鋇渣在水泥混凝土面層中的應(yīng)用研究

潘成昭 吳雪柳

(1.貴州省黔東南州交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督處，貴州 凱里 556000； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400000)

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鋇渣在水泥混凝土面層中的應(yīng)用研究

潘成昭1吳雪柳2

(1.貴州省黔東南州交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督處，貴州 凱里 556000； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400000)

結(jié)合貴州實際情況，探討了重晶石在道路工程中的應(yīng)用情況，通過特殊改進(jìn)工藝，將鋇渣分別應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石及水泥混凝土中，試驗結(jié)果表明，不僅滿足道路工程的要求，同時消除了對環(huán)境的影響。

鋇渣，水泥穩(wěn)定碎石，水泥混凝土，瀝青路面

0 引言

我國重晶石資源豐富，重晶石年產(chǎn)量約占世界重晶石總產(chǎn)量的40%，是世界上最大的重晶石生產(chǎn)國，而我國探明儲量的重晶石礦區(qū)60%位于貴州省，貴州已經(jīng)成為中國重晶石最大生產(chǎn)基地。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，重晶石廣泛運(yùn)用于石油、化工、建筑、涂料、橡膠、醫(yī)藥、造紙等領(lǐng)域，而重晶石的廣泛運(yùn)用使得其在提煉、運(yùn)用與發(fā)展中產(chǎn)生了大量殘余固體產(chǎn)物(俗稱“鋇渣”)，并日益增加且大量堆積。這不僅使地下水鋇離子超標(biāo)，污染水源，對人體造成巨大的傷害；還大量堆積侵占土地資源，山區(qū)地區(qū)堆積不當(dāng)還會引發(fā)泥石流、滑坡等安全事故；此外，礦渣粉塵還易造成當(dāng)?shù)仂F霾加重，形成空氣污染，危害當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，危及人類居住安全。為了節(jié)約再利用有效資源、變廢為寶，減輕環(huán)境污染及災(zāi)害防治，本文進(jìn)行鋇渣后期處理再利用研究。通過研究鋇渣的各項綜合性能，以及使用必要的技術(shù)手段使鋇渣成功的應(yīng)用于道路工程中。

1 鋇渣特性分析

1.1 級配組成

對項目用鋇渣進(jìn)行現(xiàn)場取樣，并按照J(rèn)TG E42—2005公路工程集料試驗規(guī)程的要求進(jìn)行樣品篩分試驗，計算得到鋇渣最終級配組成如表1所示。

表1 鋇渣級配

由表1可以看出，鋇渣具有0.075篩孔通過率高、顆粒細(xì)等特點，且鋇渣本身具有較高的含水率。

1.2 物理化學(xué)性能

1.2.1 細(xì)度模數(shù)

細(xì)度模數(shù)是用來表征天然砂粒徑的粗細(xì)程度及類別的指標(biāo)，普通混凝土用砂的細(xì)度模數(shù)范圍在2.3～3.0，以中砂為宜。通過計算得出鋇渣的細(xì)度模數(shù)為2.38，屬于中砂范圍，可以作為混凝土用砂使用。

1.2.2 化學(xué)組成

鋇渣是重晶石提煉鋇鹽(包括碳酸鋇、硫酸鋇、氯化鋇)后的產(chǎn)物，屬于工業(yè)廢料。產(chǎn)生過程為：重晶石在高溫下用碳還原為硫化鋇，然后用水浸出的硫化鋇浸出液經(jīng)加工而成，浸出留下的即鋇渣。經(jīng)分析，鋇渣的主要成分為碳酸鋇、硅酸鋇、硫酸鋇等，還含有有害重金屬等。將鋇渣樣品預(yù)處理，經(jīng)干燥、粉碎、過篩(200目)、干燥后，放于干燥器中備用，進(jìn)行鋇渣成分分析實驗，結(jié)果見表2。

表2 鋇渣成分分析表

由表2可知，鋇渣的主要成分有：BaSO4,BaCO3,BaSiO3,BaS等?？梢?，鋇渣中鋇化物含量高，即仍然存留大量的Ba2+離子，而可溶性有害組分Ba2+容易滲入地下水，使地下水鋇離子超標(biāo)，或與水中陰離子結(jié)合形成難溶的沉淀物，污染水源，對人體造成巨大的傷害。大量堆積的鋇渣侵占土地資源，山區(qū)地區(qū)堆積不當(dāng)還會引發(fā)泥石流、滑坡等安全事故。因此，鋇渣的大量不合理堆放嚴(yán)重威脅著生存環(huán)境、人居健康、居住安全等，對鋇渣進(jìn)行合理大量處理迫在眉睫。

2 鋇渣在道路工程中的應(yīng)用

2.1 項目概況

項目以貴州省天柱縣國省干道及鄉(xiāng)村公路改造項目為依托，并通過在黔東南天柱縣縣城附近的二級及其以下公路上鋪筑試驗段。試驗段全長約500 m，共分為兩種路面結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)試驗段長度為250 m左右。通過試驗路鋪筑，驗證摻鋇渣的水泥混凝土路面及半剛性基層瀝青路面的施工工藝，為鋇渣筑路材料的研究與發(fā)展在國內(nèi)外公路改造中的應(yīng)用進(jìn)行推廣。

2.2 路面結(jié)構(gòu)

根據(jù)項目研究大綱，并結(jié)合原路面設(shè)計結(jié)構(gòu)，以及現(xiàn)場條件，確定了兩種試驗段路面鋪裝結(jié)構(gòu)，具體如下所示：

1)路面結(jié)構(gòu)一：

路基+18 cm水泥混凝土，鋪裝結(jié)構(gòu)圖見圖1。

方案說明：參照原路面設(shè)計，采用摻入的水泥鋇渣混凝土路面，可直接與其原水泥混凝土路面順接。

2)路面結(jié)構(gòu)二：

路基+15 cm重晶石水泥穩(wěn)定碎石(即鋇渣水泥穩(wěn)定碎石)基礎(chǔ)+乳化瀝青粘層+3 cm AC-13，鋪裝結(jié)構(gòu)圖見圖2。

方案說明：采用將半剛性基層瀝青路面，基層采用摻鋇渣的水泥穩(wěn)定碎石基層，面層采用4 cm AC-13，不僅能檢驗摻鋇渣對半剛性基層的影響，同時瀝青路面能為當(dāng)?shù)剀囕v提供舒適的行駛感，但是，由于考慮到造價因素和交通量小的原因，瀝青面層僅有4 cm，可能存在面層產(chǎn)生反射裂縫的風(fēng)險。

2.3 配合比設(shè)計

2.3.1 水泥穩(wěn)定碎石配合比

1)級配設(shè)計。水泥穩(wěn)定碎石混合料中各檔集料的配比為：10 mm～25 mm用量40%,7 mm～10 mm用量為30%,0 mm～3 mm用量為15%，鋇渣15%。

2)性能驗證。為驗證水泥穩(wěn)定碎石基層性能，成型了兩組試件，水泥用量4%；最佳含水量為13%，最大干密度2.279 g/cm3，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.7 MPa，滿足設(shè)計要求，可按該配比進(jìn)行現(xiàn)場施工。

2.3.2 水泥混凝土配合比

1)級配設(shè)計。水泥混凝土中各檔集料的配比為：10 mm～25 mm用量35%,7 mm～10 mm用量為20%,25 mm～35 mm用量為30%，鋇渣全部替代砂，砂率15%。

2)性能驗證。為驗證水泥混凝土混合料性能，成型兩組試件，水灰比為0.4，減水劑用量為水泥用量1.2%，得到28 d抗壓強(qiáng)度為26.5 MPa、抗折強(qiáng)度為4.53 MPa，結(jié)果滿足C20混凝土設(shè)計要求，可按該配比進(jìn)行現(xiàn)場施工。

2.4 施工工藝

2.4.1 水泥穩(wěn)定碎石基層施工

1)施工前準(zhǔn)備。a.場地清理；b.放線；c.鋇渣含水量測定(燃燒法)；d.拌合樓標(biāo)定。

2)拌合。拌合過程中的加水量略大于最佳含水量，并盡量做到隨拌隨運(yùn)走。

3)混合料運(yùn)輸。拌合好的混合料盡快運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行攤鋪，運(yùn)輸車裝載均勻。從第一次在拌合機(jī)內(nèi)加水拌合到完成壓實工作的時間控制為3 h～4 h。

4)混合料攤鋪與整形。水泥穩(wěn)定碎石基層攤鋪時混合料的含水量應(yīng)大于最佳含水量0.5%～1.0%，以補(bǔ)償攤鋪及碾壓過程中的水分損失。

5)混合料碾壓。先用鋼輪壓路機(jī)整平1遍～3遍，碾壓速度為1.5 km/h～2 km/h，然后壓路機(jī)開啟振動碾壓3遍～4遍，碾壓速度為2.5 km/h～3 km/h，最后再采用鋼輪壓路收面，使每層整個厚度和寬度完全均勻的壓實到規(guī)定的密實度為止。

6)養(yǎng)生。完成碾壓后，采用薄膜覆蓋養(yǎng)生，期間禁止交通通行，養(yǎng)生時間為最少7 d。

2.4.2 水泥混凝土施工

1)施工前準(zhǔn)備。水泥混凝土試驗段施工前準(zhǔn)備與水泥穩(wěn)定碎石試驗段類似。

2)安裝模板。模板應(yīng)安裝穩(wěn)固、順直、平整、無扭曲，相鄰模板連接應(yīng)緊密平順，不得有漏漿，前后錯槎、高低錯臺等現(xiàn)象。內(nèi)側(cè)固定鋼釬和外側(cè)受力鋼釬均不得高于模板，以利振動梁能通過。

3)拌合。用水量通過流量計控制，拌合時間最低不低于90 s。

4)攤鋪。攤鋪厚度要考慮預(yù)留高度。拌合物的松鋪系數(shù)控制在K=1.1～1.25之間，料偏干，取較高值；反之，取較低值。

5)振搗。振搗時，應(yīng)輔以人工補(bǔ)料，應(yīng)隨時檢查振實效果、模板、拉桿、傳力桿和鋼筋的位移、變形、松動、漏漿等情況，并及時糾正。整平時，填補(bǔ)料應(yīng)選用較細(xì)的拌合物，嚴(yán)禁使用純砂漿填補(bǔ)找平。

6)整體飾面。應(yīng)拖動滾杠往返2遍～3遍提漿整平。拖滾后的表面宜采用3 m刮尺，縱橫各1遍整平飾面，或采用葉片式或圓盤式抹面機(jī)往返2遍～3遍壓實整平飾面。

7)抗滑構(gòu)造。在整體飾面完成后，采用特質(zhì)工具對混凝土表面進(jìn)行抗滑構(gòu)造。

8)養(yǎng)生。用灑水養(yǎng)生并薄膜覆蓋應(yīng)特別注重7 d的保濕養(yǎng)生，養(yǎng)生總?cè)掌跒?8 d。

2.4.3 注意事項

1)施工前，需對現(xiàn)場的鋇渣含水量進(jìn)行測定，同時存放鋇渣時需采用遮擋，防止雨水淋濕并造成污染；

2)拌合過程中，需對用水量進(jìn)行嚴(yán)格控制，用水量直接影響攤鋪和混合料后期性能，因此需嚴(yán)格控制；

3)水泥混凝土施工過程中，需嚴(yán)格控制現(xiàn)場的攤鋪壓實溫度，并及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)措施，氣溫過高，可采取先在原路基上灑水降溫的方式，并在混凝土養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行及時灑水養(yǎng)護(hù)。

3 結(jié)語

1)鋇渣具有0.075篩孔通過率高、顆粒細(xì)等特點，可以當(dāng)做細(xì)集料添加至水泥穩(wěn)定碎石及水泥混凝土中。

2)鋇渣細(xì)度模數(shù)為2.38，屬于中砂范圍，可以當(dāng)做細(xì)集料添加至混合料中。

3)鋇渣中存留大量可溶性有害組分Ba2+離子，因而需要對鋇渣進(jìn)行合理大量處理以避免其威脅生存環(huán)境、人居健康、居住安全等。

4)鋇渣可以作為細(xì)集料摻加進(jìn)水泥穩(wěn)定碎石中，且占集料級配的15%，其混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.7 MPa；鋇渣還可以全部替代砂，運(yùn)用于水泥混凝土中，得到28 d抗壓強(qiáng)度為26.5 MPa、抗折強(qiáng)度為4.53 MPa，結(jié)果滿足C20混凝土設(shè)計要求。

5)鋇渣運(yùn)用于公路工程項目中時需要特別注意鋇渣在存放、拌合及施工攤鋪過程中的含水量測定及用水量控制，以求得到滿意的施工路用性能。

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

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[6] JTG E42—2005,公路工程集料試驗規(guī)程[S].

[7] JTJ 034—2000，公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S].

[8] JTG F30—2003，公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

The application research on barium slag in cement concrete surface

Pan Chengzhao1Wu Xueliu2

(1.GuizhouSoutheastQianTrafficConstructionEngineeringQualityandSafetySupervisionOffice,Kaili556000,China; 2.ChongqingZhixiangPavingTechnologyEngineeringCo.,Ltd,Chongqing400000,China)

Combining with the actual situation in Guizhou, this paper discussed the application situation of barite in road engineering, through the special improvement process made barium slag respectively used in cement stabilized macadam and cement concrete, the test results showed that: not only could satisfy the road engineering requirement, also eliminated the influence to environment.

barium slag, cement stabilized macadam, cement concrete, asphalt pavement

1009-6825(2017)20-0140-03

2017-04-10

潘成昭(1974- )，男，高級工程師； 吳雪柳(1989- )，女，工程師

U416

A