油页岩灰渣在道路材料中掺量的配比研究*

许晓东 关 旭 祝海燕

(1:吉林建筑工程学院交通科学与工程学院，长春 130118;2:吉林省高等级公路建设局，长春 130000)

0 引言

中国油页岩资源丰富，现已探明的储量为329.89亿t，主要集中在东北和中南地区，吉林省为174.27 t［1］.在油页岩早期开发阶段，对灰渣的处理都是将其直接堆置在附近，严重污染环境，危害居民健康［2］，据国内外对油页岩灰渣综合利用研究成果表明，用于生产空心砌块、空心砖的技术是成熟可靠的［3］.本文对油页岩灰渣在公路建设中进行应用研究，用于生产混凝土联锁块来砌筑路面，研究不同原材料、不同配合比油页岩灰渣混凝土的抗压强度变化规律来确定最佳配合比，为其锁块路面的生产和施工工艺提供依据.

1 油页岩灰渣的化学及物理特性

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.经电镜下鉴定，矿渣所含主要矿物质为高岭石，呈片状结构，细度在0 μm～5 μm;其次含非晶质矿物约35%，少量石英，粒度为 15 μm ～25 μm;铁、钛等矿物晶体难于辨认，嵌布粒度为 20 μm ～25 μm［3］.

1.1 油页岩灰渣的化学成分

吉林省汪清县罗子沟油页岩矿储量巨大，经过几年的开采和冶炼，产生了大量的废弃灰渣，严重污染了环境.为确定灰渣中的矿物含量，课题组现场取样委托相关实验室进行了成分分析和鉴定，并与其他油页岩矿的灰渣进行对比(如表1所示).其中前3种油页岩灰渣的成分是根据相关文献［4］得到，为焚烧后的灰渣，最后一种油页岩灰渣为炼油后剩余灰渣，其成分含量为课题组实测结果.

表1 油页岩灰渣的矿物成分 (%)

1.2 油页岩灰渣的级配分析

将油页岩灰渣制作成锁块铺筑路面，需与其他掺和料及水泥相拌和，锁块的路用性能还与油页岩灰渣的物理特性有关.研究其化学成分的同时，还对油页岩灰渣的表观密度、粒径与级配等进行测定分析.级配分析采用筛分法，除去大于16 mm的灰渣颗粒，取2组试样，烘干至恒重，冷却至室温后进行筛分试验，并对实验结果进行整理.课题组从集料筛分结果着手，掺入一定量的天然砂砾进行混凝土的各方面性能的研究与分析.

表2 油页岩灰渣0.075 mm～16 mm粒径集料的筛分结果

1.3 油页岩灰渣的密度测定

选用容量瓶法，通过测定M'(试样的烘干质量)、M(试样、水和容量瓶的总质量)、m(水和容量瓶的总质量)，计算不同粒径的表观密度(见表3).

表3 油页岩灰渣表观密度测定结果

由表3可见油页岩灰渣的粗、细集料的密度测定结果，通过试验测定，为后期油页岩灰渣混凝土的配合比设计及计算集料不同掺量提供依据.

2 试验方案设计

2.1 集料组成设计

集料组成设计依据集料筛分结果，计算符合级配要求范围的各矿料用量比例.方法选用试配法，具体过程在Excel中使用公式计算.

试验所用集料:① 油页岩灰渣原级配;② 实验室天然砂砾:d4.75～9.5，d0.075～4.75.

表4为油页岩灰渣粗集料的筛分结果，基本符合粗集料的目标级配要求，可不掺加实验室天然砂砾.

表4 试验粗集料组成设计

细集料试验优选粗砂(见表5)，油页岩灰渣细集料需掺入实验室天然砂砾方能满足目标级配范围要求，经研究分析，确定3种油页岩灰渣的原级配配比方案.

表5 试验细集料组成设计

2.2 油页岩渣联锁块混凝土配比设计

本课题选用正交试验设计方法来设计一套实验方案，选出具有代表性的实验，以便能达到满意的结果.因子:用水量、水泥用量、油页岩渣掺量;因子水平:油页岩灰渣不同掺量:A1，A2，A3;用水量:m1，m2，m3，水泥用量:M1，M2，M3(详见表6，表7).材料具体用量由经验公式推定计算［5］.

表6 油页岩灰渣原级配集料配比方案

表7 掺有原级配油页岩灰渣的混凝土正交试验方案设计 (kg)

3 油页岩灰渣混凝土的试验结果分析

在研究物理性质、化学性质的基础上，从抗压强度着手来验证油页岩灰渣的路用性能.按计算出的配合比，分组制作规定尺寸的3个同条件混凝土方块.完成后放入标准养护箱中静置1 d～2 d，编号拆模后养护至规定龄期，自养护箱取出，进行加荷，记下破坏时的极限荷载Fmax，计算其抗压强度，结果取平均值(见表8).

表8 油页岩渣原级配联锁块混凝土抗压强度测定结果

初步设计抗压强度接近20 MPa，难以满足道路使用要求.研究发现，随灰渣掺量减少强度增大，分析得出集料配比对强度影响较大.于是将灰渣原级配按粗、细集料筛分后与实验室天然砂砾组合试验(见表9).

表9 油页岩渣筛分后组合的混凝土抗压强度测定结果

由表9可见，油页岩灰渣混凝土的抗压强度有很大提高，已基本能够满足低等级道路的使用要求.

4 结论

试验表明，不同掺量、不同组成的油页岩灰渣混凝土块的抗压强度是不同的，主要取决于集料的性质.实验结果表明，掺入一定量的油页岩灰渣来加工混凝土联锁块修筑锁块路面是可行的，满足其强度和稳定性的要求，所铺筑的道路性能指标能达到使用要求，确定油页岩灰渣可用于道路材料掺料，变废为宝，具有很好的应用价值和广阔的发展前景.

［1］周庆凡.世界能源及其分布状况［J］.中国能源，2001，29(1):37 －39.

［2］陈洁渝，严春杰，李子冲.油页岩渣的综合利用［J］.矿产保护与利用，2006，6(12):41－45.

［3］高 健.页岩干馏后固体废物的利用途径［J］.辽宁城乡环境科技，2002，22(6):19－21.

［4］秦 宏，姜秀民，孙 键.中国油页岩的能源利用［J］.节能，1997(12):17－19.

［5］中华人民共和国国家标准.公路水泥混凝土路面施工技术规范(JTG F30－2003)［S］.北京:人民交通出版社，2003.