重晶石礦渣在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用研究

楊維榮，葉 偉，楊 波

(1.黔東南州交通工程質(zhì)量監(jiān)督處， 貴州 天柱 556000； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 400060)

重晶石礦渣在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用研究

楊維榮1，葉 偉2，楊 波2

(1.黔東南州交通工程質(zhì)量監(jiān)督處， 貴州 天柱 556000； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 400060)

通過(guò)對(duì)重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石基層級(jí)配和路用性能的研究，成功將重晶石礦渣作為細(xì)集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石混合料中。重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓性能、抗拉性能及抗干縮性能均與常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石混合料基本相當(dāng)，從而為貴州省重晶石礦渣的廢物利用尋找到一條新的出路。

重晶石礦渣；水泥穩(wěn)定碎石；配合比；路用性能

重晶石指主要成分為鋇(Ba)的硫酸鹽礦物，是化工產(chǎn)業(yè)的重要原料。重晶石經(jīng)煅燒后產(chǎn)生的礦渣，除鋇類化合物含量最高外，鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、銅(Cu)、汞(Hg)等重金屬化合物含量也較高[1]。如果重晶石礦渣處理不當(dāng)，就可能對(duì)周邊土壤和水源造成污染。貴州省重晶石礦儲(chǔ)量豐富，占全國(guó)總儲(chǔ)量的60%，然而，如何利用重晶石礦渣則一直缺乏有效途徑，造成貴州省天柱縣等重晶石產(chǎn)區(qū)礦渣堆積，不僅占用了土地，而且還污染了周邊環(huán)境。為此，有必要對(duì)重晶石礦渣作為細(xì)集料的水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比[2]及路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，使重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的技術(shù)性能和環(huán)保性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。其目的一方面是解決重晶石礦渣的無(wú)害化處理問(wèn)題；另一方面，希望能夠變廢為寶，為重晶石礦渣的廢物利用尋找到一條新的出路。

1 原材料

1.1 重晶石礦渣

1.1.1 篩分結(jié)果

重晶石礦渣的表觀為一種灰白色細(xì)小顆粒，如圖1所示。為了判定重晶石礦渣遇水后是否會(huì)發(fā)生水解，從而改變礦渣強(qiáng)度和級(jí)配，筆者將重晶石礦渣分別浸水1、3、7 d，干燥處理后分別對(duì)其進(jìn)行了篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖1 重晶石礦渣表觀

孔徑/mm平均通過(guò)率/%干篩浸水1d后干篩浸水3d后干篩浸水7d后干篩9.5100.0100.0100.0100.04.7599.498.699.699.22.3688.288.389.989.11.1867.367.668.467.40.654.355.756.555.50.326.829.028.627.60.1526.126.828.328.20.07520.923.222.120.5

試驗(yàn)結(jié)果表明，浸水后重晶石礦渣級(jí)配未發(fā)生明顯變化，各篩孔通過(guò)率平均差值在2%左右，說(shuō)明重晶石礦渣遇水干燥后級(jí)配相對(duì)穩(wěn)定。

1.1.2 物理性質(zhì)

根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，將重晶石礦渣作為細(xì)集料進(jìn)行相應(yīng)的物理性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 重晶石礦渣物理性能指標(biāo)

檢測(cè)結(jié)果表明，重晶石礦渣物理性能基本滿足使用要求。

1.1.3 環(huán)保性能

重晶石礦渣屬于工業(yè)廢料。經(jīng)檢測(cè)，重晶石礦渣除了含有較高鋇類化合物外，還含有其他有毒重金屬元素化合物[3]。本文參照SY/T 6240—1996《重晶石化學(xué)成分分析方法》對(duì)重晶石礦渣原樣的浸出毒性進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 重晶石礦渣中重金屬濃度 mg/L

注：濃度限值為GB 5085.3—2007《鑒別危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》規(guī)定的限值。

由表3可以看出，重晶石礦渣浸出液中重金屬離子析出濃度除鋅(Zn)、銅(Cu)在規(guī)定的限制范圍之內(nèi)外，其余重金屬離子析出濃度均超標(biāo)。因此，重晶石礦渣大量不合理堆放可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成不容忽視的污染。

1.2 粗細(xì)集料及水泥

選用石灰?guī)r碎石作為集料[4]，水泥選用P.O 32.5普通硅酸鹽水泥。石灰?guī)r碎石物理指標(biāo)如表4所示。

表4 碎石物理指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

本文研究的重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石基層的目標(biāo)應(yīng)用范圍主要為貴州省2級(jí)及2級(jí)以下等級(jí)公路。因此，根據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中對(duì)水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配范圍的規(guī)定，本文采用C-C-1懸浮密實(shí)型級(jí)配[5]作為重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石基層的級(jí)配控制范圍，如表5所示。試驗(yàn)時(shí)，將重晶石礦渣作為細(xì)集料參與水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配合成，并以級(jí)配控制范圍中值為目標(biāo)級(jí)配，分別進(jìn)行礦渣摻量為0%、10%、20%、30%(占集料重質(zhì)量的百分比)的級(jí)配合成試驗(yàn)。不同礦渣摻量下水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配合成曲線如圖2所示。

圖2 不同礦渣摻量下水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配合成曲線

2.2 最佳含水量確定

試驗(yàn)采用32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，摻量為4%[6]。按照合成級(jí)配，分別對(duì)重晶石礦渣摻量為0%、10%、20%、30%的混合料以不同含水量進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，以測(cè)定重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料在不同礦渣摻量下的最大干密度和最佳含水量。不同重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干密度與含水量關(guān)系曲線如圖3所示，最大干密度如表5所示。圖3中，x為含水量；y為干密度。

圖3 不同重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料干密度與含水量關(guān)系曲線

重晶石礦渣摻量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水量/%02.2294.7102.2857.5202.2709.8302.26412.3

由表5可知，隨著重晶石礦渣摻量增加，混合料最大干密度減小，最佳含水量增大。其主要原因?yàn)橹鼐V渣粒徑小，比表面積大，吸水率高所致。

2.3 礦渣摻量確定

本文采用3.5 MPa作為重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石基層7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)[7]。同時(shí)，根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，按照不同重晶石礦渣摻量所對(duì)應(yīng)的最佳含水量成型重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度圓柱形試件，每組礦渣摻量各成型7個(gè)試件，完成7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同重晶石礦渣摻量水泥穩(wěn)定碎石試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，隨著重晶石礦渣的摻入，水泥穩(wěn)定碎石試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)?shù)V渣摻量為30%時(shí)，其強(qiáng)度達(dá)不到3.5 MPa的技術(shù)要求。同時(shí)，10%和20%重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石試件其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差不大，且均能達(dá)到3.5 MPa的技術(shù)要求。因此，為提高重晶石礦渣的利用率，本文在保證強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的前提下采用了較高的礦渣摻量，將20%作為重晶石礦渣摻量上限，并以此進(jìn)行路用性能研究。

3 路用性能檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 抗拉性能

一般而言，水泥穩(wěn)定碎石材料的抗拉性能相對(duì)抗壓性能要弱一些，如果抗拉強(qiáng)度不足則可能造成水泥穩(wěn)定碎石基層開裂，從而影響路面使用壽命。為此，本文對(duì)20%重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石以及未摻重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行7 d和28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下的對(duì)比劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出，重晶石礦渣摻量為20%的水泥穩(wěn)定碎石與未摻重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石相比較，其7 d和28 d劈裂強(qiáng)度基本相同，無(wú)明顯變化，表明20%重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料能夠滿足2級(jí)及以下公路對(duì)基層抗拉性能的要求。

3.2 干縮性能

由于重晶石礦渣總體偏細(xì)，比表面積大，從而導(dǎo)致重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水量明顯增加，并可能由此增加基層出現(xiàn)干縮裂縫[8]的風(fēng)險(xiǎn)。為此，本文按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的試驗(yàn)方法，對(duì)20%重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石和未摻重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行干縮性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

表7 重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可以看出，摻20%重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石其干縮曲線與未摻重晶石礦渣的常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石的干縮曲線形狀類似，均為前15 d干縮速率較快，15 d后逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)2種水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮變形的絕對(duì)值進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)摻20%重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石在變形穩(wěn)定后其累計(jì)干縮變形僅高出未摻重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石6.7%。由此可見，雖然摻20%重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石干縮變形略大，但兩者差異并不顯著，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整施工工藝加以控制。

3.3 環(huán)保性能

由表3可知，重晶石礦渣原樣浸出液中鋅(Zn)、銅(Cu)濃度值滿足環(huán)保要求，其他4種重金屬離子超標(biāo)。因此，本文重點(diǎn)對(duì)重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料(重晶石礦渣摻量為20%)中的鉛(Pb)、鎘(Cd)、鋇(Ba)、汞(Hg)4種重金屬離子的浸出濃度進(jìn)行檢測(cè)分析，檢測(cè)結(jié)果如表8所示。

表8 重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石(礦渣摻量20%)浸出毒性檢測(cè)結(jié)果

由表8可知，重晶石礦渣中的重金屬離子經(jīng)過(guò)水泥固化穩(wěn)定以后，重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石浸出物的重金屬含量已滿足環(huán)保要求。因此，在道路建設(shè)中采用重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石基層可以有效避免重晶石礦渣對(duì)環(huán)境的污染。

4 結(jié)論

本文以重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石為研究對(duì)象，對(duì)其配合比和路用性能進(jìn)行了重點(diǎn)研究，并得到如下結(jié)論：

1) 重晶石礦渣浸水前后干篩級(jí)配比較穩(wěn)定，且物理性能指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)范要求，可作為水泥穩(wěn)定碎石細(xì)集料使用。

2) 在保證抗壓強(qiáng)度的前提下，可將20%(相對(duì)集料總質(zhì)量)作為重晶石礦渣在水泥穩(wěn)定碎石混合料中的摻量上限。

3) 采用20%重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料其抗拉性能與常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石基本相當(dāng)，干縮變形僅增加6.7%，表明礦渣對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能沒(méi)有影響，干縮性能總體可控。

4) 重晶石礦渣浸出物中的重金屬離子含量明顯超過(guò)國(guó)家環(huán)保要求，但經(jīng)水泥固化穩(wěn)定后，重晶石礦渣水泥穩(wěn)定混合料浸出物中重金屬離子含量大幅減少，不僅滿足國(guó)家環(huán)保規(guī)范要求，而且還有效解決了重晶石礦渣的污染問(wèn)題。

[1]劉 攀.鋇渣理化性質(zhì)分析表征及其資源化利用[D]. 貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2015.

[2]陳清己. 重晶石防輻射混凝土配合比設(shè)計(jì)及其性能研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010.

[3]譚洪波，李 信，馬保國(guó)，等.磨細(xì)鋇渣對(duì)普通硅酸鹽水泥水化歷程的影響[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，2016(3)：161-166.

[4]黃 興，魏汝明，袁 玲，等.水泥穩(wěn)定碎石基層配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[J].公路，2013(9)：218-223.

[5]郁培和.骨架密實(shí)型和懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石基層研究[J].安徽建筑，2013，20(6)：122-124.

[6]孫鵬飛，季 節(jié)，楊 松，等.水泥劑量、橡膠粉粒徑及摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響分析[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2015(5)：49-52.

[7]許 淼.水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2015.

[8]江 凌.水穩(wěn)基層干縮裂縫的危害及對(duì)策[J].安徽建筑，2012(12)：86-87.

Application of Barite Slag in Cement Stabilized Macadam Base

YANG Weirong1,YE Wei2,YANG Bo2

In this paper,barite slag,as a fine aggregate,was successfully applied to the cement stabilized gravel mixture by studying the gradation and road performance of the barite stabilized macadam base. The barite slag cement stabilized macadam mixture has similar compressive property,tensile properties and anti-shrinkage properties of common cement-stabilized gravel mixture,which found a new way for the utilization of barite slag in Guizhou Province.

barite slag; cement stabilized gravel; mixing ratio; road performance

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.002

貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2015-121-048)

2016-09-06

楊維榮(1965-)，男， 貴州省凱里市人，大專，高工。

1009-6477(2016)06-0005-05

U416.21

A