工業(yè)廢渣在路基施工中的應(yīng)用
摘要：分析了比較常見(jiàn)的幾種工業(yè)廢渣在道路基層中應(yīng)用的可能性及其強(qiáng)度形成的機(jī)理，論述了工業(yè)廢渣用于道路基層具有吃渣量大、減輕環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏。
關(guān)鍵詞：工業(yè)廢渣；環(huán)境污染；道路基層；強(qiáng)度形成機(jī)理
工礦企業(yè)常有大量的廢渣需要處理,利用這些廢渣修路,既可解決筑路材料的來(lái)源問(wèn)題,又可解決工礦企業(yè)廢物排放的問(wèn)題,對(duì)環(huán)境保護(hù)有很大的現(xiàn)實(shí)意義。如鋼鐵廠的礦渣和鋼渣,化工廠的電石渣、漂白粉渣、磷石膏、鈦白石膏和硫鐵礦渣,火力發(fā)電廠的粉煤灰、鋁廠廢渣赤泥，煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的煤矸石等。這些廢渣中含有較高的[1]二氧化硅、三氧化二鋁或氧化鈣，當(dāng)摻入足量的石灰、水泥、瀝青及其他材料后，經(jīng)過(guò)拌和、壓實(shí)及養(yǎng)生后，可以得到具有較高后期強(qiáng)度和較好的整體性及水穩(wěn)定性的材料；钚远趸韬腿趸X在飽和的Ca(OH)2溶液中會(huì)產(chǎn)生火山灰反應(yīng),生成水化硅酸鈣和鋁酸鈣凝膠,把顆粒膠結(jié)在一起。若將廢棄尾礦料成功地用作舊路面基層或新建道路(底)基層材料,不僅可節(jié)省每年用于防止廢棄尾礦料污染而治理環(huán)境的大筆費(fèi)用,而且避免堆放地點(diǎn)發(fā)生倒塌以及發(fā)洪水時(shí)易形成泥石流等安全問(wèn)題,因而具有重大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。
1. 工業(yè)廢渣的成分和特性
各種工業(yè)廢渣的化學(xué)成分、礦物成分、有害物質(zhì)及在利用時(shí)的正副作用都不盡相同，在利用工業(yè)廢渣做路面基層材料時(shí)，應(yīng)在分析各種廢渣的特性之后，根據(jù)其強(qiáng)度形成原理，制定出合理的配比。工業(yè)廢渣中一般都含有大量的經(jīng)過(guò)焙燒后的活性二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵等酸性氧化物，以及少量的CaO等。表1是幾種常見(jiàn)工業(yè)廢渣的化學(xué)成分和礦物成分。
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表1 部分工業(yè)廢渣的化學(xué)成分和礦物成分
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在了解各種工業(yè)廢渣成分的基礎(chǔ)上，就可以將幾種工業(yè)廢渣相互搭配，優(yōu)劣互補(bǔ)或優(yōu)勢(shì)協(xié)同來(lái)進(jìn)行利用：例如將粉煤灰和赤泥結(jié)合起來(lái)用路面基層材料，赤泥中CaO的含量較高，可以充分激發(fā)粉煤灰中的活性成分，滿足路面基層的強(qiáng)度的要求。粉煤灰粒徑比較小，單獨(dú)做路面基層缺少大顆粒的骨料作用，而具有較大粒徑分布的鋼渣，就可以滿足此條件。CaO含量比較低的工業(yè)廢渣，其自凝性差，在抗剪強(qiáng)度指標(biāo)方面表現(xiàn)為粘聚力值較低。生石灰的化學(xué)成分主要是CaO，工業(yè)廢渣中摻入一定的生石灰后會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。工業(yè)廢渣基層所用的結(jié)合料,可以是石灰或石灰下腳料,所謂石灰下腳料是指含有氧化鈣或氫氧化鈣成分的各種工業(yè)廢渣。常用的有電石渣、煉鋼下腳、造紙下腳、石灰窯下腳。大多數(shù)石灰窯的活性CaO含量在4%以上,當(dāng)活性CaO含量較低時(shí),應(yīng)該在采用前做一些實(shí)驗(yàn),確定其活性CaO的含量,以便采取相應(yīng)的措施。
道路既受到車輛載荷的復(fù)雜力系作用又受到各種復(fù)雜自然因素的惡劣影響，所以，用于修建道路的材料不僅要具備一定的理學(xué)性能，同時(shí)還要有在惡劣的自然因素的作用下，不產(chǎn)生明顯強(qiáng)度下降的耐久性。工業(yè)廢渣做路面基層材料有很多優(yōu)良的性能，主要有以下幾點(diǎn)：（1）工業(yè)廢渣做為基層材料一般都具有一定的活性,在飽和的Ca(OH)2溶液中會(huì)發(fā)生火山灰反應(yīng),能產(chǎn)生氫氧化鈣結(jié)晶和硅酸鈣、鋁酸鈣結(jié)晶,形成有一定強(qiáng)度和整體性的水硬性材料。還有一些材料本身沒(méi)有活性，但是在激發(fā)劑的激發(fā)下就會(huì)表現(xiàn)出一定的活性。（2）工業(yè)廢渣基層一般具有水硬性。(3)工業(yè)廢渣基層具有緩凝的優(yōu)良性能。此種基層結(jié)構(gòu)相對(duì)于水泥混凝土而言具有一定的緩凝性。(4)工業(yè)廢渣基層具有抗裂性好、抗磨性差的特點(diǎn)。與水泥混凝土相比,工業(yè)廢渣混凝料在一定的齡期后,具有較低的抗彎拉強(qiáng)度和剛度,但是它的彎壓比(抗彎強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度)和極限彎拉應(yīng)變則較大。工業(yè)廢渣混合料抗磨性差,因此適用于做路面基層。(5)工業(yè)廢渣基層具有板體性好的特點(diǎn)。工業(yè)廢渣混合料壓實(shí)成型后,經(jīng)過(guò)一定的齡期,就具有較高的強(qiáng)度和良好的板體性,作為瀝青路面基層時(shí),變形與開(kāi)裂現(xiàn)象大為改善。
2．工業(yè)廢渣道路基層的強(qiáng)度形成機(jī)理
工業(yè)廢渣道路基層強(qiáng)度主要來(lái)源于物理機(jī)械作用、水泥和石灰的水解和原料間的水化反應(yīng)、顆粒表面的離子交換和碳酸化作用、硬凝反應(yīng)等幾個(gè)方面。
2.1離子交換作用
穩(wěn)定劑中高價(jià)陽(yáng)離子在一定的條件下替換基層材料中某些低價(jià)金屬離子（K＋，Na＋）等的作用。通過(guò)離子交換，使基層材料顆粒凝聚而增強(qiáng)了粘聚力，并使其水穩(wěn)定性提高。能發(fā)生離子交換作用的穩(wěn)定劑有石灰、水泥等。如石灰、水泥穩(wěn)定工業(yè)廢渣加水拌和后，所形成的Ca2+能與工業(yè)廢渣表面的K＋和Na＋等離子進(jìn)行當(dāng)量吸附交換：
Na+
工業(yè)廢渣 +Ca 2+ 工業(yè)廢渣＋Ca 2+＋Na +（或K+）
K+
2.2 碳酸化作用
碳酸化指消解石灰或水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2吸附空氣中的CO2氣體，生成碳酸鈣的過(guò)程，其化學(xué)反應(yīng)式如下：
Ca(OH)2＋CO2＋nH2O =CaCO3+(n+1) H2O
2.3 結(jié)晶作用
當(dāng)基層材料中Ca(OH)2濃度達(dá)到一定值時(shí)，Ca(OH)2即會(huì)由飽和溶液轉(zhuǎn)變成過(guò)飽和溶液，形成晶體，其化學(xué)反應(yīng)式如下：
Ca(OH)2＋nH2O=Ca(OH)2·nH2O
由此基層材料的密實(shí)性得以改善，強(qiáng)度提高，水穩(wěn)定性也因晶體Ca(OH)2溶解質(zhì)比非晶體Ca(OH)2小而改善。
2.4 火山灰反應(yīng)
火山灰反應(yīng)指活性SiO2和Al2O3在Ca(OH)2激發(fā)下產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，生成類似硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物（水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣）的過(guò)程。其化學(xué)反應(yīng)式為：
mCa(OH)2＋SiO2＋（n-1）H2O=mCaO·SiO2·nH2O
mCa(OH)2＋Al2O3＋（n-1）H2O= mCaO·SiO2·Al2O3·nH2O
火山灰作用的水化產(chǎn)物mCaO·SiO2·nH2O、mCaO·SiO2·Al2O3·nH2O和結(jié)晶Ca(OH)2在基層材料的團(tuán)粒圍成一層穩(wěn)定的保護(hù)膜，具有很強(qiáng)的粘結(jié)力，同時(shí)保護(hù)膜的隔離作用阻止水分進(jìn)入，使基層材料的水穩(wěn)定性提高。
2.5 硬凝反應(yīng)
此作用主要是水泥水化成膠結(jié)性很強(qiáng)的各種物質(zhì)，如水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等，這些物質(zhì)能將松散的顆粒膠結(jié)成整體材料。這種作用對(duì)于水泥穩(wěn)定工業(yè)廢渣作用顯著。
這些反應(yīng)的產(chǎn)物如硅酸鈣、鋁酸鈣均具有較好的強(qiáng)度,但反應(yīng)的進(jìn)行依賴于CaO的含量。只有當(dāng)活性CaO含量高于5%時(shí),廢渣才表現(xiàn)出一定水硬性,而活性CaO含量大于10%時(shí),廢渣才有較好的水硬性。
3.工業(yè)廢渣基層的施工
在工業(yè)廢渣基層施工過(guò)程中,除要保證石灰下腳有一定的活性CaO含量外,還要注意把它充分消解,否則路面成型后,未消解的生石灰小塊要逐步消解崩裂,造成路面松散損壞。這種石灰穩(wěn)定工業(yè)廢渣混合料的物理性能對(duì)施工有一定的要求:它的“水硬性”要求在施工碾壓時(shí)保持適度的水分和提供一定濕度的養(yǎng)護(hù)條件。它的“緩凝性”要求在施工不要過(guò)早開(kāi)放交通,否則會(huì)產(chǎn)生變形。
工業(yè)廢渣基層的施工工序與石灰土基本相同。拌和工序可采用就地拌和和集中拌和兩種。在材料基地集中拌和時(shí),拌好的混合料不宜堆放時(shí)間過(guò)長(zhǎng),以免混合料的水分有較大的蒸發(fā),并使石灰碳化而降低混合料的強(qiáng)度。
工業(yè)廢渣混合料的初期強(qiáng)度較低,并且強(qiáng)度增長(zhǎng)受氣溫影響較大,一般應(yīng)盡可能避免在冬季施工。由于混合料的硬化過(guò)程需在潮濕環(huán)境中進(jìn)行,基層成型后的初期養(yǎng)護(hù)工作應(yīng)予重視,在干燥而較熱的季節(jié)施工,必須灑水養(yǎng)護(hù)。
工業(yè)廢渣的開(kāi)發(fā)利用應(yīng)根據(jù)其特殊的物、化性質(zhì)及組成進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)。為了大量吃掉工業(yè)廢渣，將大量堆棄無(wú)用的工業(yè)廢渣制備成高價(jià)值的道路材料,關(guān)鍵是研究和采用相適應(yīng)的固化技術(shù)與筑路工藝,使之滿足道路設(shè)計(jì)所要求的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有廣闊的市場(chǎng)前景,是環(huán)保與基礎(chǔ)建設(shè)的完美結(jié)合,將使工業(yè)廢渣綜合利用達(dá)到一個(gè)新的階段。
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