论工业废渣在路基施工中的应用

摘要：分析了比较常见的几种工业废渣在道路基层中应用的可能性及其强度形成的机理，论述了工业废渣用于道路基层具有吃渣量大、减轻环境污染等优点，可以实现经济效益和环境效益的双赢。

关键词：工业废渣；环境污染；道路基层；强度形成机理

工矿企业常有大量的废渣需要处理,利用这些废渣修路,既可解决筑路材料的来源问题,又可解决工矿企业废物排放的问题,对环境保护有很大的现实意义。如钢铁厂的矿渣和钢渣,化工厂的电石渣、漂白粉渣、磷石膏、钛白石膏和硫铁矿渣,火力发电厂的粉煤灰、铝厂废渣赤泥，煤矿生产过程中的煤矸石等。这些废渣中含有较高的[1]二氧化硅、三氧化二铝或氧化钙，当掺入足量的石灰、水泥、沥青及其他材料后，经过拌和、压实及养生后，可以得到具有较高后期强度和较好的整体性及水稳定性的材料。活性二氧化硅和三氧化二铝在饱和的Ca(OH)₂溶液中会产生火山灰反应,生成水化硅酸钙和铝酸钙凝胶,把颗粒胶结在一起。若将废弃尾矿料成功地用作旧路面基层或新建道路(底)基层材料,不仅可节省每年用于防止废弃尾矿料污染而治理环境的大笔费用,而且避免堆放地点发生倒塌以及发洪水时易形成泥石流等安全问题,因而具有重大的经济效益、社会效益和环境效益。

1.   工业废渣的成分和特性

各种工业废渣的化学成分、矿物成分、有害物质及在利用时的正副作用都不尽相同，在利用工业废渣做路面基层材料时，应在分析各种废渣的特性之后，根据其强度形成原理，制定出合理的配比。工业废渣中一般都含有大量的经过焙烧后的活性二氧化硅、氧化铝、氧化铁等酸性氧化物，以及少量的CaO等。表1是几种常见工业废渣的化学成分和矿物成分。

表1  部分工业废渣的化学成分和矿物成分

工 业 废 渣	化  学  成  分（％）					主  要 矿 物 成 分
	SiO2	Al2O3	TFe	CaO	MgO
钢渣	11～15	3～7	20～27	38～50	5～9	C2S，C4AF，C3S等
粉煤灰	45～55	24～37	3～7	1～4	1～3	莫来石（3 Al2O3 ·2SiO2）石英等
硅锰渣	31.5	6.1	1.5	45.6	9.1	C2S，尖晶石等
矿渣	33.56	14.55	1.46	41.73	6.75	硅酸钙，硅铝酸钙，C2S
褐煤渣	53.56	18.78	6.57	2.31	1.97	莫来石（3 Al2O3 ·2SiO2）石英等
赤泥	15~21	7~13	7~13	34~43	0~2	β- C2S，方解石，霞石等
碱渣	10.23	1.17	1.20	45.82	5.89	文石，高岭土，石英等

 

在了解各种工业废渣成分的基础上，就可以将几种工业废渣相互搭配，优劣互补或优势协同来进行利用：例如将粉煤灰和赤泥结合起来用路面基层材料，赤泥中CaO的含量较高，可以充分激发粉煤灰中的活性成分，满足路面基层的强度的要求。粉煤灰粒径比较小，单独做路面基层缺少大颗粒的骨料作用，而具有较大粒径分布的钢渣，就可以满足此条件。CaO含量比较低的工业废渣，其自凝性差，在抗剪强度指标方面表现为粘聚力值较低。生石灰的化学成分主要是CaO，工业废渣中掺入一定的生石灰后会发生复杂的化学反应。工业废渣基层所用的结合料,可以是石灰或石灰下脚料,所谓石灰下脚料是指含有氧化钙或氢氧化钙成分的各种工业废渣。常用的有电石渣、炼钢下脚、造纸下脚、石灰窑下脚。大多数石灰窑的活性CaO含量在4%以上,当活性CaO含量较低时,应该在采用前做一些实验,确定其活性CaO的含量,以便采取相应的措施。

道路既受到车辆载荷的复杂力系作用又受到各种复杂自然因素的恶劣影响，所以，用于修建道路的材料不仅要具备一定的理学性能，同时还要有在恶劣的自然因素的作用下，不产生明显强度下降的耐久性。工业废渣做路面基层材料有很多优良的性能，主要有以下几点：（1）工业废渣做为基层材料一般都具有一定的活性,在饱和的Ca(OH)2溶液中会发生火山灰反应,能产生氢氧化钙结晶和硅酸钙、铝酸钙结晶,形成有一定强度和整体性的水硬性材料。还有一些材料本身没有活性，但是在激发剂的激发下就会表现出一定的活性。（2）工业废渣基层一般具有水硬性。(3)工业废渣基层具有缓凝的优良性能。此种基层结构相对于水泥混凝土而言具有一定的缓凝性。(4)工业废渣基层具有抗裂性好、抗磨性差的特点。与水泥混凝土相比,工业废渣混凝料在一定的龄期后,具有较低的抗弯拉强度和刚度,但是它的弯压比(抗弯强度/抗压强度)和极限弯拉应变则较大。工业废渣混合料抗磨性差,因此适用于做路面基层。(5)工业废渣基层具有板体性好的特点。工业废渣混合料压实成型后,经过一定的龄期,就具有较高的强度和良好的板体性,作为沥青路面基层时,变形与开裂现象大为改善。

2．工业废渣道路基层的强度形成机理

工业废渣道路基层强度主要来源于物理机械作用、水泥和石灰的水解和原料间的水化反应、颗粒表面的离子交换和碳酸化作用、硬凝反应等几个方面。

2.1离子交换作用

稳定剂中高价阳离子在一定的条件下替换基层材料中某些低价金属离子（K^＋，Na^＋）等的作用。通过离子交换，使基层材料颗粒凝聚而增强了粘聚力，并使其水稳定性提高。能发生离子交换作用的稳定剂有石灰、水泥等。如石灰、水泥稳定工业废渣加水拌和后，所形成的Ca²⁺能与工业废渣表面的K^＋和Na^＋等离子进行当量吸附交换：

 

           Na⁺

工业废渣            +Ca²⁺          工业废渣＋Ca²⁺＋Na⁺（或K⁺）

           K⁺

2.2  碳酸化作用

碳酸化指消解石灰或水泥水化产物Ca(OH)₂吸附空气中的CO₂气体，生成碳酸钙的过程，其化学反应式如下：

Ca(OH)₂＋CO₂＋nH₂O       CaCO₃+(n+1) H₂O

2.3  结晶作用

当基层材料中Ca(OH)₂浓度达到一定值时，Ca(OH)₂即会由饱和溶液转变成过饱和溶液，形成晶体，其化学反应式如下：

          Ca(OH)₂＋nH₂O       Ca(OH)₂·nH₂O

由此基层材料的密实性得以改善，强度提高，水稳定性也因晶体Ca(OH)₂溶解质比非晶体Ca(OH)₂小而改善。

2.4  火山灰反应

火山灰反应指活性SiO₂和Al₂O₃在Ca(OH)₂激发下产生的化学反应，生成类似硅酸盐水泥的水化产物（水化硅酸钙和水化铝酸钙）的过程。其化学反应式为：

mCa(OH)₂＋SiO₂＋（n-1）H₂O        mCaO·SiO₂·nH₂O

mCa(OH)₂＋Al₂O₃＋（n-1）H₂O       mCaO·SiO₂·Al₂O₃·nH₂O

火山灰作用的水化产物mCaO·SiO₂·nH₂O、mCaO·SiO₂·Al₂O₃·nH₂O和结晶Ca(OH)₂在基层材料的团粒围成一层稳定的保护膜，具有很强的粘结力，同时保护膜的隔离作用阻止水分进入，使基层材料的水稳定性提高。

2.5  硬凝反应

此作用主要是水泥水化成胶结性很强的各种物质，如水化硅酸钙、水化铝酸钙等，这些物质能将松散的颗粒胶结成整体材料。这种作用对于水泥稳定工业废渣作用显著。

这些反应的产物如硅酸钙、铝酸钙均具有较好的强度,但反应的进行依赖于CaO的含量。只有当活性CaO含量高于5%时,废渣才表现出一定水硬性,而活性CaO含量大于10%时,废渣才有较好的水硬性。

3。工业废渣基层的施工

在工业废渣基层施工过程中,除要保证石灰下脚有一定的活性CaO含量外,还要注意把它充分消解,否则路面成型后,未消解的生石灰小块要逐步消解崩裂,造成路面松散损坏。这种石灰稳定工业废渣混合料的物理性能对施工有一定的要求:它的“水硬性”要求在施工碾压时保持适度的水分和提供一定湿度的养护条件。它的“缓凝性”要求在施工不要过早开放交通,否则会产生变形。

工业废渣基层的施工工序与石灰土基本相同。拌和工序可采用就地拌和和集中拌和两种。在材料基地集中拌和时,拌好的混合料不宜堆放时间过长,以免混合料的水分有较大的蒸发,并使石灰碳化而降低混合料的强度。

工业废渣混合料的初期强度较低,并且强度增长受气温影响较大,一般应尽可能避免在冬季施工。由于混合料的硬化过程需在潮湿环境中进行,基层成型后的初期养护工作应予重视,在干燥而较热的季节施工,必须洒水养护。

工业废渣的开发利用应根据其特殊的物、化性质及组成进行综合开发。为了大量吃掉工业废渣，将大量堆弃无用的工业废渣制备成高价值的道路材料,关键是研究和采用相适应的固化技术与筑路工艺,使之满足道路设计所要求的国家标准。该项技术的开发具有广阔的市场前景,是环保与基础建设的完美结合,将使工业废渣综合利用达到一个新的阶段。

参考文献：

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