摘要：分析了比較常見的幾種工業(yè)廢渣在道路基層中應用的可能性及其強度形成的機理，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，可以實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的雙贏。

關鍵詞：工業(yè)廢渣；環(huán)境污染；道路基層；強度形成機理

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源問題,又可解決工礦企業(yè)廢物排放的問題,對環(huán)境保護有很大的現(xiàn)實意義。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，當摻入足量的石灰、水泥、瀝青及其他材料后，經(jīng)過拌和、壓實及養(yǎng)生后，可以得到具有較高后期強度和較好的整體性及水穩(wěn)定性的材料。活性二氧化硅和三氧化二鋁在飽和的Ca(OH)2溶液中會產(chǎn)生火山灰反應,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)境的大筆費用,而且避免堆放地點發(fā)生倒塌以及發(fā)洪水時易形成泥石流等安全問題,因而具有重大的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

1.   工業(yè)廢渣的成分和特性

各種工業(yè)廢渣的化學成分、礦物成分、有害物質(zhì)及在利用時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，應在分析各種廢渣的特性之后，根據(jù)其強度形成原理，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是幾種常見工業(yè)廢渣的化學成分和礦物成分。

在了解各種工業(yè)廢渣成分的基礎上，就可以將幾種工業(yè)廢渣相互搭配，優(yōu)劣互補或優(yōu)勢協(xié)同來進行利用：例如將粉煤灰和赤泥結(jié)合起來用路面基層材料，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，滿足路面基層的強度的要求。粉煤灰粒徑比較小，單獨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，在抗剪強度指標方面表現(xiàn)為粘聚力值較低。生石灰的化學成分主要是CaO，工業(yè)廢渣中摻入一定的生石灰后會發(fā)生復雜的化學反應。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,當活性CaO含量較低時,應該在采用前做一些實驗,確定其活性CaO的含量,以便采取相應的措施。

道路既受到車輛載荷的復雜力系作用又受到各種復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性能，同時還要有在惡劣的自然因素的作用下，不產(chǎn)生明顯強度下降的耐久性。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：（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溶液中會發(fā)生火山灰反應,能產(chǎn)生氫氧化鈣結(jié)晶和硅酸鈣、鋁酸鈣結(jié)晶,形成有一定強度和整體性的水硬性材料。還有一些材料本身沒有活性，但是在激發(fā)劑的激發(fā)下就會表現(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)構相對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。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度和剛度,但是它的彎壓比(抗彎強度/抗壓強度)和極限彎拉應變則較大。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。工業(yè)廢渣混合料壓實成型后,經(jīng)過一定的齡期,就具有較高的強度和良好的板體性,作為瀝青路面基層時,變形與開裂現(xiàn)象大為改善。

2．工業(yè)廢渣道路基層的強度形成機理

工業(yè)廢渣道路基層強度主要來源于物理機械作用、水泥和石灰的水解和原料間的水化反應、顆粒表面的離子交換和碳酸化作用、硬凝反應等幾個方面。

2.1離子交換作用

穩(wěn)定劑中高價陽離子在一定的條件下替換基層材料中某些低價金屬離子（K＋，Na＋）等的作用。通過離子交換，使基層材料顆粒凝聚而增強了粘聚力，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＋等離子進行當量吸附交換：
                  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，生成碳酸鈣的過程，其化學反應式如下：

Ca(OH)₂＋CO₂＋nH₂O =CaCO₃+(n+1) H₂O

2.3  結(jié)晶作用

當基層材料中Ca(OH)2濃度達到一定值時，Ca(OH)2即會由飽和溶液轉(zhuǎn)變成過飽和溶液，形成晶體，其化學反應式如下：

   Ca(OH)₂＋nH₂O=Ca(OH)₂·nH₂O

由此基層材料的密實性得以改善，強度提高，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

火山灰反應指活性SiO₂和Al₂O₃在Ca(OH)₂激發(fā)下產(chǎn)生的化學反應，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）的過程。其化學反應式為：

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在基層材料的團粒圍成一層穩(wěn)定的保護膜，具有很強的粘結(jié)力，同時保護膜的隔離作用阻止水分進入，使基層材料的水穩(wěn)定性提高。

2.5  硬凝反應

此作用主要是水泥水化成膠結(jié)性很強的各種物質(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。這種作用對于水泥穩(wěn)定工業(yè)廢渣作用顯著。

這些反應的產(chǎn)物如硅酸鈣、鋁酸鈣均具有較好的強度,但反應的進行依賴于CaO的含量。只有當活性CaO含量高于5%時,廢渣才表現(xiàn)出一定水硬性,而活性CaO含量大于10%時,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施工有一定的要求:它的“水硬性”要求在施工碾壓時保持適度的水分和提供一定濕度的養(yǎng)護條件。它的“緩凝性”要求在施工不要過早開放交通,否則會產(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,拌好的混合料不宜堆放時間過長,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度。

工業(yè)廢渣混合料的初期強度較低,并且強度增長受氣溫影響較大,一般應盡可能避免在冬季施工。由于混合料的硬化過程需在潮濕環(huán)境中進行,基層成型后的初期養(yǎng)護工作應予重視,在干燥而較熱的季節(jié)施工,必須灑水養(yǎng)護。

工業(yè)廢渣的開發(fā)利用應根據(jù)其特殊的物、化性質(zhì)及組成進行綜合開發(fā)。為了大量吃掉工業(yè)廢渣，將大量堆棄無用的工業(yè)廢渣制備成高價值的道路材料,關鍵是研究和采用相適應的固化技術與筑路工藝,使之滿足道路設計所要求的國家標準。該項技術的開發(fā)具有廣闊的市場前景,是環(huán)保與基礎建設的完美結(jié)合,將使工業(yè)廢渣綜合利用達到一個新的階段。

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