矿山固体废弃物筑路技术研究

摘要：按照国家和自治区发展循环经济和节能减排工作要求，新疆将建设资源节约型、环境友好型行业作为加快转变交通运输发展方式的重点，力求在“两型”行业建设和节能减排方面发挥积极作用。矿山固体废弃物筑路技术是利用矿山废弃钢渣、碎石等材料，提出加速钢渣陈化降解的方法，实现钢渣的快速降解。钢渣在混合料中开始活性较低，随着时间的增加，慢慢发生化学反应，生成絮状物，填充混合料中的孔隙并起到黏结作用。随着龄期的增长，混合料中的各种反应持续进行，在混合料中逐渐形成一个网状连接，使混合料之间更加密实，从而不断提高水泥稳定碎石-钢渣混合料的强度。该技术的应用，提高了钢渣利用率，降低了钢渣的周转和堆放场地，使工业废弃物得以再利用，进一步发展绿色建筑材料，减少了新材料的开采，节约了大量资源。关键词：道路建设；路基材料；固体废弃物；废弃钢渣；绿色环保1技术概况在等级公路的建设过程中，原材料的性质直接影响公路的各项路用性能，对路面质量的好坏起至关重要的作用。该项目通过对原材料的组成、物理力学性能进行分析研究，根据水稳钢渣砾石混合料的相关级配参数，以不同的水泥剂量进行最大干密度和最佳含水率的试验，并在此基础上进行无侧限抗压强度检测，为施工机械组合、碾压遍数、碾压速度的控制提供依据，以达到压实度要求，使其更好地发挥出功能。级配类型对水泥稳定类材料抗干缩、抗温缩性能有着十分显著的影响，通过前期试验及分析发现，骨架密实型级配较悬浮密实型级配更能显著提高抗干缩、抗温缩、抗冲刷性能。通过综合考虑钢渣自身特性，结合钢渣与依托工程所用砾石配伍性，根据各档集料筛分结果，以及参考《公路路面基层施工技术细则》，进行水稳钢渣砾石基层配合比设计，并进行相关验证实验。后期通过监控应用项目运行状况、分析排查存在故障地方、评估道路当前性能等，使其延长道路使用寿命、保障道路性能。通过定期检测的方法进行道路养护，其过程严格按照国家规定的检查评定标准执行，每次检测完毕后均需出具其应用项目及针对应用技术详细的检测报告和相应的处理措施。该技术可用在各等级公路及城市道路工程水稳基层中。2技术原理钢渣，其耐磨性能、强度、抗冻融能力等各项指标相当于甚至优于普通的花岗岩、玄武岩或石灰岩砾石，技术性能指标完全满足工程集料的规范要求，它具有的潜在活性是“过烧硅酸盐水泥熟料”，钢渣的物理力学性能与天然砾石较为接近，是一种潜在的优良筑路材料。钢渣中主要含有的物质有铁铝钙相（Ca2(Fe，Al)2O5）、氢氧化钙（Ca(OH)2）、硅酸三钙（C3S）、碳酸钙（CaCO3）、RO相（MgO、FeO和MnO的固溶相）、硅酸二钙（C2S）和游离氧化钙（C2F），由于钢渣中有与水泥相同的物质C3S和C2S，使得其钢渣也具有胶凝性能，具有较好的水硬性，同时钢渣早期水化产生的胶凝性能要比水泥的小很多。随着钢渣与水反应时间的增加，C3S和C2S不断发生水化反应，生成一些白色絮状物，即C-S-H凝胶和Ca(OH)2。但是其初始反应较慢，生成的物质较少，随着反应时间的增加，28d钢渣与水发生较多的反应，生成大量物质，这些物质紧密相连，并且紧紧地将钢渣和砾石颗粒连接在一起，形成牢固的结构，增加了混合料的整体强度。而水泥稳定钢渣砾石混合料的强度由两部分组成：一是集料之间的相互嵌挤形成的骨架强度(物理强度)；二是结合料之间、结合料与集料之间的胶结强度(化学强度)。其强度形成和发展的过程主要包括机械压实、水泥水化凝结和硬化、水泥水化产物与钢渣集料间的反应。首先通过机械压实，使钢渣和砾石中的孔隙逐渐减小并且被细的钢渣和砾石填充一部分，形成了初期的强度；其次，水泥由于水化、凝结和硬化作用，出现水化产物，并逐渐成为一定强度的水泥石固体；还有钢渣的补强作用以及发生的碳酸化作用，生成了硬度较好的CaCO3晶体，并且能把混合料中的颗粒进行有效黏结，从某种程度上提高混合料的强度。综上所述，水泥稳定钢渣砾石基层，因为钢渣自身有一定的级配，与砾石一起能形成骨架密实结构，此外，钢渣密度大，硬度高，自身强度大，与砾石形成的骨架强度也较高。混合料中的水泥在水环境下发生化学反应，进行离子交换，生成胶结状物质。钢渣在混合料中开始活性较低，但是随着时间的增加，钢渣在混合料中慢慢发生化学反应，生成絮状物，填充混合料中的孔隙并起黏结作用。随着龄期的增长，混合料中的各种反应持续进行，在混合料中逐渐形成一个网状连接，使混合料之间更加密实，从而不断提高水泥稳定碎石-钢渣混合料的强度。3关键技术及工艺流程该技术使用到的设备有：拌和站自动化拌和设备、大型推土机、摊铺机、压路机等。3.1关键技术（1）工厂化加速钢渣陈化工艺由于钢渣利用率低，原处置工艺以堆弃为主，即在自然状态下实现f-CaO的陈化降解，一般6个自然月可达到安定性的要求。现为满足公路施工进度的需求，提出加速钢渣陈化降解的方法，即采用洒水热闷的工艺，实现钢渣的快速降解，做到即出即用，既提高钢渣利用率，也降低了钢渣的周转和堆放场地，避免其固结硬化。（2）钢渣与新疆就地取材砾石材料的复配关键技术国内外已有成果均是钢渣与碎石进行综合利用，且利用率仅为5%~10%左右。本次研究结合新疆地产材料，首次实现钢渣与砾石复配后在高速公路水稳基层的成功应用，通过复配优化技术在钢渣掺量30%时可形成良好的骨架密实结构。同时在试验室复配钢渣掺量达到了60%，为今后进一步加大比例应用奠定了基础。（3）特殊快速检测关键技术传统标准检测以7d弯沉和钻芯进行质量控制，由于钢渣水化反应及强度增长规律的特殊性，根据依托工程提出施工中以实时压实度检测指标控制，同时采用28d弯沉和钻芯进行质量评价，攻克了施工中质量评定难题。（4）水泥钢渣砾石基层5小时快速施工关键技术体系根据依托工程实施情况，提出高速公路钢渣掺量30%与砾石复配，水泥剂量5%，通过延迟试验制定岀水稳钢渣砾石混合料拌和、碾压、成型综合5小时水稳基层快速施工工艺及成套关键技术，并编制出省部级工法。3.2工艺流程利用在新疆某水泥厂采用新型干法工艺烧制出的钢渣基熟料，并利用钢渣的物理特性，先期进行了水稳钢渣砾石基层的应用和观测。以钢渣材料的膨胀率试验评价钢渣的安定性，陈化时间达到一年以上的钢渣安定性良好，可用于水稳基层的施工。在碾压时采用单钢轮和双钢轮压路机组合方式碾压，提高水稳基层压实度及强度，最后再进行养护，可形成板体结构良好、强度高的水稳基层。此外，在钢渣f-CaO快速陈化降解工艺上与新疆八一钢铁有限责任公司提出洒水热闷渣法，可有效缩短钢渣陈化降解时间，达到即出即用，满足工程快速施工的要求。4技术创新点公路建设广泛采用半刚性基层材料，这种传统的路面材料对资源和能源消耗巨大，而且性能还有待进一步改善。矿山固体废弃物筑路技术相较于正常的筑路技术，将钢渣作为道路材料循环利用，减少了大量砂石材料的开采。根据经验，在高速公路中水稳基层每公里可利用钢渣3万吨，同时在其他层位应用，钢渣能达到可观的变废为宝的作用。不仅减少了原材料的开采及二次加工的机械运作，避免了粉尘污染，减少碳排放，而且加大了固体废弃物的循环利用，促进了工程建设的绿色发展。按照国家和自治区发展循环经济和节能减排工作要求，新疆将建设资源节约型、环境友好型行业作为加快转变交通运输发展方式的重点，力求在“两型”行业建设和节能减排方面发挥积极作用。该技术适用的专业领域为道路工程、公路工程等。而该技术需具备的技术方面条件如下，在工艺及设备方面，需要采用洒水热闷的工艺，实现钢渣的快速降解，做到即出即用，确保原材料钢渣安定性的良好，设备上确保材料的制备，施工相关的拌和、运输、摊铺、碾压、养护等载具设备齐全。在施工方面，水稳钢渣砾石混合料需在拌和完成后运至摊铺现场不超过5小时内完成碾压成型，特殊情况下不超过5.5小时完成碾压成型，可保证基层结构满足设计强度。5技术应用情况根据我国环境资源税法，针对大宗型固体废弃物以堆放方式处置的需缴纳25元/吨的污染排放税。该技术在新疆阿克陶农村公路项目进行了钢渣水泥的路面铺筑，累计20.6km。在工程中，水稳钢渣砾石基层中应用废旧钢渣3.1万吨，为企业减少纳税31000吨×25元/吨=775000元。同时，钢渣的应用替代部分砾石，根据配合比替代30%的砾石，通过换算可得到节省砾石8215吨。砾石价格以50元/吨计算，则节省直接工程成本410750元。累计减少企业及工程成本1185750元。若水稳基层结构以每公里计算，宽为20m、厚度36cm的水稳基层每公里可节约纳税和工程成本约40万元。依托工程除在乌奎高速1标外，在其他标段累计推广应用钢渣32万吨，共累计节约成本1305万元。由社会经济效益情况汇总可得，每使用1吨钢渣，可节省成本13.3元。通过资料收集与调研、理论分析、试验研究、工程应用验证和归纳总结的研究途径，本项目拟采取的研究方法科学合理，项目技术路线合理，安排紧凑，具备一定的可行性。实施方案具体分为以下几个阶段：（1）调研。与业主主要主管部门、监理单位进行调研，把握工程主要技术特点和需求。同时在施工阶段开展了现场调研，和新疆八一钢铁厂紧密对接，进行钢渣的基本属性试验，掌握八钢所生产钢渣的具体特点。（2）编制实施方案。在第一阶段调研后，针对项目上的问题与需求，提出初定考虑实施的技术内容与规模，也包括顺利实施该技术需解决的相关细节。（3）确定实施方案。根据交通工程设计与施工时间节点，在保证工程质量的基础上，与业主、建立单位做进一步的沟通，确定最终使用钢渣铺筑路基、水稳层以及钢渣路面的路段，并确定该工作顺利实施的具体方案。（4）深化分析与研究。为保证项目的工程质量，分析不同陈化时间的钢渣属性，根据钢渣生产工艺对钢渣粒径的选取以及钢渣用于水稳基层、面层的试验研究。6节能降碳效益测算评价6.1节能降碳效益预计可形成的节能降碳能力：参考热再生计算方法，每利用1t废旧钢渣可减少碳排放量为2.543kgce/t×8215t×2.4567=51322.3kgCO2/t（即减少碳排放51.3t）。6.2经济效益依托工程中，在水稳钢渣砾石基层中应用废旧钢渣3.1万吨，为企业减少纳税31000吨×25元/吨=77.5万元。同时，根据配合比钢渣替代30%砾石，通过换算可得到节省砾石8215吨。砾石价格以50元/吨计算，则节省直接工程成本41.075万元。累计减少企业及工程成本118.575万元。若水稳基层结构以宽20m、厚度36cm计算，则每公里水稳基层可节约企业纳税和工程成本约40万元。依托工程除在乌奎高速1标外，在其他标段累计推广应用钢渣32万吨，共累计节约成本1305万元，由此可见废旧钢渣在道路工程中的循环利用具有巨大的经济效益，同时减少了大量的环境污染。6.3社会效益采用该技术可以减少生态污染，可避免大量开采山石、保护水土资源，且能减少原材料开采及二次加工的机械运作，避免了粉尘污染、尾气排放，减少碳排放。与此同时，加大了固体废弃物的循环利用，推动绿色发展。技术应用后的推广潜力，表现在以下的效益和应用前景上：（1）废旧钢渣的应用使以往以固态存在的工业废弃物得以再利用，打破传统的水稳基层摊铺施工均以开采天然石材为手段，进一