CFB粉煤灰在路基填料中的工程特性研究

2021-07-14高福宁周国园邓小鹏

山西交通科技 2021年3期

高福宁，岳峰，刘耀，周国园，邓小鹏

（1.山西诚达公路勘察设计有限公司，山西太原 030006；2.山西能源学院，山西晋中 030600）

0 引言

近年来，为控制电厂NOx、SO2的排放，减少环境污染，循环流化床（CFB）锅炉以其高效脱硫、低氮排放的优势，在低热值燃料的利用中发挥着重要作用，已经代替传统的煤粉锅炉成为发电厂燃烧锅炉的主要型式。循环流化床粉煤灰（CFB粉煤灰）指的是燃煤电厂采用循环流化床锅炉对燃煤进行燃烧，并喷入一定量的固硫剂进行脱硫后除尘收集的粉末，燃煤一般都是低热值煤，燃烧的温度一般在850℃～900℃，远低于传统的煤粉炉1 300℃～1 600℃的燃烧温度，使得CFB粉煤灰在化学成分、矿物组成、物理性质等方面与传统粉煤灰都有较大的差异[1]，因此不能对CFB粉煤灰采用常规的方式进行处理。由于循环流化床（CFB）锅炉燃烧的温度较低，燃煤燃烧得并不充分，产生的固废排放量要高，同等燃煤量下固废排放量比煤粉锅炉燃煤要高出50%左右。据报道，我国每年CFB灰渣排放量达到了0.8～1.5亿t[2]，其中CFB粉煤灰约占40%，但因CFB粉煤灰钙硫含量高、需水量大、早期强度低，很大程度地限制了其在基础建设中的应用，造成大量的粉煤灰堆积于地，占用大量土地，因此CFB粉煤灰的处理及利用是一急需解决的问题。

近年来，对于CFB粉煤灰资源化利用主要集中在建筑材料上，其中，CFB粉煤灰一般作为凝胶材料，代替部分石膏用作水泥混合材和混凝土掺合料，对水泥的凝结时间进行调节，可配制微膨胀混凝土；牛茂威，等[3]、钱觉时[4]、杨娟[5]、高燕[6]、霍琳[7]等研究了CFB灰作为混合材对水泥性能、水化作用的影响。其研究结果表明，磨细CFB灰可作为水泥混合材利用，强度、水泥安定性和凝结时间能满足国家标准，CFB灰细度提高有利于水泥强度增加，CFB灰的最佳掺量为20%。但在公路建设中，特别是在路基填料方面的应用，目前报道较少，路基如何利用CFB粉煤灰的火山灰活性和自硬性还需进一步的研究。笔者以山西国道307线汾阳市过境改线工程为依托，采用室内试验和现场试验相结合的研究手段，对CFB粉煤灰在路基填料中的工程特性进行研究，分析其工程特性及应用效果。

1 工程概况

山西国道307汾阳市过境改线工程起点位于官道村国道307线K644+287处，经文峪西河（七支渠）、汾平高速G307连接线、西马寨、宣柴堡、义安村、潴城村、赵家庄、乔家庄、牧庄村，终点在河北村国道307线（K667+000）处，路线全长27.194 km；道路等级为一级公路，双向四车道，设计速度为80 km/h，路基宽24.5 m，全线填方量约200万m3。路基填筑将需要大量的优质路堤填料，但汾阳地处平原区，取土场地少，取土困难。汾阳市作为山西省的煤电产能大市，境内各火电厂年排灰渣量约1 000万t，CFB粉煤灰、炉渣产量大，为了将CFB粉煤灰变废为宝，采用CFB粉煤灰作为路基填料使用。

2 CFB粉煤灰性能试验研究

对于CFB粉煤灰用作路基填料，其检测方法、检测指标等目前均没有相应的规范、标准参考执行，因此本次对CFB粉煤灰的试验研究还是按《公路土工试验规程》等规范执行[8]。主要对CFB粉煤灰的化学组分、级配、压实度、CBR值及烧失量等进行试验分析，研究其作为路基填料的路用性能。

2.1 化学组分分析

CFB粉煤灰料选自汾阳市国峰电厂，总共3组试样，分别产自2018年7月26日、2018年10月8及2018年11月22日，并与常规粉煤灰进行比较，其化学组分测试结果详见表1。

表1 CFB粉煤灰及常规粉煤灰化学组分测试结果 %

从表1中对比可以看出，CFB粉煤灰中SiO2、Al2O3的含量与常规粉煤灰中SiO2、Al2O3的含量基本持平，CaO、SO3的含量比常规粉煤灰中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、高岭土以及黄铁矿等矿物形成，因此两者的差异不大。CFB粉煤灰中CaO、SO3的含量远大于常规粉煤灰，主要是循环流化床锅炉技术在燃煤的过程中加入了大量的石灰石或白云石作为脱硫剂，CaO的成分带入较多，从而残留在CFB灰中，同时由于脱硫剂的作用，燃煤中的S不能被燃烧排放到大气中，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的含量达12.11% ～14.46%，远大于常规粉煤灰中CaO的含量，所以CFB粉煤灰具有水化硬化特性，其自硬化机制主要由两种化学反应产生：a）石膏、活性Al2O3和Ca(OH)2反应形成钙矾石（Aft）；b）Ca(OH)2与活性SiO2反应形成水化硅酸钙（C-S-H），所以CFB粉煤灰具有一定的自硬性。

2.2 室内土工试验分析

2.2.1 颗粒级配分析

CFB粉煤灰颗粒级配采用密度计法测量，其颗粒级配曲线见图1，从图中可以看出粉煤灰粒径分布范围为0.075 ～0.001 mm之间；曲线在粒径为0.05 ～0.01 mm阶段较为陡峭；在粒径小于0.05 mm之后，曲线发展趋势较为缓和，表明CFB粉煤灰粒径主要集中在0.05 ～0.01 mm范围内，而在此范围之外粒径分布较为稀少，CFB粉煤灰颗粒较为均匀。

图1 粉煤灰颗粒级配曲线图

2.2.2 击实试验分析

从击实曲线图2看，各击实样含水量跨度较大，这是因为粉煤灰土样存在黏粒较少，不同于普通黏性土击实，含水量对压实性的影响虽然不像黏性土那样敏感，但仍然是有影响的，其击实曲线与黏性土击实曲线有很大差异。当含水量接近0时，它有较高的干密度；当含水量在某一较小的范围时，由于假黏聚力的存在，击实过程中一部分击实能量消耗在克服这种假黏聚力上，所以出现了最低的干密度；随含水量的不断增加，假黏聚力逐渐消失，就又有较高的干密度。该土样击实试验需要大量水分，因此在标准击实能下，最优含水量也较普通黏性土高，为34.6%，最大干密度为1.28 g/cm3。

图2 干密度与最佳含水率曲线图

表2 CFB粉煤灰干密度和含水率试验结果

2.2.3 CBR试验分析

图3a表示膨胀量随压实度变化的关系曲线，从中可以看出，压实度的提高与粉煤灰膨胀性的降低并无明显的规律性，此外，在含水量41.6%下进行击实，粉煤灰的膨胀性较大；图3b表示膨胀量随含水量变化的关系曲线，在含水率为39.6%时，3种击实功下的膨胀量基本保持一致；在56击的击实功作用下，膨胀量随初始含水量的增加而增加，在25击和42击的击实功作用下，膨胀量则表现为先增大后减小，即在击实功一定的前提下，初始含水量的增加反而会减缓粉煤灰出现的泡水膨胀，这也从另一方面说明了在较高的初始含水量时压实填筑粉煤灰路基是可取的。

图3 膨胀量与压实度和含水量的关系

图4a反映了CBR随压实度变化的关系图，由图中可以看出，不同含水量下的粉煤灰CBR值随压实度的增大而增大；在压实度范围超过83%后，曲线的斜率明显增大，说明CFB粉煤灰压实度越大，抗压能力和抗变形能力越强；图中CFB粉煤灰CBR最大达到了94%，而路基设计规范中路床填料最小承载比要求中最大值是上路床的值为8%，所以，室内试验条件下，CFB粉煤灰的CBR值完全能够满足路基填料的要求。图4b反映了CBR随含水量变化的关系图，由图可知，在击实功一定的情况下，粉煤灰的CBR与含水量的变化关系不如压实度敏感，CBR随着含水量的增加呈小幅度的下降。