摘要：分析了比較常見的(de)(de)幾種工業(ye)廢渣(zha)(zha)在道路基層中應用的(de)(de)可能性及其強度形成(cheng)的(de)(de)機(ji)理，論述(shu)了工業(ye)廢渣(zha)(zha)用于道路基層具有吃渣(zha)(zha)量大、減輕環境污染(ran)等優點(dian)，可以實現(xian)經濟效益和環境效益的(de)(de)雙贏。

關鍵詞：工業廢渣；環境污染；道路基(ji)層(ceng)；強(qiang)度形成(cheng)機(ji)理

工礦(kuang)企業(ye)常有大量的廢(fei)(fei)(fei)渣需要處理(li),利用這(zhe)些廢(fei)(fei)(fei)渣修路(lu),既可(ke)解(jie)決筑(zhu)路(lu)材料(liao)(liao)的來源問題,又可(ke)解(jie)決工礦(kuang)企業(ye)廢(fei)(fei)(fei)物排(pai)放(fang)的問題,對環境(jing)保護有很大的現(xian)實(shi)意義。如鋼(gang)鐵廠的礦(kuang)渣和(he)鋼(gang)渣,化(hua)(hua)工廠的電石渣、漂白粉渣、磷石膏、鈦白石膏和(he)硫鐵礦(kuang)渣,火力(li)發電廠的粉煤灰、鋁(lv)(lv)(lv)廠廢(fei)(fei)(fei)渣赤泥(ni)，煤礦(kuang)生產過程中的煤矸(gan)石等(deng)。這(zhe)些廢(fei)(fei)(fei)渣中含有較(jiao)高的[1]二氧化(hua)(hua)硅、三氧化(hua)(hua)二鋁(lv)(lv)(lv)或氧化(hua)(hua)鈣(gai)，當摻入足量的石灰、水(shui)泥(ni)、瀝青及其(qi)他材料(liao)(liao)后(hou)(hou)，經過拌和(he)、壓實(shi)及養生后(hou)(hou)，可(ke)以得到具有較(jiao)高后(hou)(hou)期(qi)強度和(he)較(jiao)好的整(zheng)體性(xing)及水(shui)穩定性(xing)的材料(liao)(liao)。活性(xing)二氧化(hua)(hua)硅和(he)三氧化(hua)(hua)二鋁(lv)(lv)(lv)在飽和(he)的Ca(OH)2溶液中會產生火山灰反應,生成水(shui)化(hua)(hua)硅酸(suan)(suan)鈣(gai)和(he)鋁(lv)(lv)(lv)酸(suan)(suan)鈣(gai)凝膠(jiao),把顆(ke)粒膠(jiao)結(jie)在一起。若將廢(fei)(fei)(fei)棄尾礦(kuang)料(liao)(liao)成功地用作舊路(lu)面基層(ceng)或新建道路(lu)(底)基層(ceng)材料(liao)(liao),不僅(jin)可(ke)節省每年用于防(fang)止廢(fei)(fei)(fei)棄尾礦(kuang)料(liao)(liao)污染而治理(li)環境(jing)的大筆費用,而且(qie)避免堆放(fang)地點發生倒塌以及發洪水(shui)時易形成泥(ni)石流等(deng)安(an)全問題,因(yin)而具有重大的經濟(ji)效益、社會效益和(he)環境(jing)效益。

1.   工業廢渣的成分和特性

各(ge)種(zhong)工業(ye)廢(fei)渣的化(hua)學成(cheng)分(fen)、礦物成(cheng)分(fen)、有害物質(zhi)及在(zai)(zai)利用(yong)時的正副作用(yong)都不盡相同，在(zai)(zai)利用(yong)工業(ye)廢(fei)渣做(zuo)路面基層材料時，應在(zai)(zai)分(fen)析(xi)各(ge)種(zhong)廢(fei)渣的特性之后，根(gen)據其強(qiang)度形成(cheng)原(yuan)理，制定出(chu)合理的配比。工業(ye)廢(fei)渣中一(yi)般(ban)都含有大量的經過焙燒后的活性二氧(yang)化(hua)硅、氧(yang)化(hua)鋁(lv)、氧(yang)化(hua)鐵等酸性氧(yang)化(hua)物，以(yi)及少量的CaO等。表1是(shi)幾種(zhong)常見工業(ye)廢(fei)渣的化(hua)學成(cheng)分(fen)和礦物成(cheng)分(fen)。

在了解各種工業(ye)(ye)廢(fei)(fei)渣成(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基礎上(shang)，就可(ke)以(yi)將(jiang)幾種工業(ye)(ye)廢(fei)(fei)渣相互搭配(pei)，優劣互補或(huo)優勢協同(tong)來進行利用(yong)(yong)(yong)：例如將(jiang)粉(fen)(fen)煤灰(hui)(hui)(hui)(hui)(hui)和赤泥結(jie)合起來用(yong)(yong)(yong)路面(mian)基層(ceng)材(cai)料，赤泥中(zhong)CaO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)含量(liang)較(jiao)(jiao)(jiao)高，可(ke)以(yi)充分(fen)激發(fa)粉(fen)(fen)煤灰(hui)(hui)(hui)(hui)(hui)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活性(xing)(xing)成(cheng)分(fen)，滿(man)(man)足路面(mian)基層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)強度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)要求。粉(fen)(fen)煤灰(hui)(hui)(hui)(hui)(hui)粒徑比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)，單獨做路面(mian)基層(ceng)缺少大(da)顆粒的(de)(de)(de)(de)(de)(de)骨(gu)料作用(yong)(yong)(yong)，而具有(you)(you)(you)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)粒徑分(fen)布的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鋼渣，就可(ke)以(yi)滿(man)(man)足此條件。CaO含量(liang)比(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)低(di)(di)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)工業(ye)(ye)廢(fei)(fei)渣，其自凝性(xing)(xing)差(cha)，在抗(kang)剪強度指(zhi)標(biao)方面(mian)表現為粘聚力值(zhi)較(jiao)(jiao)(jiao)低(di)(di)。生(sheng)(sheng)石(shi)(shi)灰(hui)(hui)(hui)(hui)(hui)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)化學(xue)成(cheng)分(fen)主(zhu)要是(shi)CaO，工業(ye)(ye)廢(fei)(fei)渣中(zhong)摻入(ru)一定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)石(shi)(shi)灰(hui)(hui)(hui)(hui)(hui)后(hou)會發(fa)生(sheng)(sheng)復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)化學(xue)反應(ying)。工業(ye)(ye)廢(fei)(fei)渣基層(ceng)所用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)合料,可(ke)以(yi)是(shi)石(shi)(shi)灰(hui)(hui)(hui)(hui)(hui)或(huo)石(shi)(shi)灰(hui)(hui)(hui)(hui)(hui)下(xia)腳(jiao)料,所謂石(shi)(shi)灰(hui)(hui)(hui)(hui)(hui)下(xia)腳(jiao)料是(shi)指(zhi)含有(you)(you)(you)氧(yang)化鈣或(huo)氫氧(yang)化鈣成(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)各種工業(ye)(ye)廢(fei)(fei)渣。常(chang)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)(you)(you)電石(shi)(shi)渣、煉鋼下(xia)腳(jiao)、造紙下(xia)腳(jiao)、石(shi)(shi)灰(hui)(hui)(hui)(hui)(hui)窯下(xia)腳(jiao)。大(da)多數石(shi)(shi)灰(hui)(hui)(hui)(hui)(hui)窯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活性(xing)(xing)CaO含量(liang)在4%以(yi)上(shang),當活性(xing)(xing)CaO含量(liang)較(jiao)(jiao)(jiao)低(di)(di)時,應(ying)該在采(cai)用(yong)(yong)(yong)前做一些實驗,確定其活性(xing)(xing)CaO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)含量(liang),以(yi)便采(cai)取相應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)措施。

道路(lu)既受(shou)到車輛(liang)載荷的(de)(de)(de)(de)(de)復雜力系作(zuo)用(yong)(yong)(yong)又受(shou)到各種(zhong)(zhong)復雜自(zi)然因(yin)素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)惡(e)劣影響(xiang)，所以，用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)修(xiu)建道路(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料不僅要(yao)具(ju)(ju)備(bei)一(yi)(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)理學性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，同時(shi)還要(yao)有(you)(you)(you)在(zai)惡(e)劣的(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)然因(yin)素(su)的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)下，不產生明(ming)顯(xian)強度(du)下降(jiang)的(de)(de)(de)(de)(de)耐久性(xing)(xing)(xing)。工(gong)業廢(fei)渣(zha)做(zuo)路(lu)面基(ji)(ji)(ji)層(ceng)(ceng)材(cai)料有(you)(you)(you)很多優良(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，主要(yao)有(you)(you)(you)以下幾點(dian)：（1）工(gong)業廢(fei)渣(zha)做(zuo)為基(ji)(ji)(ji)層(ceng)(ceng)材(cai)料一(yi)(yi)(yi)般都(dou)具(ju)(ju)有(you)(you)(you)一(yi)(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)活性(xing)(xing)(xing),在(zai)飽和(he)的(de)(de)(de)(de)(de)Ca(OH)2溶液中會(hui)(hui)發生火山灰反應,能(neng)(neng)產生氫氧化鈣(gai)(gai)結晶(jing)和(he)硅(gui)酸(suan)鈣(gai)(gai)、鋁酸(suan)鈣(gai)(gai)結晶(jing),形成有(you)(you)(you)一(yi)(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)強度(du)和(he)整(zheng)體(ti)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)硬(ying)性(xing)(xing)(xing)材(cai)料。還有(you)(you)(you)一(yi)(yi)(yi)些(xie)材(cai)料本身沒(mei)有(you)(you)(you)活性(xing)(xing)(xing)，但是(shi)在(zai)激發劑的(de)(de)(de)(de)(de)激發下就(jiu)會(hui)(hui)表現(xian)出(chu)一(yi)(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)活性(xing)(xing)(xing)。（2）工(gong)業廢(fei)渣(zha)基(ji)(ji)(ji)層(ceng)(ceng)一(yi)(yi)(yi)般具(ju)(ju)有(you)(you)(you)水(shui)硬(ying)性(xing)(xing)(xing)。(3)工(gong)業廢(fei)渣(zha)基(ji)(ji)(ji)層(ceng)(ceng)具(ju)(ju)有(you)(you)(you)緩(huan)凝(ning)的(de)(de)(de)(de)(de)優良(liang)(liang)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)。此種(zhong)(zhong)基(ji)(ji)(ji)層(ceng)(ceng)結構相對于(yu)(yu)水(shui)泥混凝(ning)土而(er)言具(ju)(ju)有(you)(you)(you)一(yi)(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)緩(huan)凝(ning)性(xing)(xing)(xing)。(4)工(gong)業廢(fei)渣(zha)基(ji)(ji)(ji)層(ceng)(ceng)具(ju)(ju)有(you)(you)(you)抗裂性(xing)(xing)(xing)好(hao)、抗磨性(xing)(xing)(xing)差的(de)(de)(de)(de)(de)特點(dian)。與(yu)水(shui)泥混凝(ning)土相比,工(gong)業廢(fei)渣(zha)混凝(ning)料在(zai)一(yi)(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)齡(ling)期后,具(ju)(ju)有(you)(you)(you)較(jiao)低的(de)(de)(de)(de)(de)抗彎(wan)(wan)(wan)拉(la)強度(du)和(he)剛度(du),但是(shi)它的(de)(de)(de)(de)(de)彎(wan)(wan)(wan)壓比(抗彎(wan)(wan)(wan)強度(du)/抗壓強度(du))和(he)極限彎(wan)(wan)(wan)拉(la)應變(bian)則較(jiao)大(da)。工(gong)業廢(fei)渣(zha)混合料抗磨性(xing)(xing)(xing)差,因(yin)此適用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)做(zuo)路(lu)面基(ji)(ji)(ji)層(ceng)(ceng)。(5)工(gong)業廢(fei)渣(zha)基(ji)(ji)(ji)層(ceng)(ceng)具(ju)(ju)有(you)(you)(you)板(ban)體(ti)性(xing)(xing)(xing)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)特點(dian)。工(gong)業廢(fei)渣(zha)混合料壓實成型后,經過一(yi)(yi)(yi)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)齡(ling)期,就(jiu)具(ju)(ju)有(you)(you)(you)較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)強度(du)和(he)良(liang)(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)板(ban)體(ti)性(xing)(xing)(xing),作(zuo)為瀝青路(lu)面基(ji)(ji)(ji)層(ceng)(ceng)時(shi),變(bian)形與(yu)開裂現(xian)象大(da)為改善。

2．工業廢渣道路基層的強度形成機理

工業廢渣道路基層強度(du)主(zhu)要來源(yuan)于物理機(ji)械作用(yong)、水泥和(he)石灰(hui)的(de)水解和(he)原料間的(de)水化反應、顆粒表面的(de)離子交(jiao)換和(he)碳酸化作用(yong)、硬凝反應等幾個方面。

2.1離子交換作用

穩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，并使其水穩定性提高。能發生離子交換作用的穩定劑有石灰、水泥等。如石灰、水泥穩定工業廢渣加水拌和后，所形成的Ca2+能與工業廢渣表面的K＋和Na＋等離子進行當量吸附交換：
                  Na⁺

工業廢渣            +Ca ²⁺          工業廢渣＋Ca ²⁺＋Na ⁺（或K⁺）

                    K⁺

 2.2  碳酸化作用(yong)

碳(tan)酸化指消解石(shi)灰或水(shui)泥水(shui)化產物Ca(OH)2吸附空氣中的(de)(de)CO2氣體(ti)，生(sheng)成碳(tan)酸鈣(gai)的(de)(de)過程，其化學反(fan)應(ying)式如下：

Ca(OH)₂＋CO₂＋nH₂O =CaCO₃+(n+1) H₂O

2.3  結晶作用

當基層(ceng)材料中Ca(OH)2濃度(du)達(da)到一定值時，Ca(OH)2即(ji)會由(you)飽和(he)溶(rong)液轉變成(cheng)過飽和(he)溶(rong)液，形(xing)成(cheng)晶體，其化(hua)學反應(ying)式(shi)如(ru)下(xia)：

   Ca(OH)₂＋nH₂O=Ca(OH)₂·nH₂O

由(you)此基層材料的密實性得(de)以改(gai)善，強度(du)提(ti)高，水穩定性也(ye)因晶體Ca(OH)2溶解質比非晶體Ca(OH)2小而(er)改(gai)善。

2.4  火山(shan)灰反應

火山灰反應指活性SiO₂和Al₂O₃在Ca(OH)₂激發下(xia)產生(sheng)的化學(xue)反應，生(sheng)成類似硅酸鹽水(shui)泥的水(shui)化產物（水(shui)化硅酸鈣(gai)和水(shui)化鋁酸鈣(gai)）的過程。其化學(xue)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物mCaO·SiO₂·nH₂O、mCaO·SiO₂·Al₂O₃·nH₂O和結晶Ca(OH)₂在基(ji)層材(cai)料的團粒圍成一(yi)層穩定(ding)的保(bao)(bao)護(hu)膜(mo)，具(ju)有很(hen)強的粘(zhan)結(jie)力，同時(shi)保(bao)(bao)護(hu)膜(mo)的隔離作用阻止水分進入，使基(ji)層材(cai)料的水穩定(ding)性(xing)提高。

2.5  硬凝反(fan)應

此作(zuo)用(yong)主要(yao)是水(shui)(shui)泥水(shui)(shui)化(hua)成膠(jiao)結性很強的(de)(de)各種物質，如水(shui)(shui)化(hua)硅酸鈣、水(shui)(shui)化(hua)鋁酸鈣等(deng)，這(zhe)些(xie)物質能將松散的(de)(de)顆粒(li)膠(jiao)結成整體(ti)材(cai)料。這(zhe)種作(zuo)用(yong)對于(yu)水(shui)(shui)泥穩(wen)定工業廢渣作(zuo)用(yong)顯(xian)著。

這些反(fan)應(ying)的(de)產物(wu)如硅酸(suan)鈣、鋁酸(suan)鈣均具有較(jiao)好的(de)強度,但反(fan)應(ying)的(de)進行依賴(lai)于(yu)CaO的(de)含量(liang)。只有當(dang)活性(xing)CaO含量(liang)高于(yu)5%時(shi)(shi),廢渣才表現(xian)出一定(ding)水(shui)硬性(xing),而活性(xing)CaO含量(liang)大于(yu)10%時(shi)(shi),廢渣才有較(jiao)好的(de)水(shui)硬性(xing)。

3.工業廢渣基層的施工

在工(gong)業(ye)(ye)廢渣基層施(shi)(shi)(shi)工(gong)過程中,除(chu)要保證石(shi)(shi)灰下腳(jiao)有(you)一(yi)定的活(huo)性(xing)CaO含量外,還要注意把它(ta)充分(fen)消解,否(fou)則路面成型后,未消解的生(sheng)石(shi)(shi)灰小(xiao)塊(kuai)要逐步(bu)消解崩裂,造成路面松散損壞。這種石(shi)(shi)灰穩定工(gong)業(ye)(ye)廢渣混合料的物(wu)理性(xing)能對施(shi)(shi)(shi)工(gong)有(you)一(yi)定的要求:它(ta)的“水硬性(xing)”要求在施(shi)(shi)(shi)工(gong)碾壓時保持適度(du)的水分(fen)和提供一(yi)定濕度(du)的養護條件。它(ta)的“緩凝性(xing)”要求在施(shi)(shi)(shi)工(gong)不要過早開放(fang)交(jiao)通,否(fou)則會產生(sheng)變形(xing)。

工(gong)業廢渣(zha)基(ji)(ji)層的(de)施工(gong)工(gong)序(xu)與石灰(hui)(hui)土基(ji)(ji)本相同。拌(ban)和(he)(he)(he)工(gong)序(xu)可采(cai)用就(jiu)地拌(ban)和(he)(he)(he)和(he)(he)(he)集(ji)中拌(ban)和(he)(he)(he)兩種。在材料基(ji)(ji)地集(ji)中拌(ban)和(he)(he)(he)時(shi),拌(ban)好(hao)的(de)混合料不宜堆放時(shi)間過長,以(yi)免混合料的(de)水分有較大(da)的(de)蒸發,并使石灰(hui)(hui)碳化而降低(di)混合料的(de)強度。

工(gong)業廢渣混(hun)合料(liao)的(de)初(chu)期強度(du)較低,并且強度(du)增長受氣溫影響較大,一般應盡可(ke)能避(bi)免在(zai)冬季(ji)施(shi)工(gong)。由于混(hun)合料(liao)的(de)硬(ying)化過(guo)程需在(zai)潮(chao)濕環境中進(jin)行(xing),基層成型后的(de)初(chu)期養護(hu)工(gong)作應予(yu)重視,在(zai)干燥而較熱的(de)季(ji)節施(shi)工(gong),必須(xu)灑水(shui)養護(hu)。

工(gong)業(ye)廢(fei)(fei)渣(zha)的(de)(de)開(kai)發(fa)利用應根(gen)據其特殊的(de)(de)物、化性質及組(zu)成進行(xing)綜(zong)合開(kai)發(fa)。為了大量吃掉工(gong)業(ye)廢(fei)(fei)渣(zha)，將大量堆棄無用的(de)(de)工(gong)業(ye)廢(fei)(fei)渣(zha)制備成高價值(zhi)的(de)(de)道(dao)路材(cai)料(liao),關鍵是(shi)研究(jiu)和采用相適應的(de)(de)固(gu)化技(ji)術(shu)與(yu)筑路工(gong)藝(yi),使之滿足(zu)道(dao)路設計所(suo)要求的(de)(de)國家(jia)標(biao)準(zhun)。該項技(ji)術(shu)的(de)(de)開(kai)發(fa)具有(you)廣闊(kuo)的(de)(de)市場前(qian)景,是(shi)環保與(yu)基礎建(jian)設的(de)(de)完美結合,將使工(gong)業(ye)廢(fei)(fei)渣(zha)綜(zong)合利用達到一個新的(de)(de)階段(duan)。

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