水泥粉煤灰稳定煤矸石碎石应用研究综述及展望

段军库 严鹏飞

摘  要：2019年宁夏全年产生粉煤灰、炉渣、脱硫石膏和煤矸石等工业固废1750余万t，2020年将超过2000万t。为减少宁夏固废中粉煤灰及煤矸石对环境的不利影响，对现有水泥粉煤灰稳定煤矸石碎石的研究进行的综合分析，发现该种材料有很好的应用前景，本文提出了将水泥、粉煤灰、煤矸石按照一定配比共同应用到道路路面基层中代替传统土石混合料的研究方案。水泥粉煤灰稳定煤矸石碎石应用不仅能够减少砂土石的消耗，节约自然资源，而且还能够消耗本地大量的固体废料，实现巨大的经济效益、环境效益和社会效益。

关键词：粉煤灰  煤矸石  土石混凝土  稳定煤矸石碎石

中图分类号：U414                               文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2020）08（b）-0011-04

Abstract： In 2019， Ningxia produced more than 17.5 million tons of industrial solid wastes such as fly ash， slag， desulfurized gypsum and coal gangue， which will exceed 20 million tons in 2020. In order to reduce the adverse effects of fly ash and coal gangue in Ningxia solid waste on the environment， the comprehensive analysis of the research on the existing cement fly ash stabilized coal gangue macadam is carried out， and it is found that this kind of material has a good application prospect. In this paper， the research scheme of applying cement， fly ash and coal gangue to replace the traditional earth rock mixture in the road base according to a certain proportion is proposed. The application of cement fly ash stabilized gangue macadam can not only reduce the consumption of sand and earth， save natural resources， but also consume a large number of local solid waste， and achieve huge economic， environmental and social benefits.

Key Words： Fly ash; Gangue; Earth rock concrete; Stable gangue macadam

1  研究背景

煤炭及煤化工行业是宁夏回族自治区的传统支柱产业，2016年全區原煤产量7075万t，实现工业增加值210.6亿元，占全部工业比重的20.3%;现代煤化工总产值占全部化工行业的37%左右，已形成产能1229万t，煤炭预测资源量2029亿t，累计探明储量338亿t，居全国第6位，人均保有储量居全国第2位。全区国有重点煤矿采煤机械化和掘进机械化程度分别达到98%和92%，全区集中规模化转化的煤炭占总消费量的79%，煤层气利用率50%。神华宁煤等企业先后攻克了大型先进煤气化、合成气变换新技术、大型煤制甲醇、煤间接液化、煤制烯烃等一大批技术难题，技术创新和产业化均走在世界前列，宁东能源化工基地是宁夏回族自治区工业经济发展最为迅速的工业基地，也是我国煤化工产业的重要的基地的一员，在保障国家煤炭能源安全、提高煤炭行业技术创新等多方面发挥着重要作用。煤矸石是煤炭开采中产生的固体工业废渣。宁夏煤矸石年产量巨大，主要堆积在宁东渣场，其再利用率并不高，占用了很多土地资源。长期堆积的煤矸石会散发出一些有毒的气体造成大气污染;有些煤矸石堆积场有可能发生自燃现象，对环境的污染较为严重。

煤炭应用及技术的发展充分利用了区内煤炭资源，丰富的煤炭资源促使宁夏地区大部分电厂和供热公司采用火力发电，在生产活动中会产生大量的粉煤灰。粉煤灰的产生量很大，通常每消耗2t煤就会产生1t粉煤灰，巨量堆放的粉煤灰不仅污染环境，而且造成资源浪费。炉渣是指烧烟煤的炉渣，即烧锅炉的炉渣，一般结成焦块，在生产中要用球磨机粉碎，过筛洗净之后使用，相对粉煤灰，炉渣经过高温煅烧灭菌有害物质较少，对环境影响伤害低。

道路地基基础处理是道路建设中至关重要的一环节，地基的好与坏关系到后期道路的使用安全和服役年限，因此，需要保证基础质量。地基基础材料通常为土石混合料，砂土石方是建筑兴建过程中必须消耗的原料，近20年来随着我国各项建筑的蓬勃发展，对于土石原料的需求殷切，全国95%以上的砂石来自河流山川，但是随着不断挖掘之后已逐渐枯竭。寻找可替代材料来减少砂石的消耗成为当务之急。充分了解粉煤灰、炉渣和煤矸石的使用价值，将其应用到道路基础建设中，实现资源和土地的有效利用。

2  相关领域区内外技术现状和发展趋势

2.1 粉煤灰的研究及应用

孔德顺采用某发电厂的粉煤灰和炉渣为主要材料，水泥为辅助材料，将粉煤灰和炉渣脱水之后和水泥按照一定比例混合搅拌成型，制备出非烧结常温常压养护的炉渣烧结砖;方小婉以渠道衬砌混凝土为研究对象，分析粉煤灰和炉渣单掺和复掺两种情况下的混凝土强度和抗渗性能，结果表明：单掺情况下，随着掺量的增加混凝土的弹性模量总体呈先增大后减少的趋势，粉煤灰的作用效果优于炉渣[1];随着生态环保的发展，大体积混凝土中添加粉煤灰的用量也逐渐增大，赵志方研究了大体积混凝土的超高掺量粉煤灰常态大坝混凝土（UHVFA）在绝热模式和温度匹配模式（TMC）两种温度养护下的热膨胀系数变化，与参照混凝土对比发现，在两种模式的养护下，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的热膨胀系数呈逐渐减少的趋势[2];陈岚等人利用粉煤灰的吸附性借用超声波探究粉煤灰的去污能力，在实验室内以亚甲基蓝模拟污染物，通过不断增加粉煤灰的剂量确定粉煤灰的去污能力，同时超声波对粉煤灰的吸附有促进作用，通过试验证实了粉煤灰可以处理污水或污染物[3];粉煤灰作为活性矿料，在试验及应用中常作为水泥的替代品以减少生产中水泥的用量，达到节约经济的目的，吴志良研究了粉煤灰掺量对自密实混凝土强度和拌合物性能影响，研究结果表明：加入粉煤灰后自密實混凝土前期强度较对照混凝土低，但后期强度比对照混凝土高[4];Golewski对掺加粉煤灰的混凝土复合材料进行了抗压强度和断裂韧性试验，认为达到最大断裂韧性的掺量为17%，掺量小于25%断裂韧性成规则分布，超过该值时断裂韧性降低[5]。

2.2 炉渣的研究及应用

炉渣作为替代骨料的道路垫层材料，为保证其抗剪切强度张攀对不同干密度和不同龄期的饱和炉渣进行了不同围压的三轴固结排水试验，结果表明：炉渣在50 100 kPa的围压条件下，其应力应变变化有应变软化的现象，在200 400 kPa的围压条件下，其应力应变变化有应变硬化现象[6];Viet初步采用三组粉煤灰、矿渣和水泥的级配用于制备新型膏体填充材料，通过塌落度、抗压强度和泌水率的变化规律得出粉煤灰、炉渣和水泥的质量比为20：48：6时膏体质量最佳[7];袁满昌等人通过对国内焚烧炉渣的现状进行了分析，因地制宜的采取相关综合处理技术方案对固体废料集中处理，保证集料的品质和再利用价值[8-9];刘青采用氨浸炉渣的工艺方法，从浮选尾砂与氨固液比、浸出温度、浸出时间、溶液搅拌转速和助浸剂作用效果等因素讨论了氨浸方法的最佳参数，在尾矿与25%～28%浓氨水的质量比为1︰1.4，浸出温度60℃，浸出周期8 h，溶液搅拌转速700 r/min，助浸剂（NH4）2SO4添加量0.2 mol/L时浸出率达89.24%[10]。

2.3 煤矸石的研究及应用

国内学者对煤矸石碎石作为沥青混合料的骨料进行了很多可行性分析研究。冯新军等研究了煤矸石粉、矿粉掺量对沥青混合料的路用力学性能的影响规律发现：煤矸石粉的比表面大于矿粉的比表面积，且其表面更为粗糙，其碱性和活性比矿粉更好，促使在骨料表面形成的结构沥青更多，提高了骨料之间的粘结力，增强了沥青混凝土的抗剪强度和高温稳定性[11-14];为检测煤矸石强度，李霖皓选取了不同地区的煤矸石进行干湿循环下煤矸石强度变化试验，试验结果表明在水、硫酸盐溶液干湿作用下，煤矸石的软化系数低于石灰石骨料，硫酸盐溶液干湿作用对煤矸石强度影响较大[15]。

宁夏回族自治区银川市位于贺兰山东麓，在风搬运及雨水冲刷的作用下，使得从贺兰山到银川市城东地基土呈现出明显的变化过程，地基土为分别飘石、卵石、碎石、中砂、细沙、粉砂土和黏土。在银川西夏区地基土以粉细砂为主。在以砂土为地基的基础上修筑建筑物，若不对砂土进行加固处理，地基会发生过大不均匀变形或地基渗流可能会造成基础沉陷、基础及地梁被拉裂、墙体裂缝、建筑物倾斜等危害，为了杜绝事故的发生，保证建筑物的使用安全，应对建筑场地进行详细勘察，判断是否需要对地基进行加固治理。

3  研究方案设计

粉煤灰、炉渣以及煤矸石等工业废渣是用途广泛的二次资源，国内外已将粉煤灰广泛应用于建材、环保、农业及化工等众多领域，与西方发达国家相比，我国粉煤灰、炉渣以及煤矸石的利用率偏低。因此，我们要根据其特征，加大对粉煤灰在道路工程中应用研究，使其“化害为利、变废为宝”，从而实现可持续发展。后期的研究方案如下。

（1）粉煤灰炉渣及煤矸石分类。

将粉煤灰根据灰度进行分类确定使用用途，灰度较高的粉煤灰可以作为水泥混凝土的填料提高混凝土强度，灰度低的粉煤灰作为细集料用于土石混合料的拌合物;炉渣和煤矸石按照质量品质进行划分，质量优良材料可作为上基层材料，次等级炉渣和煤矸石可以考虑用于底基层混合料，材料分类能够将材料用于不同的结构层。

（2）确定粉煤灰、炉渣及煤矸石掺量。

通过查阅相关资料确定粉煤灰、炉渣及煤矸石的掺量范围，并通过试验确定三种材料分别在单掺、双掺及混掺情况下各自在土石混合料中的掺量，并确定出混合料的级配。

（3）施工工艺。

各个材料施工设计级配不同其施工工法也不尽相同，通过铺筑试验路段确定在各种情况下基层的机械组合、松铺厚度、碾压遍数、碾压速率及最佳含水率等压实工艺，同时检测填料的各项性能是否符合相关标准要求。

4  结语

粉煤灰、炉渣及煤矸石的使用能够减少工厂对粉煤灰、炉渣及煤矸石的存贮空间，避免其产生的有害物质对环境的污染，实现保护环境、节约资源的目的;粉煤灰、炉渣及煤矸在道路基础中的应用不但减少天然土石料的使用，而且在保证道路基层厚度的同时降低了材料费用。粉煤灰、炉渣及煤矸石作为工业废料价格低廉，利用粉煤灰、炉渣及煤矸石替代砂石，能够节省购买砂石的费用;道路建设对粉煤灰、炉渣及煤矸石的需求有助于煤化工业对废料的处理，减少相应管理投入的人力、物力和财力以及保管所需要占用的土地。

参考文献

[1] 方小婉，张永树，赵瑶，等.粉煤灰和矿渣双掺混凝土弹性模量及抗渗性研究[J].西北农林科技大学学报自然科学版，2019，47（9）： 139-145.

[2] 赵志方，张广博，施韬.超高掺量粉煤灰大体积混凝土早龄期热膨胀系数[J].水力发电学报， 2019（6）：41-48.

[3] 曹世玮，荆肇乾，王祝来，等.不同粉煤灰陶粒在水处理中去污机制研究[J].森林工程，2019，35（4）：97-104.

[4] 吴志良.粉煤灰在自密实混凝土中的应用研究与分析[J].江西建材，2019（5）：21-22.

[5] Golewski G L . Estimation of the optimum content of fly ash in concrete composite based on the analysis of fracture toughness tests using various measuring systems[J]. Construction & Building Materials， 2019， 213：142-155.

[6] 張攀，徐永福.城市固体垃圾炉渣的三轴试验研究[J].长江科学院院报，2019，36（5）：104-107.

[7] 王东.热电厂炉渣作为煤矿膏体充填材料的配比试验研究[J].中国安全生产科学技术，2018，14（1）：49-55.

[8] 袁满昌，温冬.焚烧炉渣的综合处理与资源化利用研究[J].环境卫生工程，2019，27（2）：45-50.

[9] 郑秀亮.阳江：下定决心清除炉渣堆场[J].环境，2019（5）：39-41.

[10] 刘青，秦庆伟.从诺兰达炉渣浮选尾矿回收铜技术研究[J].有色冶金设计与研究，2019，40（2）：14-17.

[11] 冯新军，赵梦龙，陈旺，等.煤矸石粉沥青胶浆路用性能及微观机理研究[J].建筑材料学报，2019，22（1）：113-119.

[12] 冯新军，赵梦龙，李猛.煤矸石粉与传统填料沥青混凝土力学性能和环境影响的对比研究[J].中外公路，2017，37（5）：251-256.

[13] 赵梦龙，冯新军，唐雄.煤矸石粉填料在沥青混凝土中的应用[J].中外公路，2017，37（6）：251-257.

[14] 洪荣宝. 煤矸石粉/聚酯纤维沥青混合料低温抗裂性能试验研究[D].淮南：安徽理工大学，2019.

[15] 李霖皓，龙广成，白朝能，等.干湿循环作用下煤矸石及其与水泥石之间界面的耐久性研究[J].煤炭工程，2019（6）：153-159.