水泥(粉煤灰)穩(wěn)定煤氣化多孔爐渣抗凍性能研究

胡富平 申鐵軍 高 鵬 郭海燕 段 濤

(1.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 晉城 048000； 2.山西路橋集團(tuán)晉南項(xiàng)目管理有限公司 太原 030000；3.長(zhǎng)治市武理工工程技術(shù)研究院 長(zhǎng)治 046000)

多孔爐渣是經(jīng)高溫膨化燒結(jié)的爐渣，具有孔隙率高、壓碎值大、吸水率高的特點(diǎn)，如鍋爐煤渣、生化垃圾焚燒爐渣、固定床煤氣化爐渣等。相關(guān)研究表明[1-2]，盡管多孔爐渣壓碎值高，但可以制備強(qiáng)度滿足要求的水泥穩(wěn)定類路面基層材料，但目前關(guān)于水泥穩(wěn)定爐渣的抗凍性缺乏研究。《公路工程抗凍設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》[3]指出：路面半剛性基層混合料的抗凍性能應(yīng)滿足以下要求：中、重凍區(qū)28 d齡期5次凍融循環(huán)后殘留抗壓強(qiáng)度比(BDR)不小于50%，輕凍區(qū)不小于40%。劉棟等[4]發(fā)現(xiàn)采用生活垃圾焚燒爐渣配制的水泥穩(wěn)定碎石爐渣，當(dāng)爐渣摻量?jī)H為40%時(shí)，混合料凍融5次BDR即由92.4%大幅降低至76.5%。水泥(粉煤灰)穩(wěn)定煤氣化多孔爐渣中爐渣摻量達(dá)90%～100%，混合料含水率高達(dá)14%以上，其能否經(jīng)受季凍區(qū)反復(fù)凍融尚不明確，基于此，本文將系統(tǒng)研究煤氣化多孔爐渣路面基層材料的抗凍性能。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

煤氣化多孔爐渣(以下簡(jiǎn)稱爐渣)取自山西某煤化工廠，原渣經(jīng)破碎篩分制備成0～5，5～15，15～25 mm 3檔集料；天然集料為石灰?guī)r制備而成，分為0～5，5～10，10～20，20～30 mm 4檔，爐渣集料和天然集料基本性能對(duì)比結(jié)果見表1。粉煤灰滿足JTG/T F20-2015 《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》要求，水泥采用山西“瑞昌”P.S.B.32.5礦渣硅酸鹽水泥，質(zhì)量合格。試驗(yàn)用增強(qiáng)抗凍型固化劑產(chǎn)自杭州某公司。

表1 煤氣化爐渣集料與砂石集料物理性質(zhì)對(duì)比

由表1可見，爐渣粗集料、細(xì)集料松方密度較天然粗、細(xì)集料分別低35%，28%，屬于固廢輕集料[5]；煤氣化爐渣粗、細(xì)集料飽和面干吸水率分別為9.5%和11.0%，為天然集料的2～3倍。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按照J(rèn)TG E51-2009 《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，求出最大干密度與最佳含水率，以97%的壓實(shí)度成型直徑×高度=150 mm×150 mm試件，養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后進(jìn)行凍融試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)無機(jī)結(jié)合料凍融循環(huán)試驗(yàn)以-18 ℃溫度下氣凍16 h后在20 ℃溫度下水融8 h為1個(gè)凍融循環(huán)，采用凍融質(zhì)量損失和BDR表征材料抗凍性，為模擬更長(zhǎng)時(shí)間凍融環(huán)境，本文設(shè)置了凍融循環(huán)次數(shù)分別為5，10，15次。

2 抗凍性能研究

2.1 配合比

因水泥(粉煤灰)穩(wěn)定爐渣密度低，相同水泥劑量下單位體積實(shí)際水泥用量較水泥穩(wěn)定碎石低33%，為屏蔽水泥用量對(duì)抗凍性影響，固定水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣，以及水泥穩(wěn)定碎石水泥用量均為96 kg/m3，對(duì)應(yīng)水泥穩(wěn)定碎石的水泥劑量為4%。表2為配合比、表3為擊實(shí)結(jié)果和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表2 配合比

表3 擊實(shí)結(jié)果和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表1、表3可見，爐渣吸水率高，配制的水泥(粉煤灰)穩(wěn)定爐渣最佳含水率最高達(dá)16.3%，為水泥穩(wěn)定碎石的3.4倍；爐渣壓碎值高導(dǎo)致水泥穩(wěn)定爐渣強(qiáng)度低于水泥穩(wěn)定碎石，但通過級(jí)配優(yōu)化、摻入粉煤灰、添加增強(qiáng)固化劑等方式，可配制出28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為4.2，5.1 MPa的水泥穩(wěn)定爐渣和水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣。

2.2 質(zhì)量損失

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣，以及水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)質(zhì)量損失見圖1。

圖1 累計(jì)質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)變化趨勢(shì)

由圖1可見，碎石和爐渣基層材料在經(jīng)歷15次凍融循環(huán)后累計(jì)質(zhì)量損失最大值僅為0.36%。具體來看，3種基層材料累計(jì)質(zhì)量損失隨齡期呈先負(fù)增長(zhǎng)、再正增加、再負(fù)增長(zhǎng)的波形變化趨勢(shì)。這是因?yàn)閮鋈诖螖?shù)為3～5次時(shí)，試件完整無凍融剝落掉渣現(xiàn)象發(fā)生，但試件內(nèi)部孔隙在凍脹應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)張、又在毛細(xì)管壓力作用下吸水從而導(dǎo)致試件質(zhì)量的增加[6]；隨著凍融次數(shù)繼續(xù)增加，試件出現(xiàn)凍融剝落破壞現(xiàn)象，因而試件質(zhì)量損失率正增長(zhǎng)，同時(shí)這種破壞提高了試件內(nèi)部的微裂縫和孔徑，使得吸水引起的質(zhì)量增加再次超過脫落質(zhì)量，表現(xiàn)為累計(jì)質(zhì)量損失率的負(fù)增長(zhǎng)。2種作用強(qiáng)弱交替，因而試件的累計(jì)質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)呈波形變化。

2.3 強(qiáng)度損失

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣和水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度損失見圖2。

圖2 凍融殘留抗壓強(qiáng)度比與凍融次數(shù)關(guān)系

由圖2可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣、水泥穩(wěn)定碎石的BDR均呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榘雱傂曰鶎颖举|(zhì)上是一種弱黏結(jié)的干硬性材料，結(jié)合料未形成流動(dòng)性漿體，孔隙率較高，當(dāng)自由水遇冷結(jié)冰體積膨脹就會(huì)引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生微裂縫，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的降低，循環(huán)次數(shù)越多，損傷越嚴(yán)重，強(qiáng)度降低程度也就越大[7]。

各類材料不同凍融循環(huán)次數(shù)的BDR均呈水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣最大，水泥穩(wěn)定爐渣次之，水泥穩(wěn)定碎石最差的規(guī)律。從標(biāo)準(zhǔn)凍融試驗(yàn)(5次循環(huán))BDR來看，水泥穩(wěn)定碎石BDR為87.3%，而水泥穩(wěn)定爐渣和水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣BDR分別可達(dá)94.1%和97.7%?？梢?，水泥(粉煤灰)穩(wěn)定爐渣的抗凍性完全滿足《公路工程抗凍設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》對(duì)路面基層抗凍性相關(guān)要求。

水泥(粉煤灰)穩(wěn)定爐渣雖含水率高，抗凍性卻不受影響。主要有以下幾點(diǎn)原因：①由于添加了具有增強(qiáng)作用的固化劑，加之爐渣吸水特性為基層材料提供了良好的內(nèi)養(yǎng)生條件，促進(jìn)了水泥的水化程度, 使水泥與集料的界面更加密實(shí)[8]，水泥(粉煤灰)穩(wěn)定爐渣28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度已達(dá)4.2 MPa，本身對(duì)凍脹應(yīng)力的抵抗力較強(qiáng)。②大部分自由水集中在爐渣顆粒的微小孔隙內(nèi)，而非膠結(jié)料當(dāng)中，爐渣集料壓碎值雖高但內(nèi)部孔隙水結(jié)冰并不會(huì)破壞集料本身強(qiáng)度；③爐渣輕集料具有較低的彈性模量和多孔結(jié)構(gòu)，可緩沖結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力[9]，對(duì)凍脹破壞具有更強(qiáng)的抵御能力；④粉煤灰具有填充、密實(shí)和活性作用[10]，因而水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣具有更高的強(qiáng)度和更優(yōu)的抗凍性。

3 工程試驗(yàn)抗凍性觀測(cè)

為研究爐渣路面基層材料的抗凍性能，在山西省某旅游公路鋪筑了水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣試驗(yàn)段，配合比見表4。

表4 試驗(yàn)路施工配合比

考慮到計(jì)量誤差，施工時(shí)水泥用量較設(shè)計(jì)值提高1%，對(duì)應(yīng)體積用量從96 kg/m3提高至112 kg/m3。試驗(yàn)段鋪筑時(shí)正值冬季，最高溫度僅5 ℃，覆膜養(yǎng)生后進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，并在首次過冬7，30，60，90 d，以及第二年冬季到來(360 d齡期)和結(jié)束(450 d齡期)時(shí)分別鉆取了芯樣，部分芯樣見圖3，各齡期芯樣強(qiáng)度見表5。

圖3 季凍后鉆芯取樣外觀及抗壓強(qiáng)度

表5 不同齡期鉆芯取樣強(qiáng)度檢測(cè)

工程試驗(yàn)路段在基層覆膜狀態(tài)下，經(jīng)歷冬季最低-17 ℃的冰凍，加之晝夜溫差10 ℃以上的反復(fù)溫降溫升，春季消融后表面未出現(xiàn)大面積松散顆粒、下沉、裂縫等病害；從取芯情況看，芯樣沒有出現(xiàn)端頭松散現(xiàn)象，所有芯樣可完整取出，且上、下端平整，側(cè)壁光滑，基本無孔洞，保持了很好的完整性。90 d齡期芯樣抗壓強(qiáng)度較7 d芯樣強(qiáng)度提高95%，養(yǎng)生12個(gè)月經(jīng)歷第二次冬季強(qiáng)度仍有增長(zhǎng)，表明爐渣路面基層材料不存在抗凍性不良等問題。

4 結(jié)論

1) 由于爐渣的多孔吸水特性，水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣最佳含水率高達(dá)14%，但自由水主要集中于集料孔隙中，為基層材料提供了良好的內(nèi)養(yǎng)生作用，使得爐渣路面基層材料界面強(qiáng)度較高，而且多孔結(jié)構(gòu)起到了緩沖凍脹應(yīng)力的作用，因而水泥(粉煤灰)穩(wěn)定爐渣具有較好的抵抗凍融質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失的性能。

2) 水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣5次凍融循環(huán)后BDR分別為94.1%和97.7%，超過水泥穩(wěn)定碎石，滿足相關(guān)規(guī)范BDR不低于50%的要求。

3) 季凍區(qū)水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣試鋪段，經(jīng)歷2次最低氣溫達(dá)-17 ℃的冬季冰凍，未發(fā)生任何凍脹破壞現(xiàn)象，不同齡期鉆芯取樣完整，強(qiáng)度增長(zhǎng)正常，充分表明爐渣路面基層具有良好的抗凍性。