工业固体废弃物在道路基层应用中的研究进展

盛燕萍 乔云雁 薛哲 陈华鑫 房建宏 徐安花

摘要：针对工业固体废物在道路基层中的应用，分析了中国近几年工业固体废弃物的产生和利用情况，阐述了国内外典型工业固体废弃物在道路基层中应用的研究进展和产生的问题，为大量工业固体废弃物综合处理提供了极具价值的思路和方法，有利于推动道路工程向绿色环保的可持续发展。

关键词：工业固体废弃物；道路基层；粉煤灰；煤矸石

中图分类号：U416.25 文献标志码：B

Abstract： Aimed at the application of industrial solid waste in road base， the production and utilization of industrial solid waste in China in recent years were analyzed， and the research progress and problems in the application of typical industrial solid wastes at home and abroad were summarized. Valuable thoughts and measures were proposed for the comprehensive treatment of a great deal of industrial solid waste， which is meaningful for realizing sustainable development of environmental-friendly roads.

Key words： industrial solid waste； road base； fly ash； coal gangue

0 引 言

工业固体废弃物是指在工业、交通等生产活动中产生的固体废物，主要包括各种金属、能源及非金属矿开采、选矿、金属冶炼、电力、化工生产等大量产生、排放的固体废弃物，其大部分为硅酸盐、铝酸盐、硫酸盐、碳酸盐等物质。这些废弃物产量大、分布广泛、种类多样且对环境危害大。然而，这类废弃物含有丰富的有用成分及有待发掘的性质，有实现资源化的潜在价值。

与此同时，公路建设需要大量的砂石料，通过工业固体废弃物的回收、处理，使其成为道路基层中的原材料，实现变废为宝，不仅可以节约施工成本，达到工业固体废弃物资源化的目标，还解决了工业固体废弃物处理过程中日益尖锐的矛盾，保护了生态环境。本文分析工业固体废弃物的研究现状和未来发展前景，对固体废弃物的应用进展进行研究[1-2]。

1 工业固体废弃物概述

1.1 工业固体废弃物的构成

工业固体废弃物主要分为两类，包括一般工业固体废弃物（如尾矿、炉渣、粉煤灰、冶炼废渣、废石膏等）和危险固体废弃物。近几年的统计资料显示，尾矿、采矿以及燃煤产生的工业固体废弃物最多，这与矿物资源开采量大和冶炼量大以及中国仍以煤炭为主要能源等密切相关。

1.2 工业固体废弃物的产生及利用情况

与欧美发达国家的成熟稳定不同，中国还处于对固体废弃物综合治理的发展初期，随着人口持续增加、消费水平提高和工业生产的不断增加，工业固体废弃物也大幅增长。据统计，截止到2014年底，大宗工业固废产量约37.79亿t，其中，尾矿16.52亿t，粉煤灰5.9亿t，钢铁渣4.22亿t，工业副产石膏189亿t。2014年大宗工业固废综合利用量为1735亿t，同比增长11.7%。其中，水泥混凝土行业利用废渣量超过11亿t，同比增长10%以上。图2是2004～2014年全国工业固体废弃物的产生及综合利用情况[3]。

通过图2可以看出，10余年来，工业固体废弃物的产生量总体呈持续增长的趋势，综合利用量虽然逐年增加，但利用率仍比较低，因此实现工业固体废弃物在道路基层中的应用，可以大大提高工业固体废弃物的综合利用率。

2 典型工业固体废弃物在道路基层中的应用

2.1 尾矿的应用

尾矿是指矿山企业在选矿完成后排放的废渣矿渣，是工业固体废弃物的主要组成部分。尾矿虽然产生量巨大，但利用率却很低。在道路工程中主要应用铁尾矿和各种尾矿矿砂来填筑路基或者代替碎石做路面基层。

国外对尾矿在道路基层中的应用已经形成了较为系统的理论研究和工程实践。美国明尼苏达州道路工程的实际应用表明，利用铁尾矿碎石作为路基材料以及沥青路面材料修筑的公路强度高、耐久性好。20世纪60年代，美国将铁尾矿应用于城市路面底基层的铺筑。21世纪以来，美国东部将铁尾矿碎石用作沥青路面的底基层、路基材料以及混凝土路面的基层材料。与国外的研究相比，国内在尾矿路用性能方面的研究起步较晚，较早的应用是将尾矿砂用作路基填料。后因尾矿碎石与碎石集料具有良好的相似性，2004年迁安至擂鼓台新建工程采用二灰稳定尾矿砂碎石代替二灰碎石作为道路基层；同年，在连云港新建工程中，磷矿尾矿砂在碎石垫层、基层和排水管道沟槽回填中均得到了应用。新的研究表明，尾矿在作为道路基层材料使用时，通过掺加外加剂和水泥可以显著提高二灰稳定尾矿料的早期强度。尾矿在道路基层中的应用降低了道路建筑成本，缓解了尾矿库存压力，减轻了尾矿对生态环境的污染和对市民生命健康的危害。

目前尾矿在道路基层中应用面临的主要问题有：需要针对尾矿自身的组成特点和分布特点因地制宜，应用于不同地区和不同类型的路面结构中；对尾矿资源及其应用进行系统的基础分析，为尾矿资源在道路基层中的应用提供数据支撑[4-7]。

2.2 粉煤灰的应用

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，是中国当前排量较大的工业废渣之一。目前粉煤灰主要用于软路基处理以及水泥混凝土掺合料、路面基层结合料等道路材料中。

粉煤灰可以用于道路基层的关键，是因为粉煤灰与活化剂发生火山灰反应后形成的水泥质基体具有一定的强度。粉煤灰在美国道路基层中的应用始于20世纪50年代，一项由不同比例的石灰、粉煤灰和集料组成道路基层材料的专利问世。国外在道路基层中应用粉煤灰最多的是在柔性路面中采用石灰、波特兰水泥、粉煤灰和砂的混合材料作为基层。目前中国主要是以粉煤灰稳定土的形式用于路面基层，即在土壤中掺入一定比例的石灰和粉煤灰，搅拌均匀，然后摊铺碾压使其整体性能较好。作为基层、底基层材料，要求粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量大于70%，粉煤灰的烧失量不超过20%，粉煤灰的比表面积大于2 500 g·cm-2，湿粉煤灰的含水量不超过35%。有研究表明，水泥粉煤灰稳定碎石的路用性能优于水泥稳定碎石。若粉煤灰原料有凝固现象，在使用时应打碎或者过筛，并清除有害杂质，避免对使用性能造成不利影响。

目前粉煤灰在道路基层应用中面临的主要问题有：使用粉煤灰材料铺筑的路面基层常常出现收缩裂缝，这主要是因为粉煤灰和活化剂发生了水化反应，一些裂缝也会反射到沥青面层造成表面破坏。目前还没有切实可行的方法来减少或者避免这种混合料的收缩裂缝；粉煤灰发生水化时消耗混凝土中的Ca（OH）2，从而使混凝土的碱性降低，碳化深度增加，使混凝土耐久性降低[8-12]。

2.3 煤矸石的应用

煤矸石是指在煤矿建设、煤炭开采及加工过程中排放出的废弃岩石，其主要成分是Al2O3、SiO2。煤矸石在道路工程中主要用于软土地基处理、路基填筑，以及低等级公路的路面基层。

国外对煤矸石用于基层的研究早在第二次世界大战以前就已经开始，到20世纪60年代后期，才真正引起人们重视，特别是英国等欧洲国家用石灰、水泥来稳定煤矸石取得了成功，并尝试将自然煤矸石用于道路底基层；20世纪70、80年代，美国通过试验研究发现，将粉煤灰煤矸石混合料用于道路基层在技术和环境方面是可行的，而且在用于道路基层、底基层也取得了成功。中国对煤矸石应用于基层的研究始于20世纪80年代，最初主要作为路基的填料，对路基进行加固。长安大学曾采用石灰、煤矸石与土混合后用于道路基层，充分发挥了煤矸石的优良性能。煤矸石提高道路基层的强度主要是通过自身强度和其活性成分与石灰发生的火山灰反应。此外，辽宁工程技术大学对自燃煤矸石加固土的性能进行了研究，通过水泥、自燃煤矸石、粉煤灰的合理配比，使7 d固土强度显著提高，粉煤灰填料不仅有效地提高了基层强度，同时大量减少了煤矸石的堆积。现阶段，将煤矸石用作道路基层材料已积累了一些经验，应用技术也较成熟。但是将煤矸石用作固土材料还没有在实际工程中得到广泛应用，仍处于实验室研究阶段，今后对煤矸石的应用可以从道路基层建设的角度进一步研究。

目前煤矸石在道路基层应用时面临的主要问题有： 煤矸石中的残留煤、软岩等组分会对路用性能产生不利影响，一定条件下残留煤发生自燃、软岩浸水后发生泥化以及一些化学分解等作用会使煤矸石的结构和密度发生改变，造成压缩变形增大，同时使路面结构抗剪强度降低，承载力下降。另外，因为不同煤矿的形成原因不相同、生产煤矸石部位和方式不同，导致化学成分和特性也有明显不同。因此，在用作路面基层材料时，要尽量选取烧失量小、有机质含量较少的煤矸石，避免在一定条件下发生基层材料破坏，从而影响路面结构的使用性能[13-17]。

2.4 钢渣的应用

钢渣是炼钢厂生产钢材后剩余的废渣，主要是指存放一年以上平炉和转炉钢渣，其组分与普通波特兰水泥熟料相似。钢渣中含有大量的铁，致密的孔隙结构使其成为一种硬质材料，可以用来代替碎石作为基层材料。目前，欧美、日本等发达国家的钢渣利用率已接近100%，其中50%～60%用于筑路，而中国的钢渣利用率还较低，主要应用于将钢渣作为集料用于热拌沥青混合料。

美国宾西法尼亚运输部研究发现，钢渣的沥青吸收率较高，作为集料使用经济效益不太显著，但是含有钢渣的沥青混合料具有良好的稳定性、耐磨性以及长时间的保热性，有利于尽早压实。目前美国一直在从事钢渣水泥的研究，研究结果显示，虽然钢渣同普通波特兰水泥熟料矿物组分相似，但因为游离氧化钙的存在，钢渣不太稳定。采用钢渣粉煤灰道路基层材料代替常用的水泥稳定类基层材料不仅可大幅度节约工程成本，还可减少对天然土石料的开采。上海市政部门在20世纪60年代利用转炉渣进行了道路基层和沥青面层的试验研究，积累了一些实践经验，但是因为当时钢渣未做处理，钢渣中游离氧化钙成分比较高，造成体积不稳定，使钢渣在道路中的应用受到了很大的限制。

目前钢渣在道路基层应用中面临的问题有：钢渣具有一定的活性，如用作道路基层材料，应重点关注如何安全使用、解决钢渣的稳定性问题；另外，在使用未加结合料的钢渣作道路基层材料时，钢渣一定要有合适的级配；钢渣做基层材料的推广方向要充分考虑，级配钢渣做道路基层时，钢渣膨胀将向约束最弱的方向发展，而城市道路两侧建筑物较多，可能会引起膨胀破坏[18-19]。

3 结 语

（1）目前中国道路基层使用的工业固体废弃物主要为粉煤灰、煤矸石、尾矿等，而对废玻璃、废旧轻化工原料等工业固体废弃物应用较少，如：将废玻璃作为沥青道路集料的研究，尾矿充填过程中大规模高效浓缩、充填料的制备、输送和充填的成套装备与技术研究；尾矿废石骨料高性能低碳混凝土整体胶凝材料生产技术；铁尾矿和废石生产的优质建材原料原创性应用技术研究。

（2）工业固体废弃物在道路基层中的应用降低了工业固体废弃物的危害，节约了资源和能源，为道路建设创造了显著的环保和经济效益，有良好的发展前景。目前工业固体废弃物在道路基层中的应用研究主要集中在粉煤灰、煤矸石、尾矿等典型工业固体废弃物的掺量配比和路用性能上，但仍然面临一些问题和挑战。

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[责任编辑：党卓钰]