浅谈三渣基层中粉煤灰的应用及含硫量过高引起路面起拱问题.doc

浅谈三渣基层中粉煤灰的应用及含硫量过高引起路面起拱问题摘要:本文介绍了粉煤灰在三渣基层中的应用，同时着重分析了粉煤灰含硫量过高引起的路面起拱问题，由于粉煤灰含硫量过高严重影响了路面的平整度和使用功能，所以本文也对含硫量的上限确定做了简要的介绍。关键词:三渣基层；粉煤灰；含硫量；路面起拱1三渣基层的应用背景1.1粉煤灰作为工业废料引入道路基层粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。大多数以煤为燃料的发电厂，都将原煤磨成细粉，然后经过预热的空气，以一定的比例沿煤粉管道吹入炉膛内进行燃烧，煤粉中的不燃物因受高温和表面张力的作用形成球形颗粒，随着烟气流向炉尾，这些不燃的灰分经过除尘器的作用，被分离出来，即形成粉煤灰。近年来随着电力工业的迅速发展，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，到2010年已达到3亿吨左右。早在20世纪70年代，世界性能源危机、环境污染以及矿物资源的枯竭等强烈地激发了粉煤灰利用的研究和开发，多次召开国际性粉煤灰会议，经过开发，粉煤灰在建工、建材、水利等各部门得到广泛的应用。 由于电力工业的发展和能源的紧张，利用工业废渣筑路有着广泛的应用前景。早在上世纪60年代，美、英、法等国，就已开始利用粉煤灰修筑道路基层。上海近年来也广泛利用粉煤灰修建支线和干线基层，沈阳、北京、天津等地区也都把利用粉煤灰筑路作为主要研究课题之一。大量的室内试验表明，我国火电厂粉煤灰主要含Si、Al、Fe、Ca及其氧化物等主要成份，属于具有较高的活性的火山灰性质，是良好的筑路材料。含有粉煤灰的二灰、二灰土与二灰混合料都属于半刚性结构，其抗压、抗弯拉强度及其弹性模量和水稳性能均优干石灰土或灰土碎石，可用修筑一般道路的基层或大交通量路面的底基层。对粉煤灰利用，不仅可改善环保，提高工程质量，而且可降低工程造价。所以粉煤灰作为工业废料应用于道路工程是发展的必然趋势。1.2粉煤灰脱硫工艺根据国家经济贸易委员会 2000 年 2 月 21 日颁布的火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要点，我国现阶段主要采用石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫工艺。湿式石灰石（石灰）-石膏法具有稳定、高效、吸收剂价廉易得、煤种适应范围宽，并有较大幅度降低工程造价的可能性等优点。石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫工艺主要原理是石灰石经破碎、制粉后配置浆液进入吸收塔，在吸收塔内烟气中的二氧化硫首先被浆液中的水吸收，再与浆液的反应生成，被鼓入的氧化空气中的氧化，经过旋流分离、洗涤和真空脱水，最终生成二水石膏晶体，即形成脱硫石膏。上海地区以煤炭为燃料的电厂主要采用湿式石灰石（石灰）-石膏法脱硫工业，其粉煤灰中含硫量平均在0.4%左右，近年来将上海地区火电厂中的粉煤灰应用于道路工程中，并未出现工程事故。但是采用上海周边地区粉煤灰时，比如江苏地区火电厂粉煤灰含硫量普遍较高，对路面基层产生了影响，导致其膨胀开裂破坏。2粉煤灰的作用机理及其含硫物的膨胀机理2.1粉煤灰在三渣基层中的作用机理三渣基层是用石灰和煤渣按一定的配合比,并掺入一定量的粗集料，加水拌合、摊铺、碾压、养生而成型的基层。三渣基层的强度形成与发展是通过机械压实、离子交换反应、氢氧化钙结晶和碳酸化反应，以及火山灰反应等一系列复杂、交织的物理-化学作用过程完成的。离子交换反应使得石灰浆中的游离钙离子和庆阳跟离子与细粒土粘土矿物中的钠离子、氢离子发生离子交换，从而减薄粘土颗粒水膜厚度，促使土粒凝集和凝聚，并形成稳定团粒结构，这是三渣基层获得初期强度的主要原因。在石灰硬化过程中得到的氢氧化钙和碳酸钙晶体相互结合，并把土粒结成整体，从而使得三渣层的稳定性得到提高。粒土颗粒表面少量的活性氧化硅、氧化铝在石灰的碱性激发作用下，与氢氧化钙发生火山灰反应，生成不溶于水的水化硅酸钙和水化铝酸钙等，这些物质遍布于粘土颗粒之间，形成凝胶、棒状及纤维状晶体结构，将土粒胶结成整体，使得三渣基层的刚度增大，强度和稳定性提高。氢氧化钙结晶和碳酸化反应及火山灰反应缓慢且过程较长，这是形成三渣基层后期强度的主要原因。粉煤灰是道路工程中常用的工业废渣，其中含有较多的活性氧化硅和活性氧化铝，这些化合物可与饱和的氢氧化钙溶液发生火山灰反应，具有水硬性特征。在三渣基层中由于粉煤灰能提供较多的活性氧化硅和活性氧化铝成分，在石灰的碱性激发下生成较多的水化硅酸钙、水化铝酸钙，具有较高的强度和稳定性。粉煤灰是一种缓凝物质，表面能较低，难以在水中溶解，导致三渣基层中的火山灰反应缓慢，早期强度较低，但后期仍保持一定的增长速度，有着较高的后期强度。粉煤灰颗粒呈空心球体，密度小而比表面积大，掺加粉煤灰后，三渣基层的最佳含水量增大，最大密度减小，其强度、刚度和稳定性都有不同程度的提高，尤其是抗冻性有较显著的改善，干缩系数和温缩系数也相应减小，粉煤灰的掺加提高了路面结构的抗裂性能。2.2含硫物的膨胀机理虽然粉煤灰的加入可以提高三渣基层的强度和稳定性，但是由于各火电厂脱硫工艺的不同，使得出厂的粉煤灰含硫量有所差异，粉煤灰中硫含量过高会对路面基层产生影响，导致其膨胀开裂。下面对粉煤灰中含硫物的膨胀机理作简要介绍。粉煤灰中的含硫物是以的形态存在的，含有 的粉煤灰应用于路面基层时，遇水发生反应产生水化产物，在三渣基层强度形成的后期发生体积膨胀，致使三渣基层出现开裂。具体的化学反应过程如下：以上的这些化学反应使得三渣基层发生体积膨胀，实验表明其中与 反应生成时，三渣基层体积增大到原来的1.9倍左右；溶解于后一部分与活性酸性金属氧化物等、和反应生成（俗称钙矾石，结构式为，三方晶系，假六方针状或柱状晶体），三渣基层体积增大到原来的2.2倍左右；另一部分溶解于结晶生成二水石膏，三渣基层体积增大到原来的2.3倍左右。由此可见，含硫物对三渣基层的体积稳定性具有很大的影响，是其三渣基层开裂破坏的主要原因之一。在含硫量较高的粉煤灰中，以形式存在的含硫物水化速度比较慢，当 达到饱和溶解度结晶析出二水石膏时，已为水化过程后期，三渣基层已经具有一定的强度，此时结晶析出二水石膏发生体积膨胀就会导致三渣基层的开裂。同时粉煤灰中与活性酸性金属氧化物和反应生成钙矾石的过程发展速度很慢，是在三渣基层水化反应到一定程度时进行的，而此时三渣基层同样具有了一定的初期强度，所以钙矾石生成导致的体积膨胀也会引起三渣基层的开裂。 以上两点就是三渣基层由体积膨胀而导致基层开裂，进而丧失强度的主要原因。3粉煤灰含硫量过高引起的病害及含硫量上限的确定我国公路路面基层施工技术规范（JTJ034-2000）中对粉煤灰的规定为：“粉煤灰是火力发电厂燃烧煤粉产生的粉状灰渣。绝大多数粉煤灰的主要成分是二氧化硅（）和三氧化二铝（），其总含量常超过70，氧化钙（）含量一般在26，这种粉煤灰可称做硅铝粉煤灰。个别地方的粉煤灰含有1040的氧化钙，这种粉煤灰可称做高钙粉煤灰。粉煤灰的烧失量一般小于10，有的则在20以上。烧失量过大将明显降低混合料的强度。粉煤灰的粒径变化在0.0010.3mm 之间，但大部分在0.010.1mm 之间，其比表面积一般在之间”。 国外有些标准常限制粉煤灰的含碳量(或以烧失量表示)不超过810。试验证明，即使粉煤灰的烧失量达20，也能组成强度符合要求的二灰集料(或二灰土)混合料。只有当烧失量超过30时，混合料的强度才有明显下降，因此我国规范对烧失量作了较宽的规定。在对粉煤灰的原材料的要求中硫的含量并没有引起足够的重视，但是粉煤灰中含硫量过高会对路面基层产生影响，导致其膨胀开裂，继而发展成为表面变形、凹凸不平，且结构丧失强度严重影响路面的平整度和通行性能。我国公路路面基层施工技术规范中并没有对应用于路面基层的粉煤灰含硫量作具体的规定，但是上海市质量技术监督局依据煤中全硫的测定方法GB/T 214-1996，石油产品硫含量测定法（燃灯法）GB/T 380-1977 ， 深色石油产品硫含量测定法（管式炉法）GB/T 387-1990，煤样的制备方法GB 474，商品煤样采取方法GB 475 ，石油液体手工取样法GB/T 4756-1998 及石油产品硫含量测定法（X射线光谱法）GB/T 11140-1989制定了上海市地方标准DB31/267-2002，从中我们可以了解具体的硫含量上限，如表1。表1 硫含量及试验方法燃料种类硫含量 %试验方法煤炭或煤制品电厂用煤0.70其他用煤0.80柴油0.20GB/T 380 或GB/T 11140（重质）燃料油1.00GB/T 387注：硫含量均为质量百分比；煤中硫含量按“干燥基全硫”为准。4小结本文主要对三渣基层中粉煤灰的应用做了介绍，同时着重介绍了粉煤灰含硫量过高引起的路面起拱问题，从以上分析我们得知我国的施工技术规范对粉煤灰含硫量重视不足，但在实际施工当中含硫量过高会引起基层开裂破坏