CFB炉渣是煤矸石、煤泥等低热值燃料在循环流化床(Circulating Fluid Bed，CFB)锅炉燃烧后形成的炉底渣，中国每年新增排放CFB炉渣约8 000万吨^[1]。刘虎林^[2]、Bang Yeon Lee^[3]、裴晓波等^[4]发现CFB炉渣具有高活性，将炉渣磨细后可少量替代粉煤灰、矿粉，制备了复合水泥和高性能混凝土，这也是目前CFB炉渣资源化利用的主要途径。但CFB炉渣粉磨作矿物掺合料，不仅能耗高，而且掺量普遍较小，难以与CFB炉渣的巨大排放量相平衡。

CFB炉渣除活性高外，还具有与机制砂类似的级配，若能不经加工，将其作为活性集料在水泥稳定类路面基层材料中应用，不仅能大大提高CFB炉渣的利用率，还能节约大量天然砂石材料。目前已有炉渣、钢渣等固废作集料在路面基层材料中应用的研究。刘栋等^[5]以生活垃圾焚烧发电炉渣作细集料(掺量20%)配制了水泥稳定碎石炉渣；胡富平等^[6]以煤气化多孔炉渣作粗、细集料，加入粉煤灰、抗冻增强剂等辅助材料，制备了炉渣掺量达到90%的水泥稳定炉渣；安永昌等^[7]利用钢渣和赤泥为被稳定材料制定了7 d无侧限抗压强度达到5 MPa路面基层材料。具体到CFB炉渣作集料在水泥稳定类路面基层材料应用，仅有单俊鸿^[8]和梁新春等^[9]利用CFB炉渣作细集料配制了水泥稳定碎石CFB炉渣(掺量35%)，且发现CFB炉渣压碎值高，会导致的混合料早期强度大幅低于水泥稳定碎石，但90 d强度与水泥稳定碎石接近。

上述研究为CFB炉渣在水泥稳定类路面基层材料中应用提供了一定理论指导，但是CFB炉渣的用量仍然较小，而且针对CFB炉渣压碎值高引发的早期强度低问题、炉内脱硫导致CaO，SO₃含量高^[10]可能引发的膨胀性问题、多孔而吸水率高可能引发的抗冻性问题，相关研究较少。基于此，本研究以大掺量CFB炉渣作全集料配制复合型路面基层材料，主要研究土掺量、抗冻增强剂^[11]掺量对水泥复合稳定CFB炉渣的不同龄期无侧限抗压强度、体积稳定性能、抗冻性能的影响，明确水泥复合稳定CFB炉渣的组成设计方法与路用性能；在此基础上，借助XRD，SEM，集料压碎程度观测等手段，分析水泥复合稳定CFB炉渣路用性能形成机理。研究为CFB炉渣在路面基层材料中大掺量应用提供了理论支撑，有利于提高CFB炉渣资源化利用率。

水泥为32.5级矿渣硅酸盐水泥，取自山西某水泥厂，性能满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)路面基层用水泥要求；土取自山西吕梁，液限为27%，塑性指数为8%，按照《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)分类属于低液限黏土；抗冻增强剂，取自杭州某公司，含有炉渣活性激发成分和抗冻组分，可提高炉渣类基层强度和抗冻性。

CFB炉渣，取自山西吕梁某煤矸石热电厂，最大粒径9.5 mm，级配连续(见图 1)，与机制砂类似，主要化学成分为SiO₂，Al₂O₃，CaO，SO₃，其中SiO₂，Al₂O₃主要以石英等晶体形式存在，而CaO，SO₃主要以硬石膏(以SO₃计)和f-CaO的晶体形式存在，还有部分无定型物质(见表 1与图 2)。

图 1 CFB炉渣的级配分布 Fig. 1 CFB slag gradation distribution

图选项

图 2 CFB炉渣的XRD图谱 Fig. 2 XRD patterns of CFB slag

图选项

水泥复合稳定CFB炉渣的配合比如表 2所示。为了测试土掺量对水泥复合稳定CFB炉渣性能的影响，固定水泥外掺6%，在水泥稳定CFB炉渣(CFB掺量100%，S0)的基础上，等质量掺入20%，30%，40%的土，编号分别为S20，S30，S40。同时为揭示土与炉渣相互作用机制，设置了土掺量100%(CFB炉渣掺量为0，S100)的水泥稳定土作为参照组；并且，在S30的基础上，分别外掺占土与炉渣总质量0.3%，0.6%，0.9%的抗冻增强剂，研究土掺量和抗冻增强剂掺量对水泥复合稳定CFB炉渣的抗冻性能影响。

(1) 原材料检测

土的液塑限参照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)检测；CFB炉渣级配参照《建设用砂》(GB/T 14684—2022)检测；CFB炉渣化学成分采用X射线荧光谱仪(荷兰帕纳科，Zetium)检测，其中游离氧化钙(f-CaO)和可溶性硫酸盐含量(以SO₃计)参照《水泥化学分析方法》(GB/T 176—2017)中化学滴定法检测，矿物组成采用X射线衍射仪(荷兰帕纳科，Empyrean)检测。

(2) 混合料常规性能检测

混合料击实与无侧限抗压强度均参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)，成型压实度为98%。

(3) CFB炉渣集料压碎程度检测

采用水洗法测定混合料受压前以及按(2)静压成型后的级配，用级配变化程度表征集料压碎程度。

(4) 混合料微观形貌与水化产物检测

取无侧限抗压强度检测后试件中心试样，浸入无水乙醇中浸泡1 d后在50 ℃烘箱中烘干至恒重。采用X射线衍射仪(荷兰帕纳科Empyrean型X射线衍射仪)观察试样中水化产物的矿物组成，扫描角度为10°~80°，采用扫描电镜(蔡司Zeiss Ultra Plus型，德国)观察试样的微观形貌与水化产物。

(5) 混合料体积稳定性能检测

将养生7 d龄期无侧限试件，上下2个叠放于收缩仪上，置于干燥养护(60% RH±5%RH、20℃±2℃)环境中养护，以干缩仪上千分表记录的试件高度变化值与试件原始高度的比值表征竖向体积应变，以试件的质量损失率表征失水率。

(6) 混合料抗冻性能检测

参照(JTG E51—2009)中冻融试验方法，抗冻性采用残留抗压强度比(BDR)表征，其值越大，抗冻性越好^[6]。

图 3所示为不同土掺量水泥复合稳定CFB炉渣的击实最大干密度和最佳含水率试验结果。

图 3 击实最大干密度和最佳含水率 Fig. 3 Compaction maximum dry density and optimal water content

图选项

分析图 3可以看出：随着土掺量的增加，水泥复合稳定CFB炉渣最大干密度逐渐增大，最佳含水率逐渐减小。这主要是因为CFB炉渣疏松多孔，体积密度比土低^[10]，吸水率比土高所致。水泥复合稳定CFB炉渣密度低，有利于降低路面的自重，但是吸水率高，可能会对路面基层的强度、收缩性及抗冻性产生影响。

(1) 无侧限抗压强度

图 4所示为不同CFB炉渣掺量水泥复合稳定CFB炉渣在7，28，90 d龄期的无侧限抗压强度。

图 4 无侧限抗压强度 Fig. 4 Unconfined compressive strength

图选项

分析图 4可以看出：水泥稳定纯炉渣(S0)强度较低，仅为3.1 MPa，随着土掺量增加，水泥复合稳定CFB炉渣不同龄期无侧限抗压强度均呈先增后减趋势，在土掺量为20%(S20)时达到峰值，其7 d无侧限抗压强度为S0的1.4倍，达到4.3 MPa，满足《公路路面基层施工技术细则》(JTGT-F20—2015)用于高速公路极重交通路面底基层水泥稳定材料4.0~6.0 MPa的要求。随龄期增幅大，S20后期强度增长幅度大，28 d，90 d抗压强度较7 d提高65.4%，97.8%，90 d抗压强度可达8.5 MPa，S30的90 d强度与S20接近，也达到8.3 MPa，远超水泥稳定细粒土、砂材料的强度上限^[12]，达到了水泥稳定级配碎石的要求。

(2) 无侧限抗压强度形成机理

为分析高压碎值炉渣受压破碎程度对无侧限抗压强度的影响，检测了不同土掺量水泥复合稳定CFB炉渣混合料的受压前后级配变化情况，如图 5、图 6所示。其中图 5为受压前后的各粒径的分计筛余，图 6为受压前后的级配变化总率(受压前后各粒径分计筛余差值绝对值的和)，并且观察了土掺量30%(S30)与土掺量100%(S100)的28 d龄期微观形貌，如图 7所示。

图 5 混合料受压前后的级配 Fig. 5 Mixture gradations before and after compression

图选项

图 6 不同土掺量的级配变化总率 Fig. 6 Mixture gradation variations with different soil contents

图选项

图 7 S100和S30 28 d的XRD图谱 Fig. 7 28-day XRD patterns of S100 and S30

图选项

分析图 5和图 6数据可以看出，水泥稳定纯炉渣(S0)受压后混合料级配变化率很大，级配变化总率为29.9%，表明CFB炉渣在静压过程中破碎概率较高。随土掺量增加，混合料级配的级配变化率先大幅降低，S30累计级配变化率仅为13.5%，降幅为55.0%。土掺量高于30%后，级配变化率不再继续降低。可见土的柔性可起到缓冲CFB炉渣受压力、降低炉渣压碎率的作用，是水泥复合稳定CFB炉渣7 d强度大幅增加的主要原因。

分析图 7和图 8可以看出，在CFB炉渣掺量70%(S30)中水化产物C-S-H、C-A-H含量很高，且CFB炉渣水化后在高岭石等黏土颗粒表面形成大量针状的钙矾石，强化了CFB炉渣与黏土的界面强度，形成了致密的整体，所以强度高。反观土掺量100%(S100)的主要矿物仅有少量水泥水化形成的C-S-H、石膏和钙矾石(AFt)，导致高岭石、蒙脱石等黏土颗粒与水泥之间存在较宽的缝隙，结构不致密，所以强度低。可见当土掺量超过30%后，CFB炉渣水化产物尤其是AFt的降低是水泥复合稳定CFB炉渣强度降低的主要原因。而且据研究，CFB炉渣的反应时间较长，在90 d后仍然在发生水化反应^[13-14]，这也解释了水泥复合稳定CFB炉渣后期强度大幅增长的原因。

图 8 水泥土(S100)、水泥复合稳定CFB炉渣(S30)28 d龄期SEM图像 Fig. 8 28-day SEM images of S100 and S30

图选项

综合来看，掺入土可降低高压碎值CFB炉渣受压破碎程度，同时CFB炉渣持续水化产生AFt等胶凝产物，使得土与CFB炉渣胶结致密，从而造就了水泥复合稳定CFB炉渣既有较高的早期强度，又有较高的后期强度。从无侧限抗压强度来看，适宜的土掺量为20%~30%。

(1) 体积稳定性能

图 9分别为不同土掺量水泥复合稳定CFB炉渣，标准养生7 d后的竖向应变随干燥养生时间的变化趋势。

图 9 竖向应变-干燥养生时间关系 Fig. 9 Relation between shrinkage strain and dry curing time

图选项

分析图 9可以看出，纯炉渣(S0)竖向应变为负值，即发生了膨胀，且膨胀随干燥养护时间延长持续增大，而纯土(S100)则大幅收缩，且收缩随干燥养护时间延长持续增大。当在S0中掺入土后，水泥复合稳定CFB炉渣先有小幅膨胀(约前7 d)后开始收缩，在35 d时收缩稳定，稳定时土掺量越高收缩应变越小，S30体积最为稳定，竖向应变几乎为0。

(2) 体积稳定性能形成机理

假设土的收缩与CFB炉渣膨胀是线性叠加，计算了水泥土复合稳定CFB炉渣的理论竖向应变，并与实际竖向应变进行了对比，如表 3所示。检测了不同土掺量混合料失水率随干燥养生时间的变化趋势，如图 10所示。

图 10 失水率-干燥养生时间关系 Fig. 10 Relation between water loss rate and dry curing time

图选项

分析表 3可以看出，水泥复合稳定CFB炉渣的理论竖向应变与实际竖向应变与土掺量增加同步增大，其中实际应变略小于理论应变。可见土的收缩特性与CFB炉渣的膨胀特性协同，是水泥复合稳定CFB炉渣体积稳定的主要原因。这主要是因为CFB炉渣所含f-CaO、无水硬石膏、活性硅铝物质，水化生成Ca (OH)₂、CaSO₄·2H₂O以及AFt，会产生约2倍的体积膨胀^[15-16]，这与图 9所示S30中观察到大量针状AFt以及粗壮的硬石膏结论相一致；而湿土在干燥环境下，黏土颗粒层间水在毛细管张力作用下会快速散失，从而引起体积收缩^[17]。

分析图 10可以看出，实际应变低于理论应变是因为水泥复合稳定CFB炉渣竖胀缩应变除原材料外，还受混合料失水速率影响^[18]。具体而言，水泥稳定纯炉渣S0与水泥稳定纯土S100的失水率均较高，而复合后S20和S30的失水率既低于S0，也低于S100。这是因为一方面土的粒径远低于CFB炉渣，在物理级配上填充密实CFB炉渣的孔隙，大大降低了CFB炉渣水分向外溢散的孔隙率；另一方面，CFB炉渣疏松多孔、吸水性强，赋存于孔隙中的水分在干燥环境下向土中迁移^[9]，形成内养生作用，从而大大降低了土的失水收缩。

可见，CFB炉渣与土的胀缩平衡作用、土对炉渣的密实孔隙作用、CFB炉渣对土的内养生作用，共同造就了水泥复合稳定CFB炉渣良好的体积稳定性。从体积稳定性来看，适宜的土掺量为30%。

图 11为不同土掺量水泥复合稳定CFB炉渣的冻融残留抗压强度比，图 12为不同抗冻增强剂掺量水泥复合稳定CFB炉渣的冻融残留抗压强度比。

图 11 不同土掺量抗冻融试验结果 Fig. 11 Freeze-thaw resistance test result with different soil contents

图选项

图 12 不同抗冻增强剂掺量抗冻融试验结果 Fig. 12 Freeze-thaw resistance test result with different frost-resistant enhancer contents

图选项

分析图 11可以看出，水泥稳定炉渣(S0)的抗冻性较差，冻融残留抗压强度比为84%，随土掺量增加，水泥复合稳定CFB炉渣抗冻性能先升高后降低，S30的抗冻性最优，冻融残留抗压强度比达到90%，S20次之，冻融残留抗压强度比为87%，这与土掺量20%~30%左右时混合料强度最高、密实度高的结论一致。可见土与CFB炉渣比例合适时混合料孔隙率小、强度高是混合料抗冻性提升的主要原因^{[6, 19]}。

分析图 12可知，水泥复合稳定CFB炉渣添加抗冻增强剂后，抗冻效果显著提升，且随着抗冻增强剂掺量的增加，抗冻效果先升高后降低，掺量为0.6%时，抗冻效果最佳，冻融残留抗压强度比为98%。这是由于抗冻增强剂一方面可激发CFB炉渣活性，提高基体冻胀约束力，另一方面可降低自由水冰点，降低孔内水结冰形成的冻胀应力，从而有利于提高抗冻性^[9]。

通过一系列宏观性能试验和微观分析，对不同土掺量、抗冻增强剂掺量水泥复合稳定CFB炉渣的强度、体积稳定性及抗冻性等关键耐久性能影响及机理进行了研究，主要得出以下结论。

(1) CFB炉渣受压易破碎导致强度低，土可起到防压碎作用；CFB炉渣水化产生大量AFt，强化了CFB炉渣与水泥土等胶结料的界面强度，因而水泥复合稳定CFB炉渣强度较高。

(2) CFB炉渣在干燥环境下发生膨胀，土的收缩有效抑制了CFB炉渣的膨胀，在胀缩平衡作用、多孔CFB炉渣吸水-储水-释水特性对土的内养生作用、土对CFB炉渣的填充密实作用等多重作用下，水泥复合稳定CFB炉渣干缩小、体积稳定性良好。

(3) CFB炉渣与土、抗冻增强剂复合后，冻胀约束力高，冻胀应力降低，抗冻性良好。

(4) 综合来看，土掺量为30%，抗冻增强剂掺量为0.6%，配制的水泥复合稳定CFB炉渣土强度高，7 d无侧限抗压强度可达6.1 MPa，体积稳定，干燥养护环境下收缩率为零，抗冻性优良，28 d后冻融残留抗压强度比达到98%。