双碳背景下的工业废渣筑路研究_韩俊平.pdf

：双碳背景下的工业废渣筑路研究韩俊平，姜海艳（湖北城市建设职业技术学院市政工程学院，武汉 ）摘要：针对我国实现双碳目标任务艰巨以及工业废渣大量堆存情况，分析了利用工业废渣的紧迫性，探索筑路业在降碳中的作用；研究了工业废渣在软基处理、路堤填筑、路面基层、沥青路面、水泥路面中的应用方法；结合案例分析了利用工业废渣筑路减少碳排放情况，得出工业废渣筑路对双碳目标实现具有重要作用的结论。关键词：碳达峰碳中和；工业废渣筑路；碳排放 ，（，）：，：；收稿日期：作者简介：韩俊平（），讲师，工程师 ：我国计划于 年实现“碳达峰”、年实现“碳中和”，双碳目标任务艰巨，需要各个行业通力协作。年我国 排放量约 亿，工业、建筑、交通领域排放的 分别占、，可知实现碳达峰工作重心应集中在工业、建筑、交通等领域。筑路行业是降碳主力军之一。根据建筑生命周期评价 理论，建筑生命周期可分为原材料物化阶段、材料运输阶段和施工阶段。中国城乡建设领域碳排放系列研究报告 显示，建材物化阶段碳排放占比最高，材料运输阶段碳排放占比次之，建筑施工阶段碳排放占比最低。王贤卫、吴灵生研究西南地区某高速公路 排放情况也发现，路基工程原材料生产阶段 排放量占路基工程 排放的，路面工程原材料生产阶段 排放量占路面工程 排放的。因此，筑路行业降碳的重要举措是选择能耗低的工业废渣作为筑路材料。工业废渣是指工矿企业在生产活动过程中排放出来的各种废渣、粉尘及其他废物等，主要包括冶金废渣、采矿废渣、燃料废渣、化工废渣四类。冶金废渣主要有高炉矿渣、钢渣、有色金属渣、铁合金渣等，采矿废渣包括煤矸石、选矿废石、选洗废渣、各种尾矿等，燃料废渣主要有煤渣、粉煤灰、煤粉渣、页岩灰等，化工废渣主要包括磷石膏、碱渣、电石渣、磷渣、废塑料以及橡胶碎屑等。其中，尾矿、煤矸石、粉煤灰、冶炼渣、工业副产石膏堆存量大，属于大宗固废。截止 年，我国尾矿堆存量 亿、煤矸石堆存量 亿，粉煤灰堆存建材世界 年第 卷第期量 亿，钢渣堆存量 亿，石膏堆存量 亿，累计占用土地约 万亩。工业废渣大量堆存污染水体、大气、土壤，影响生态环境，危及人民身体健康。多年来，我国一直积极进行工业废渣的回收利用。工业废渣利用的主要方向之一是用作建筑材料。工业废渣在道路工程中的应用工业废渣在道路工程中应用很广，既可以用于软基处理，也可以用于路基工程，还可以用于路面工程。工业废渣在软基处理中的应用工业废渣用作深层搅拌桩的固化剂对于滨海地区的盐渍土软基，本着“废弃资源循环利用”的宗旨，采用碱渣、磷石膏、高炉渣和电石渣制备复合固化剂，并用废弃轮胎橡胶粉作为物理填充剂，与盐渍土搅拌形成工业废渣搅拌桩，改良处治滨海盐渍土软基，既实现了废弃物利用，也进行了生态环境保护。工业废渣用作软基处理的换填料钢渣是炼钢过程高温煅烧后排出的熔渣，质地坚硬、密实、空隙少，可达到岩浆类石料标准。煤矸石产生于采煤过程和洗煤过程，在成煤过程中与煤层伴生，是一种含碳量较低、比煤坚硬的岩石。钢渣、煤矸石的堆存占用大量土地，引起地表下沉，导致水土流失，促使地质沙漠化，破坏生态，对环境造成很大的危害。钢渣、煤矸石的综合利用迫在眉睫。钢渣用于软基处理时，可用于厚度不大于的浅层软土地基处理，钢渣除具有排水固结、应力扩散、提高路基抗剪强度作用外，在处理浅水区域软基时还具有吸水硬化作用。煤矸石用作软土路基的换填料时，煤矸石宜存放不少于三年且已经氧化充分，并铺设砂砾隔离层，设置反压护道，将煤矸石与空气隔离，防止其进一步氧化，保证处理后的地基的稳定性。钢渣、煤矸石、尾矿代替砂砾、碎石用作软基处理的换填料，益处有：一是降低材料生产的能耗，减少 排放量；二是减少河道采砂、石料开采对自然生态环境的破坏；三是减少了矿渣的露天堆放造成的环境污染；四是降低了工程造价，节约了国家资金。工业废渣在路基填筑中的应用工业废渣用作路堤填料高炉矿渣、钢渣、煤矸石等可用作路基填料。其他工业废渣填筑路堤时，应通过试验论证并经相关主管部门批准，方可使用。钢渣质地坚硬、表面粗糙、棱角丰富，颗粒级配良好，工程填筑特性优良，具有足够的水稳定性，能提高路堤强度和稳定性，是一种优质的路堤填料。京津塘高速公路、湖南娄涟二级公路、京珠国道部分路段、包头市 国道北绕城公路、包头南绕城公路西段均采用了钢渣填筑路基并取得了成功。煤矸石含有 、等活性物质，有一定的板结作用，成型后的路基力学性能良好，煤矸石路基强度远高于土质路基。平临高速道路、安邵高速公路、依七高速公路、国道清徐段、青兰高速公路邯涉段、邢汾高速公路邢台冀界段、国道山西小河北段均采用煤矸石填筑路基。铁尾矿砂是铁矿石经过破碎磁选后剩余的固体废弃物，我国铁尾矿堆存量占尾矿总堆存量的，是尾矿堆存量最大的一种。强度高、稳定性好的铁尾矿砂可以直接填筑路堤；强度低、水稳性不良的铁尾矿砂可以掺加水泥、石灰、粉煤灰进行改良后用于道路工程。山西繁峙至大营高速公路采用铁尾矿砂填筑路堤，边坡部位采用黏土包边，进行封闭处理，路堤顶面采用级配砂砾封层。延崇高速公路河北段中有 长的路基使用尾矿碎石填筑，利用尾矿碎石 ，节约尾矿占地 亩，节约路基填方用土 ，既节约了土地资源，也减少了尾矿料堆积造成的环境污染，保护了生态环境，实现了资源循环利用。磷石膏是湿法磷酸工艺中产生的固体废弃物，我国磷石膏堆存量达亿，是世界上磷石膏产量最大的国家。筑路是大量消耗磷石膏的有效路径之一，一级公路每公里可消耗磷石膏万。湖北省武穴市官桥至朝阳公路部分路段采用灰色磷石膏填筑路堤，探索出磷石膏绿色应用新路径。工业废渣用作路基土的固化剂工业废渣可用于制备土壤固化剂，固化疏浚淤泥、软土、黄土、弱膨胀土等，改良土的性能、提高土的强建材世界 年第 卷第期度，填筑路基。浙江工业大学刘萌成、陶君军研究发现，对高含水率疏浚淤泥掺入磷石膏、碱渣和废弃轮胎橡胶粉进行联合固化，进行路基填筑，达到“以废治废”。河南省在上罗高速公路建设项目中，将尾矿、钢渣制成土壤固化剂，改善高速公路路基强度，解决了沿线土质差、多膨胀土等项目建设难题。工业废渣在路面基层中的应用煤矸石、煤渣、高炉矿渣、钢渣及其他冶金矿渣等工业废渣可用于修筑基层或底基层，使用前应崩解稳定，且宜通过相关试验评价混合料性能。用作半刚性基层的稳定剂或集料工业废渣可与石灰、水泥一起用作半刚性基层的稳定剂，稳定集料或土，拌制石灰粉煤灰稳定土、石灰煤渣土、水泥煤渣土等混合料。钢渣、煤矸石可用作半刚性基层的骨料，拌制水泥稳定钢渣、水泥稳定煤矸石、水泥稳定炉渣混合料。水泥、磷石膏、固化剂按一定比例拌和，经摊铺、压实可形成磷石膏水硬性道路基层。河北省平青乐线改建工程采用了水泥稳定尾矿碎石基层。湖北省宜都市在杨守敬大道延伸段、渔洋二路等多条市政道路和有关道路进行了磷石膏水硬性道路基层的铺筑，并对沿线土壤、地下水进行监测，经过近两年的使用，路况良好，微膨胀性、抗震性优良，保养更方便，符合国家道路强度的要求。用作柔性基层的集料钢渣、高炉矿渣、煤矸石可用于轧制碎石，铺筑级配碎石基层。北京市成府路道路工程的隧道基层采用了级配钢渣基层，北京市担下路采用了煤矸石级配碎石底基层。工业废渣在沥青路面面层中的应用用作沥青混合料的集料为执行国家绿色发展的战略方针，避免过度使用天然砂石料，一些道路采用钢渣、煤矸石、铁尾矿全部或部分代替砂石料充当集料，分别拌制钢渣沥青混合料、煤矸石沥青混合料、铁尾矿沥青混合料，铺筑沥青路面，取得了较好的效果。年湖北省在武黄道路豹澥匝道、武钢厂区环厂西路、仙桃汉江道路大桥采用了钢渣沥青混合料路面，钢渣沥青路面均表现出优异的路用性能，其抗滑性能、耐久性能均优良。北京自 年以来，在长安街大修工程、北京雁西湖区联络通道、北京园博园周边道路等工程中采用钢渣沥青混合料，消纳了北京的多座“钢渣山”，为节能减排、绿色循环经济发展作出了贡献。年铺筑了宜张高速公路当枝段钢渣沥青混合料试验段。年无锡市兴昌路铺筑钢渣再生沥青混合料，钢渣充当粗集料，并应用再生沥青旧料，开创性地用钢渣和沥青旧料两种固体废弃物铺筑道路面层，造就了一条绿色环保之路。用作沥青混合料的填料将石灰石粉与等量的粒化高炉矿渣粉混合用作填料，再与沥青拌和形成的沥青胶浆，性能更优良。粒化高炉矿渣粉比石灰石粉颗粒更细，比表面积更大，与沥青的交互作用能力更强。用作沥青混合料的改性剂王冬冬、付善春在研究中发现，磷渣可用作沥青混合料的改性剂。当磷渣掺量为时，可在一定程度上提高改性沥青混合料的动稳定度值、高温稳定性，增强改性沥青混合料的水稳定性。工业废渣在水泥路面面层中的应用用作水泥混凝土的集料钢渣、铁尾矿、煤矸石可全部或部分取代碎石用作水泥混凝土的集料，既可用于制作普通混凝土，也可用于制作透水混凝土。用于制作水泥矿渣可用于制备矿渣硅酸盐水泥。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按质量百分比计为 。允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣，代替数量不得超过水泥质量的，替代后水泥中粒化高炉矿渣不得少于。矿渣硅酸盐水泥已经广泛地用于中、轻交通的水泥路面。钢渣可作为原料粉生产水泥。采用钢渣水泥拌制出的水泥混凝土，工作性和匀质性较高，易于浇筑，振捣不离析，强度和耐久性较高。用作水泥混凝土的改性剂在水泥混凝土中加入充当外加剂的钢渣微粉、粉煤灰，一方面可以改变晶体结构，增加水泥的活化能，提建材世界 年第 卷第期高和易性，另一方面可以消除碱骨料反应，缓解和减少相关病害的产生和恶化。工业废渣筑路减碳示例青海省某高速公路工程的一段，长 ，双向车道，宽，采用钢渣代替水泥制作固化剂固化黏土填筑路基，节约水泥万。采用钢渣作为集料，铺筑水泥稳定钢渣基层和钢渣沥青混凝土面层。水泥稳定钢渣基层厚 ，水泥剂量；水泥稳定钢渣底基层 厚，水泥剂量，基层、底基层共用钢渣 万。面层采用 厚 钢渣改性沥青混凝土上面层、厚 钢渣沥青混凝土中面层、厚 钢渣沥青混凝土下面层，上、中、下面层分别用钢渣万、万、万。材料物化阶段 排放量计算公式式中，为某种材料的 排放量，；为该材料的用量，；为该材料的碳排放因子，。根据 碳排放因子数据库，水泥的碳排放因子为 ，则路基采用钢渣代替水泥减少 排放量 基层和底基层钢渣代替碎石，节约碎石大约 万。根据 碳排放因子数据库，碎石碳排放因子，则基层和底基层减少 排放量 面层用钢渣代替碎石，节约碎石 万，则面层减少 排放量 高速公路共减少 排放量 依此推算，每千公里可减少碳排放量约 万，而青海省 年碳排放总量 万，每千公里道路可减少碳排放量占青海省碳排放总量的，对促进碳达峰碳中和有巨大贡献。结论工业废渣可广泛地用于道路的各个部位，在道路工程中具有广阔的使用前景。乘着交通强国国策的东风，在道路建设中选用工业废渣作为筑路材料，就地取材，变废为宝，减少建材产品的加工和制造步骤，减少原材料开采、初加工过程中的能源消耗和碳排放，对推动我国实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。参考文献王贤卫，吴灵生，杨东援高速道路建设排放计算分析道路交通科技，（）：彭以舟，陈晓波工业废渣双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基关键技术道路，（）：王虎良 钢渣在处理浅水区域道路软基中的应用 道路交通科技，（）：王国安铁尾矿砂在繁大高速道路路基填筑中的应用交通世界（上旬刊），（）：王京力，任军社延崇高速道路河北段绿色道路设计实践道路，（）刘萌成，陶君军工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法中国，何亮，詹程阳，吕松涛 钢渣沥青混合料应用现状 交通运输工程学报，（）：冯新军，彭程，张强，等 粒化高炉矿渣粉沥青胶浆路用性能及微观机理 长安大学学报（自然科学版），（）：王冬冬，付善春磷渣改性沥青混合料的综合利用研究矿产综合利用，（）：任新涛，康春霞钢渣微粉对道路混凝土掺合料性能的影响沈阳大学学报（自然科学版），（）：建材世界 年第 卷第期