循环流化床底渣(CFBBS)路基填料的压实特性与膨胀机理

《Materials》：Compaction Characteristics and Expansion Mechanism of Circulating Fluidized Bed Bottom Slag for Subgrade Filler

　　

循环流化床燃烧底渣具有砂状颗粒级配和自胶凝潜力，但严重的竖向膨胀限制了其广泛的工程应用。研究人员采用Proctor击实试验、无侧限抗压强度(UCS)、加州承载比(CBR)和膨胀试验，结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和粒径分析，研究了循环流化床底渣(CFBBS)的压实特性和膨胀机理。结果表明，CFBBS由于其多孔微观结构而具有较高的最优含水率（15.4%–19.6%），掺土可改善其压实性能。膨胀行为受游离氧化钙(f-CaO)和SO₃含量、养护制度、压实度和掺土比例的协同控制。7天标准养护、93%压实度和20%掺土比例提供了良好的综合性能，具有满意的力学性能和缓解的膨胀。400 m现场试验验证了该综合解决方案，未观察到膨胀引起的裂缝，并降低了施工成本。该工作为CFBBS作为路基填料的安全再利用提供了理论指导。

全球燃煤副产品年产量超过十亿吨，循环流化床(CFB)燃烧废弃物占比大且持续增长。CFB燃烧技术燃料适应性强、具备炉内脱硫能力，但其灰渣物化性质显著不同于传统粉煤灰。CFB底渣(CFBBS)颗粒不规则、多孔、吸水率高，含有游离氧化钙(f-CaO)和II型无水石膏(II-CaSO₄)，虽具有自胶凝和火山灰活性，但高需水量和体积稳定性差限制了其在常规水泥基体系中的应用。目前大量CFB灰渣经填埋处置，造成严重环境负荷与资源浪费，亟需开发大规模经济回收途径。CFBBS因颗粒较粗、呈连续砂状级配并具有自胶凝潜力，适合用作土工填料；然而，其压实特性和膨胀机理尚未充分明确，尤其竖向膨胀是制约工程利用的核心障碍。已有研究多聚焦CFB飞灰，针对CFBBS的系统性研究不足。为此，研究人员对CFBBS的压实特性和竖向膨胀机理开展了系统探索。

研究人员采用重型击实试验、无侧限抗压强度(UCS)试验、加州承载比(CBR)试验和膨胀试验，结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和粒径分析，定量评估了养护制度、钙硫含量、压实度和掺土比例对压实CFBBS力学性能及体积稳定性的独立与耦合影响，并通过400 m现场试验验证了综合优化方案的可行性。研究提出7天标准养护、93%压实度和20%掺土比例的组合方案，可在保证满意力学性能的同时有效抑制竖向膨胀，为CFBBS路基安全再利用提供了理论指导和试验依据。

主要关键技术方法如下：研究人员从山西省五家热电厂采集5种CFBBS样品（CFBBS1~CFBBS5），其中CFBBS5作为主要研究对象，用于养护制度、压实度、掺土比例、颗粒破碎及SEM试验，并用于现场试验；CFBBS1~CFBBS5用于不同钙硫含量对比分析。压实特性采用重型击实法（modified Proctor）；力学性能采用UCS和CBR试验；膨胀行为通过CBR试件上的千分表监测；颗粒破碎利用湿筛法对比压实前后级配变化；微观结构通过XRD和SEM表征。现场试验在山西吕梁工业场地建设400 m试验段，填筑厚度0.74 m，设两种配比方案。

3.1 CFBBS的压实特性：五种CFBBS的最优含水率(OMC)为15.4%–19.6%，显著高于常规粒料的5%–10%，最大干密度(MDD)差异较小。OMC与细度模数呈负相关，CFBBS5细度模数最低(1.58)，OMC最高(19.6%)，归因于细颗粒比表面积大和颗粒内部多孔吸水。掺土比例由0%增至40%时，OMC从19.6%降至17.0%，MDD从1.56 g/cm³增至1.73 g/cm³，表明掺土可优化颗粒级配并改善压实性能。

3.2 养护制度的影响：不同养护制度试验表明，C3（标准养护7天+自然养护）各龄期UCS最高，28天达3.25 MPa；C4（标准养护且试验前浸水1天）导致7天UCS下降50.5%，原因是早期浸水在基质具备足够刚度前产生膨胀应力，引发微裂纹和不可逆结构损伤。标准养护时间从0天延长至7天，CBR从134.8%增至762.5%，吸水率从15.56%降至12.67%。立即浸水时最大膨胀率为7.92%，经7天标准养护后浸水膨胀率降至2.15%，降低72.8%，且稳定时间缩短，说明预养护形成的刚性水化产物骨架可提供有效约束。

3.3 钙硫含量的影响：不同电厂CFBBS的f-CaO和SO₃含量差异明显。高钙硫含量的CFBBS3在7、28、90天UCS比CFBBS2分别高54.39%、256.94%、103.53%，CBR亦更高而吸水率更低；但其最终竖向膨胀率比CFBBS1高89%，稳定时间延长100天。结果表明，钙硫含量升高虽促进水化与强度发展，但同时增大膨胀驱动力，且约束增加不足以完全抵消该驱动力。

3.4 压实度的影响：压实度从87%增至93%时，UCS与CBR升高、吸水率降低；超过93%后强度下降，因过度压实导致颗粒破碎。93%压实度时90天UCS最高，CBR峰值为762.5%，吸水率最低为12.67%，膨胀率最小为1.69%；方差分析显示93%与96%压实度的膨胀率差异不显著。

3.5 掺土比例的影响：掺土比例从0%增至40%，UCS先升后降，20%时峰值，28天UCS为2.59 MPa，比纯CFBBS高11.6%；掺土40%时强度大幅下降。CBR亦在20%时最大，达793.1%。膨胀率在20%时最小，为1.43%，比纯CFBBS降低15.4%。压实前后级配变化率随掺土增加而降低，说明土壤的缓冲效应减轻了颗粒破碎。SEM显示纯CFBBS中水化产物丰富，40%掺土时水化产物显著减少，颗粒间以点接触为主。

3.6 膨胀控制与平衡调控机制：竖向膨胀源于水化产物形成时的体积增加。早期f-CaO和II-CaSO₄快速水化生成Ca(OH)₂和石膏，固体体积分别约为反应物的1.98和2.26倍；中后期溶出的Ca²⁺和SO₄^2-参与自火山灰反应，持续生成钙矾石(AFt)，体积增加约2.22倍。AFt和石膏晶体生长产生的结晶压力被认为是长期膨胀的主要驱动力（基于文献和间接证据推断，未直接测定）。最终膨胀率取决于膨胀驱动力与约束力的平衡，后者受养护条件、压实度和掺土比例共同调控。

3.7 工程应用与现场验证：400 m现场试验采用90% CFBBS+10%土和80% CFBBS+20%土两种配比，目标压实度93%。现场取芯强度、贝克曼梁回弹弯沉和裂缝监测均满足设计要求；80% CFBBS+20%土方案的强度更高、弯沉更小，与实验室结果一致。6个月监测未发现膨胀裂缝。经济分析显示，与传统水泥稳定土相比，CFBBS路基填料每立方米节省21.6元人民币，试验段共节省约5.1万元，并消纳3258吨废渣。

讨论部分指出，7天标准养护形成刚性C-S-H凝胶骨架以提供物理约束，93%压实度可平衡基质密实度与骨架完整性，20%掺土兼具缓冲和稀释双重作用，三者协同可将膨胀驱动力限制于约束骨架内，实现CFBBS竖向膨胀的工程可控。研究结论为：CFBBS的高最优含水率归因于多孔结构，细度模数越低则最优含水率越高；掺土可优化压实性能，但过量掺土改性效率下降；竖向膨胀与f-CaO和硫相水化结晶压力相关，并受内源钙硫含量及养护、压实度、掺土比例等外部因素影响；高钙硫含量增加膨胀潜力和稳定时间；7天初始标准养护可使浸水膨胀降低72.8%，与刚性C-S-H骨架提供的约束有关；未改性CFBBS在长期水饱和条件下力学和变形性能较差；93%压实度与20%掺土比例组合可获得良好综合性能。400 m现场试验验证了该参数方案满足常规路基性能要求且无膨胀裂缝，证明CFBBS在路基工程中回收利用可行。该研究为CFBBS大规模安全再利用提供了理论依据和技术参考。