煤化工固体废渣用于路面工程无机结合料试验研究

2020-06-18申铁军汪晓勇

黑龙江交通科技 2020年6期

申铁军，汪晓勇

(山西路桥建设集团有限公司，山西太原 030006)

1 工业废渣应用背景

山西省煤炭资源极其丰富，煤化工企业数量多，以煤炭为原料通过化学加工生产石油、石化产品的工艺主要有：煤制烯烃、煤油共炼、煤直接液化、煤制乙二醇、煤间接液化。加工后形成的大量的工业固废渣无处可用，尽数填埋的情况，在环保形势高压的局面下尤为突出。煤化工固体废渣在资源化应用过程中存在的关键技术问题，在系统研究项目周边工业固废排放情况与物理化学特性的基础上，研发用于路面底基层、基层的代替碎石材料。

2 工业废渣调查

本公路建设项目周围地域面积约1 930 km2，周边基础工业主要有山西省阳城县固隆乡沟东煤矿、阳城北留煤炭火力发电厂、晋煤能源发电厂和位于沁水县的顺世达铸造厂等。煤矿固体废料主要是煤矸石，阳城县北留煤炭火力发电厂主要固废是粉煤灰，晋煤能源发电厂的主要固废是炉渣，顺世达铸造厂的主要固废是水渣。此外，炉渣生产地还有晋城市天泽集团化肥厂(在李村村弃渣场，距离公路建设项目25 km，储量约10万方；高平市晋丰煤化工厂(距离公路建设项目17 km，储量约10万方)。煤矸石生产地还有高平市建宁乡裕兴煤业(距离公路建设项目15 km，储量约10万方)；高平市高良村煤矿(距离公路建设项目19 km，储量约5万方。各类固废的储量及价格的详情见表1。

表1 项目周边主要固废一览表

3 煤化工固体废渣试验方案

(1)煤矸石与碎石的掺配比例按照其混合料的压碎值指标确定。确定了掺配比例后根据无机结合料击实试验计算出混合料的最佳含水率和最大干密度，然后在根据无机结合料无侧限抗压强度试验计算出混合料7 d无侧限抗压强度平均值，通过无侧限抗压强度判定混合料配比是否满足设计要求。

(2)给定炉渣在混合料中的掺量分别为5%、10%、15%，分别对上述掺量的混合料进行击实试验和7 d无侧限抗压强度试验，根据试验结果判定炉渣在混合料中的最佳掺量。

(3)水渣试验方法与炉渣相同。

4 煤化工固体废渣试验数据分析

4.1 水泥粉煤灰稳定材料中掺入煤矸石试验

(1)原材料试验

①筛分试验：20%煤矸石和80%碎石按照比例参配后的合成级配见表2。

表2 20%煤矸石和80%碎石按照比例掺配合成级配

②压碎值试验

根据JTG E42-2005试验规程，煤矸石和碎石按照比例参配混合料的压碎值试验结果见表3。

表3 煤矸石和碎石按照比例参配混合料的压碎值

依据《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20-2015中对于粗集料压碎值的技术要求，20%煤矸石+80%碎石这一配比的压碎值指标符合规范要求，故而选用这一配比做混合料试验。

(2)混合料试验

本试验的水泥粉煤灰稳定材料水泥选用P.C 42.5牌号，水泥掺量4%，水泥和粉煤灰比例为1∶3，矿料配比为10～30∶10～20∶5～10∶0～5∶煤矸石=20∶22∶15∶23∶20，根据JTG E51-2009规范中的无机结合料稳定材料击实试验，计算出混合料的最大干密度为2.192 g/cm3，最佳含水率为5.7%。混合料的7 d无侧限抗压强度试验结果见表4。

表4 混合料7 d无侧限抗压强度试验结果

依据上表的数据，可以计算出混合料7 d无侧限抗压强度的平均值为3.8 MPa，变异系数为8.68，Rc0.95=3.3。试件浸水后高度增长最大为0.1 mm，完全符合相关要求。

4.2 水泥粉煤灰稳定材料中掺入炉渣试验

(1)原材料试验

①筛分

炉渣和碎石按比例掺配后的筛分结果见表5。

表5 炉渣和碎石按比例掺配后的筛分结果

②压碎值

依据JTG E42-2005试验规范，计算出炉渣各粒级的压碎值数值如表6，并且得出炉渣压碎值指标。

表6 炉渣压碎值试验指标

(2)混合料试验

本试验的水泥粉煤灰稳定材料水泥选用P.C 42.5牌号，水泥掺量4%，水泥和粉煤灰比例为1∶3，炉渣的掺量分别为5%、10%、15%，对上述三种掺量混合料分别做击实试验和无侧限抗压强度试验的结果统计见表7所示。

表7 炉渣三种掺量混合料试验的结果统计

4.3 水泥粉煤灰稳定材料中掺入水渣试验

(1)原材料试验

表8 水渣和碎石按比例掺配后的筛分结果

(2)混合料试验

本试验的水泥粉煤灰稳定材料水泥选用P.C 42.5牌号，水泥掺量4%，水泥和粉煤灰比例为1∶3，水渣的掺量分别为5%、10%、15%，对上述三种掺量混合料分别做击实试验和无侧限抗压强度试验的结果统计见表9。

表9 水渣三种掺量混合料试验的结果统计

4.4 混合料指标分析

根据4%水泥用量，水泥粉煤灰比例为1∶3，按一定比例掺入煤矸石、水渣、炉渣的混合料强度指标分析，按照以下情况，再根据各材料储备量和成本核算综合确定合理掺量。

(1)掺入煤矸石的水泥稳定材料强度比水泥粉煤灰稳定碎石强度偏低17.5%，主要原因为煤矸石压碎值偏低。煤矸石和碎石比例为20∶80，混合料7 d无侧限抗压强度的平均值为3.8 MPa，变异系数为8.68，Rc0.95=3.3。试件浸水后高度增长最大为0.1 mm，可以初步判定加入煤矸石的混合料温缩、干缩和水泥稳定碎石基本接近，满足设计要求。

(2)掺入炉渣的强度高于水泥粉煤灰稳定碎石，强度提高36%左右，且掺量多少对强度影响不明显，考虑混合料拌合均匀性，建议掺量10%～15%。

(3)掺入水渣的强度高于水泥粉煤灰稳定碎石，强度提高5%～65%，且掺量越大强度提高越小，考虑混合料拌合均匀性，建议掺量5%～10%。

5 经济性对比

按照各材料比例和单价对混合料成本价比较见表10。

表10 掺入各工业废渣综合价对比表

从上表可以看出，掺20%煤矸石经济节约最大。

6 工业固体废渣基层路用性能评价

(1)水泥稳定煤化炉渣基层在山西老爷山-屯绛水库三级公路推广应用16 km，距今已12个月的龄期，铺筑的路面基层施工性能良好且强度满足要求，无温缩、干缩裂缝以及鼓包、膨胀现象实践证明：对炉渣的化学成分与矿物组成、物理力学性能、路用性能、环保性能的分析是科学合理的；各项技术参数以及体积稳定性、防水抗冻性经过详细分析与反复论证，是可以大面积规模化应用的。不同龄期钻芯强度试验结果见表11。

表11 不同龄期钻芯强度试验

(2)该试验路段铺筑沥青面层后已经开放交通300 d，在铺筑面层前及通车后持续观测了水泥稳定气化炉渣基层的强度变化以及路面的情况。水泥稳定气化炉渣基层采用常规洒水养生方式养护，未产生任何早期干缩、温缩裂缝；在交通载荷下，强度正常发展，未出现结构破坏等现象；2019年入冬以来(项目所在地冰冻线约1.1 m)也未出现冻胀现象，路面平整无反射裂缝出现，初步表明水泥稳定气化炉渣基层抗干缩、抗温缩、抗冻效果良好，在交通载荷的作用下，路面行车质量、路面承载能力、结构完整性等路用性能均表现正常。