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煤气化炉渣路面基层材料研究与应用

发表时间：2020/12/21 来源：《基层建设》2020年第24期作者：刘德强

[导读] 摘要：在整体公路工程项目当中，路面结构作为至关重要的部分，只有保证路面基层施工工作取得极高的质量标准，才能够切实发挥出公路项目对于提高地区经济发展的重要作用。

       青岛达能环保设备股份有限公司山东青岛 266313
       摘要：在整体公路工程项目当中，路面结构作为至关重要的部分，只有保证路面基层施工工作取得极高的质量标准，才能够切实发挥出公路项目对于提高地区经济发展的重要作用。煤气化炉渣是煤化工行业排放的一种工业固废，具有压碎值高，吸水率大等特点，通过探讨水泥剂量、集料级配、粉煤灰掺量等因素对水泥稳定类煤气化渣路面基层材料力学性能的影响规律，研究煤气化炉渣路面基层材料长期力学性能、抗冻性以及施工性能，论证了煤气化炉渣路面基层材料在公路工程中应用的技术可行性。
       关键词：煤气化炉渣；水泥稳定；路面基层；粉煤灰；抗冻性
       引言：
       公路工程项目作为推动各个地区经济快速发展的重要部分，在后期公路工程使用当中，往往会出现不同程度的裂缝以及车辙等病害，降低公路项目稳定性的同时，严重情况下更会引发安全事故。随着公路工程施工数量以及规模持续扩大的基础上，社会各界人士更对其路面基层施工及材料提出了更高的标准。
       1路面基层工程常见病害
       1.1裂缝病害分析
       从公路路面常见裂缝病害下出发，主要涵盖横向与纵向两种形式的裂缝。不管是纵向还是横向的裂缝病害，都会对项目的使用周期造成严重的威胁。从横向裂缝视角下进行分析，因为外界温度变化下，一旦产生较大的温差，那么此时就影响基础层结构正常收缩的同时，最终形成裂缝现象；从纵向裂缝形式下进行分析，与施工人员路基填筑工序有着直接的关系，在实际的填筑操作当中，施工人员没有严格按照行业操作规范进行，忽视了压实环节重要性的基础上，极大地增加了后期裂缝问题的发生几率。
       1.2车辙病害分析
       经过实际调查发现，在后期公路路面结构使用当中，因为较多出行车辆的车轮带状凹槽下，一旦行车压力巨大，那么随着时间的推移，就会出现不同程度的车辙病害，一方面不利于项目平整性提高的同时，更会威胁到出行车辆的安全以及舒适性。当某些公路路面出现较为严重的辙槽时，鉴于暴雨天气下，辙槽处就会有大量的积水聚集，直接影响出行车辆的安全[1]。从产生车辙病害的根源方面来看，涵盖较多的因素，最常见的就是沥青面层操作当中，施工人员应该了较多的沥青材料，在没有控制好各种原材料配合比例的基础上，降低了粘层部分施工的质量水平，导致基层水稳定性较差。

       图1 车辙施工
       2煤气化炉渣路面基层材料性能影响因素研究
       2.1煤气化炉渣掺量
       用煤气化炉渣分别替代0、30%、70%、100%的天然砂石集料，研究煤气化炉渣掺量对传统水泥稳定碎石击实结果与抗压强度的影响。其中，掺量30%时煤气化炉渣只代替细集料，70%时煤气化炉渣代替细集料与5-15mm碎石，100%时煤气化炉渣全部代替砂石集料，且设计结构均为悬浮密实型。（1）随着煤气化炉渣掺量的增加，混合料最大干密度逐渐降低，最佳含水率逐渐增大。掺量为100%时最大干密度为1.58g/cm3，较不掺炉渣降低约30%；最佳含水量14%，较不掺炉渣提高了将近3倍。这与之前煤气化炉渣粗集料密度较碎石低35%，饱和面干吸水率为11.0%的结论相对应。（2）煤气化炉渣的掺入会导致混合料抗压强度降低，炉渣掺量100%时强度较不掺炉渣降低21%，但仍可达到3.3MPa。
       2.2煤气化炉渣级配
       总体来说，采用悬浮密实型级配或者掺入粉煤灰，可提高水泥稳定煤气化炉渣密实度，降低集料受压破碎程度，从而提高混合料强度，当然粉煤灰的作用有多个方面，可通过对比不同粉煤灰掺量对水泥稳定煤气化炉渣性能影响进行研究[2]。固定煤气化炉渣掺量100%，调整煤气化炉渣粗细集料的比例，形成级配1、级配2、级配3三种逐渐细化的水泥稳定煤气化炉渣级配，并在级配2中掺入了10%的粉煤灰形成级配4，研究集料级配、粉煤灰掺入对集料破碎程度及混合料密实度、抗压强度的影响。
       2.3粉煤灰掺量
       第一，粉煤灰作为微集料填充集料内部细微孔隙，提高水泥稳定煤气化炉渣的密实度；第二，粉煤灰较大掺量的添加，包裹集料形成缓冲层，从而有效降低受压时高压碎值煤气化炉渣颗粒相互挤压造成的原位破碎的概率；第三，粉煤灰具有潜在胶凝活性，在水泥的激发下形成相比水泥稳定煤气化炉渣更多的胶凝产物。粉煤灰掺量10%时结构最密实，粉煤灰掺量20%时混合料抗压强度最高，这种不一致性进一步验证了粉煤灰的物理填充致密、缓冲作用与化学胶结作用共同发挥，实现混合料抗压强度的提高，适宜的掺量区间应为10%-20%。
       2.4水泥剂量
       固定集料级配为级配2、级配4，探究不同水泥剂量对水泥稳定煤气化炉渣和水。泥粉煤灰稳定煤气化炉渣抗压强度的影响[3]。水泥（粉煤灰）稳定煤气化炉渣的抗压强度随着水泥剂量增加基本呈线性增长趋势，在水泥剂量从5.5%到9%范围内，水泥稳定煤气化炉渣抗压强度可达2.2-5.4MPa，水泥粉煤灰稳定煤气化炉渣可达3.2-6.8MPa，基本可以满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/TF20-2015）中各等级公路基层材料强度的要求。

       图2 水泥剂量对水泥（粉煤灰）稳定煤气化炉渣抗压强度的影响
       2.5长期力学性能与耐久性
       （1）从抗压强度发展来看，水泥（粉煤灰）稳定煤气化炉渣和水泥稳定碎石相同，90d龄期时抗压强度和劈裂强度发展基本稳定。同水泥剂量下，水泥稳定煤气化炉渣各龄期抗压强度均小于水泥稳定碎石，掺入粉煤灰后各龄期抗压强度增长超过20%，大于水泥稳定碎石；水泥稳定煤气化炉渣90d劈裂强度较水泥稳定碎石低24%，添加粉煤灰后劈裂强度增长率达45%，超过水泥稳定碎石；表明添加粉煤灰水泥稳定煤气化炉渣的抗压强度和抗拉强度均显著提高[4]。（2）从抗冻性指标来看，水泥稳定煤气化炉渣抗冻性较水泥稳定碎石提高13%，可达94.1%，添加粉煤灰后，抗冻性可提高至99.1，即在零下18℃的冻结温度下冻融5个循环抗压强度基本不降低，这是因为煤气化炉渣颗粒内部有大量闭孔及被封闭通孔存在，降低了材料的导热系数，所以水泥稳定煤气化炉渣具有优良的保温抗冻性；而粉煤灰的加入一方面提高基体强度，冻胀约束力增强；另一方面，添加粉煤灰后基层材料结构更为致密，水分所占孔隙体积减小，从而降低了冻胀发生的概率，所以粉煤灰的添加使得其抗冻性得到进一步提高。
       结论：
       总之，当煤气化炉渣完全代替天然砂石集料制备路面基层时，会大幅提高煤气化炉渣路面基层混合料最佳含水率，降低混合料最大干密度，同时7d无侧限抗压强度降低21%。采用悬浮密实结构、添加粉煤灰可防止煤气化炉渣受压破碎，提高混合料密实度，从而提高煤气化炉渣路面基层材料的抗压强度，粉煤灰掺量宜为10%-20%。煤气化炉渣路面基层设计龄期宜为90d，无论是抗压强度还是劈裂强度，都呈现水泥粉煤灰稳定煤气化炉渣最优，水泥稳定碎石次之，水泥稳定煤气化炉渣较差的规律，水泥及水泥粉煤灰稳定煤气化炉渣的抗冻性均明显高于水泥稳定碎石。
       参考文献：
       [1]阚愈.煤化工气化炉渣综合利用的现状与发展形势浅析[J].化工管理，2019（32）：110-111.
       [2]林雯，李宣军，车飞.基于CFD模拟的多喷嘴粉煤气化炉渣屏熔渣分布分析[J].大氮肥，2018，41（05）：289-291.
       [3]商晓甫，马建立，张剑，许丹宇，张良运，周金倩，段晓雨，张晓敏.煤气化炉渣研究现状及利用技术展望[J].环境工程技术学报，2017，7（06）：712-717.
       [4]何乐路，范小强，黄正梁，王靖岱，阳永荣，李勇，俞欢军.Shell粉煤气化炉渣池内熔渣沉积的周向分布特性[J].浙江大学学报（工学版），2017，51（04）：771-776.
       作者简介：
       刘德强（1965.12—），男，本科，从事节能环保产品的设计制造。