CFB粉煤灰在路基填料中的工程特性研究

高福寧，岳 峰，劉 耀，周國(guó)園，鄧小鵬

（1.山西誠(chéng)達(dá)公路勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030006；2.山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來(lái)，為控制電廠NOx、SO2的排放，減少環(huán)境污染，循環(huán)流化床（CFB）鍋爐以其高效脫硫、低氮排放的優(yōu)勢(shì)，在低熱值燃料的利用中發(fā)揮著重要作用，已經(jīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤粉鍋爐成為發(fā)電廠燃燒鍋爐的主要型式。循環(huán)流化床粉煤灰（CFB粉煤灰）指的是燃煤電廠采用循環(huán)流化床鍋爐對(duì)燃煤進(jìn)行燃燒，并噴入一定量的固硫劑進(jìn)行脫硫后除塵收集的粉末，燃煤一般都是低熱值煤，燃燒的溫度一般在850℃～900℃，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的煤粉爐1 300℃～1 600℃的燃燒溫度，使得CFB粉煤灰在化學(xué)成分、礦物組成、物理性質(zhì)等方面與傳統(tǒng)粉煤灰都有較大的差異[1]，因此不能對(duì)CFB粉煤灰采用常規(guī)的方式進(jìn)行處理。由于循環(huán)流化床（CFB）鍋爐燃燒的溫度較低，燃煤燃燒得并不充分，產(chǎn)生的固廢排放量要高，同等燃煤量下固廢排放量比煤粉鍋爐燃煤要高出50%左右。據(jù)報(bào)道，我國(guó)每年CFB灰渣排放量達(dá)到了0.8～1.5億t[2]，其中CFB粉煤灰約占40%，但因CFB粉煤灰鈣硫含量高、需水量大、早期強(qiáng)度低，很大程度地限制了其在基礎(chǔ)建設(shè)中的應(yīng)用，造成大量的粉煤灰堆積于地，占用大量土地，因此CFB粉煤灰的處理及利用是一急需解決的問題。

近年來(lái)，對(duì)于CFB粉煤灰資源化利用主要集中在建筑材料上，其中，CFB粉煤灰一般作為凝膠材料，代替部分石膏用作水泥混合材和混凝土摻合料，對(duì)水泥的凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，可配制微膨脹混凝土；牛茂威，等[3]、錢覺時(shí)[4]、楊娟[5]、高燕[6]、霍琳[7]等研究了CFB灰作為混合材對(duì)水泥性能、水化作用的影響。其研究結(jié)果表明，磨細(xì)CFB灰可作為水泥混合材利用，強(qiáng)度、水泥安定性和凝結(jié)時(shí)間能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，CFB灰細(xì)度提高有利于水泥強(qiáng)度增加，CFB灰的最佳摻量為20%。但在公路建設(shè)中，特別是在路基填料方面的應(yīng)用，目前報(bào)道較少，路基如何利用CFB粉煤灰的火山灰活性和自硬性還需進(jìn)一步的研究。筆者以山西國(guó)道307線汾陽(yáng)市過境改線工程為依托，采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，對(duì)CFB粉煤灰在路基填料中的工程特性進(jìn)行研究，分析其工程特性及應(yīng)用效果。

1 工程概況

山西國(guó)道307汾陽(yáng)市過境改線工程起點(diǎn)位于官道村國(guó)道307線K644+287處，經(jīng)文峪西河（七支渠）、汾平高速G307連接線、西馬寨、宣柴堡、義安村、潴城村、趙家莊、喬家莊、牧莊村，終點(diǎn)在河北村國(guó)道307線（K667+000）處，路線全長(zhǎng)27.194 km；道路等級(jí)為一級(jí)公路，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基寬24.5 m，全線填方量約200萬(wàn)m3。路基填筑將需要大量的優(yōu)質(zhì)路堤填料，但汾陽(yáng)地處平原區(qū)，取土場(chǎng)地少，取土困難。汾陽(yáng)市作為山西省的煤電產(chǎn)能大市，境內(nèi)各火電廠年排灰渣量約1 000萬(wàn)t，CFB粉煤灰、爐渣產(chǎn)量大，為了將CFB粉煤灰變廢為寶，采用CFB粉煤灰作為路基填料使用。

2 CFB粉煤灰性能試驗(yàn)研究

對(duì)于CFB粉煤灰用作路基填料，其檢測(cè)方法、檢測(cè)指標(biāo)等目前均沒有相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)參考執(zhí)行，因此本次對(duì)CFB粉煤灰的試驗(yàn)研究還是按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》等規(guī)范執(zhí)行[8]。主要對(duì)CFB粉煤灰的化學(xué)組分、級(jí)配、壓實(shí)度、CBR值及燒失量等進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究其作為路基填料的路用性能。

2.1 化學(xué)組分分析

CFB粉煤灰料選自汾陽(yáng)市國(guó)峰電廠，總共3組試樣，分別產(chǎn)自2018年7月26日、2018年10月8及2018年11月22日，并與常規(guī)粉煤灰進(jìn)行比較，其化學(xué)組分測(cè)試結(jié)果詳見表1。

表1 CFB粉煤灰及常規(guī)粉煤灰化學(xué)組分測(cè)試結(jié)果 %

從表1中對(duì)比可以看出，CFB粉煤灰中SiO2、Al2O3的含量與常規(guī)粉煤灰中SiO2、Al2O3的含量基本持平，CaO、SO3的含量比常規(guī)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、高嶺土以及黃鐵礦等礦物形成，因此兩者的差異不大。CFB粉煤灰中CaO、SO3的含量遠(yuǎn)大于常規(guī)粉煤灰，主要是循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)在燃煤的過程中加入了大量的石灰石或白云石作為脫硫劑，CaO的成分帶入較多，從而殘留在CFB灰中，同時(shí)由于脫硫劑的作用，燃煤中的S不能被燃燒排放到大氣中，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的含量達(dá)12.11% ～14.46%，遠(yuǎn)大于常規(guī)粉煤灰中CaO的含量，所以CFB粉煤灰具有水化硬化特性，其自硬化機(jī)制主要由兩種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生：a）石膏、活性Al2O3和Ca(OH)2反應(yīng)形成鈣礬石（Aft）；b）Ca(OH)2與活性SiO2反應(yīng)形成水化硅酸鈣（C-S-H），所以CFB粉煤灰具有一定的自硬性。

2.2 室內(nèi)土工試驗(yàn)分析

2.2.1 顆粒級(jí)配分析

CFB粉煤灰顆粒級(jí)配采用密度計(jì)法測(cè)量，其顆粒級(jí)配曲線見圖1，從圖中可以看出粉煤灰粒徑分布范圍為0.075 ～0.001 mm之間；曲線在粒徑為0.05 ～0.01 mm階段較為陡峭；在粒徑小于0.05 mm之后，曲線發(fā)展趨勢(shì)較為緩和，表明CFB粉煤灰粒徑主要集中在0.05 ～0.01 mm范圍內(nèi)，而在此范圍之外粒徑分布較為稀少，CFB粉煤灰顆粒較為均勻。

圖1 粉煤灰顆粒級(jí)配曲線圖

2.2.2 擊實(shí)試驗(yàn)分析

從擊實(shí)曲線圖2看，各擊實(shí)樣含水量跨度較大，這是因?yàn)榉勖夯彝翗哟嬖陴ち］^少，不同于普通黏性土擊實(shí)，含水量對(duì)壓實(shí)性的影響雖然不像黏性土那樣敏感，但仍然是有影響的，其擊實(shí)曲線與黏性土擊實(shí)曲線有很大差異。當(dāng)含水量接近0時(shí)，它有較高的干密度；當(dāng)含水量在某一較小的范圍時(shí)，由于假黏聚力的存在，擊實(shí)過程中一部分擊實(shí)能量消耗在克服這種假黏聚力上，所以出現(xiàn)了最低的干密度；隨含水量的不斷增加，假黏聚力逐漸消失，就又有較高的干密度。該土樣擊實(shí)試驗(yàn)需要大量水分，因此在標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)能下，最優(yōu)含水量也較普通黏性土高，為34.6%，最大干密度為1.28 g/cm3。

圖2 干密度與最佳含水率曲線圖

表2 CFB粉煤灰干密度和含水率試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 CBR試驗(yàn)分析

圖3a表示膨脹量隨壓實(shí)度變化的關(guān)系曲線，從中可以看出，壓實(shí)度的提高與粉煤灰膨脹性的降低并無(wú)明顯的規(guī)律性，此外，在含水量41.6%下進(jìn)行擊實(shí)，粉煤灰的膨脹性較大；圖3b表示膨脹量隨含水量變化的關(guān)系曲線，在含水率為39.6%時(shí)，3種擊實(shí)功下的膨脹量基本保持一致；在56擊的擊實(shí)功作用下，膨脹量隨初始含水量的增加而增加，在25擊和42擊的擊實(shí)功作用下，膨脹量則表現(xiàn)為先增大后減小，即在擊實(shí)功一定的前提下，初始含水量的增加反而會(huì)減緩粉煤灰出現(xiàn)的泡水膨脹，這也從另一方面說(shuō)明了在較高的初始含水量時(shí)壓實(shí)填筑粉煤灰路基是可取的。

圖3 膨脹量與壓實(shí)度和含水量的關(guān)系

圖4a反映了CBR隨壓實(shí)度變化的關(guān)系圖，由圖中可以看出，不同含水量下的粉煤灰CBR值隨壓實(shí)度的增大而增大；在壓實(shí)度范圍超過83%后，曲線的斜率明顯增大，說(shuō)明CFB粉煤灰壓實(shí)度越大，抗壓能力和抗變形能力越強(qiáng)；圖中CFB粉煤灰CBR最大達(dá)到了94%，而路基設(shè)計(jì)規(guī)范中路床填料最小承載比要求中最大值是上路床的值為8%，所以，室內(nèi)試驗(yàn)條件下，CFB粉煤灰的CBR值完全能夠滿足路基填料的要求。圖4b反映了CBR隨含水量變化的關(guān)系圖，由圖可知，在擊實(shí)功一定的情況下，粉煤灰的CBR與含水量的變化關(guān)系不如壓實(shí)度敏感，CBR隨著含水量的增加呈小幅度的下降。

圖4 CBR與壓實(shí)度和含水量的關(guān)系

2.2.4 燒失量試驗(yàn)分析

利用工業(yè)廢渣填筑路基時(shí)，按現(xiàn)行的路基設(shè)計(jì)規(guī)范，燒失量是評(píng)價(jià)其能否用于路基填料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本次共選取6組樣品（1 ～6號(hào)）進(jìn)行CFB粉煤灰燒失量試驗(yàn)，燒失量試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 CFB粉煤灰燒失量試驗(yàn)結(jié)果表 %

從表3中可以看出，CFB粉煤灰的燒失量在4.68% ～7.50%之間，均值為5.86%，均滿足公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中燒失量不大于20%的要求，說(shuō)明CFB粉煤灰中殘留的不穩(wěn)定物質(zhì)含量較少，其填料對(duì)路基穩(wěn)定性影響小，完全可以用于路基填料中。

3 施工路段試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CFB粉煤灰能否用作路基填料，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填筑壓實(shí)后的路基進(jìn)行了回彈模量檢測(cè)及路基開倉(cāng)檢測(cè)，了解其強(qiáng)度及固化作用。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)回彈模量測(cè)定

材料的抗壓回彈量是路面設(shè)計(jì)中重要的強(qiáng)度參數(shù)，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用現(xiàn)場(chǎng)承載板法對(duì)回彈模量進(jìn)行測(cè)定，分別對(duì)壓實(shí)后養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d的路基回填模量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表4。

表4 CFB粉煤灰路基回彈模量測(cè)定結(jié)果表

從測(cè)定結(jié)果看，隨著CFB粉煤灰養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，回彈模量值會(huì)快速增長(zhǎng)，14 d齡期時(shí)回彈模量可達(dá)165.4 MPa，養(yǎng)護(hù)3 d其回彈模量也可達(dá)98.9 MPa，因此CFB粉煤灰路堤所測(cè)出回彈模量值均大于現(xiàn)行規(guī)范中所推薦回彈模量的高限，故采用CFB粉煤灰填筑路基，其強(qiáng)度是足以滿足設(shè)計(jì)要求的。

3.2 路基開倉(cāng)檢測(cè)

路基剛開挖時(shí)，能夠明顯看到冒出的霧氣，見路基開倉(cāng)檢測(cè)照片中圖5a，說(shuō)明CFB粉煤灰填筑路基時(shí)水化作用比較明顯，挖出的路基料明顯呈大塊狀，固結(jié)作用明顯，見照片圖5b，進(jìn)一步說(shuō)明CFB粉煤灰中因CaO的含量較高，具有較強(qiáng)的水化硬化特性，壓實(shí)后易板結(jié)成形，強(qiáng)度高整體性好，能夠直接作為路基填料使用。

圖5 路基開倉(cāng)檢測(cè)照片

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)CFB粉煤灰的化學(xué)組分、工程特性和用作公路路基填料現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論:

a）CFB粉煤灰中的CaO含量遠(yuǎn)大于常規(guī)粉煤灰，具有較強(qiáng)的水化硬化特性，壓實(shí)后易板結(jié)成形，利于路基的穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得回彈模量可達(dá)165.4 MPa，能夠形成強(qiáng)度較高的整體；CFB粉煤灰燒失量在4.68% ～7.50%之間，滿足公路規(guī)范中燒失量不大于20%的要求，是一種優(yōu)質(zhì)的路基填料。

b）CFB粉煤灰粒徑主要集中在0.05 ～0.01 mm范圍內(nèi)，特征粒徑d30=0.029 mm，d50=0.034 mm，d60=0.037 mm，為級(jí)配分布較不良土。

c）CFB粉煤灰中活性成分遇水會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，在加水拌和中吸附了大量水分，最優(yōu)含水量高達(dá)41.6%，因此施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注粉煤灰含水量，并做到及時(shí)補(bǔ)充。

d）壓實(shí)度與CFB粉煤灰膨脹性并無(wú)明顯的規(guī)律性，在最優(yōu)含水量擊實(shí)，粉煤灰的膨脹性較大；不同含水量下的CFB粉煤灰CBR值隨壓實(shí)度的增大而增大，最大CBR可達(dá)到94%，遠(yuǎn)大于公路路基填料要求，能夠用于路基工程中。