mm，主干路、次干路和支路为双向联锁铺筑.另外，《港口道路、堆场铺面设计与施工规范(JTJ296－96)》［6］5.3.3条规定联锁块混凝土抗压强度不宜低于50 MPa.Shackel等人研究［7］认为，混凝土块体的强度在25 MPa～55 MPa范围内时，其道路铺面对结构的性能没有影响.而对块体的厚度则有两种观点，一种认为联锁块的尺寸对荷载的扩散没有影响;另一种观点则认为块体的厚度增加会改善路面结构的受力性能.当锁块的尺寸大于60 mm时，基层中的应力趋于减小，即块层的崁锁作用趋于增强.图1为课题组设计的几种油页岩灰渣联锁块形状，其中，S－型、U－型和R－型为带有齿边的矩形块材，而边缘尺寸表现为不规则形状;D－型和H－型为3个六边形的组合，制作时整体浇筑成型.铺筑时，使各联锁块齿边相互咬合，可以按照一个方向铺设，也可以纵横交错铺设.

图1 油页岩灰渣混凝土联锁块的形状

3 油页岩灰渣应用于沥青混凝土路面可行性分析

由于油页岩灰渣中含有多种矿物成份，如SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO等具有一定的活性，遇水后可发生缓慢的水化反应生成稳定的物质.若将油页岩灰渣粉碎后用来拌制沥青混凝土，可能会在不降低其强度的情况下提高延性性能.同时较细的油页岩灰渣颗粒还可能改善沥青混合料的级配，增强沥青路面的耐水性能.在我国北方寒冷地区，冬季气温最低可达零下40℃，常常会使路面发生龟裂和冻胀现象，在春季则表现为开裂和翻浆，严重增加了道路的维护成本.因此，提高沥青混凝土的延性性能，尤其是低温下的性能，是提高抗裂性能的关键.增强沥青路面的耐水性，可防止和减轻冻融的损害.南方由于冰冻期短或没有冰冻期，有的公路采用沥青混凝土透水路面，雨季时可快速排干路面积水.在北方则不同，不仅雨季短，同时冬季寒冷，会使沁入路面内的水分反复冻融，使路面过早破坏.因此，为抵御道路的冰冻灾害，宜将路面设计为耐水路面或不透水路面.油页岩灰渣中较细的活性颗粒，可能会使沥青路面的耐水性能得到有效提高.

世界上只有美国和德国的页岩油炼油效率能够达到100%，其他国家不是技术不够先进，就是无条件配套先进设备.在国内，炼油后的油页岩灰渣，一般都含有10% ～20%的页岩油尚未提炼出来.未提炼出来的页岩油，在拌制沥青混合料的过程中是否会改善沥青的性能，目前还不清楚.由于北方地区的沥青混凝土道路铺筑时，多数情况下都采用热拌沥青混合料，热拌过程中的高温有可能会提高油页岩灰渣与沥青的结合性能，因为油页岩灰渣中的页岩油与沥青为属性相近的有机物.内部含油的油页岩灰渣也有可能进一步增强沥青路面的延性和耐水性能，但其真实性尚需试验证明.