工業(yè)固廢新型混凝土作為公路建筑材料的性能評(píng)價(jià)

阿布來(lái)提·木合它爾

(和田公路管理局 和田市 848000)

0 引言

一個(gè)國(guó)家的社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康快速發(fā)展離不開(kāi)公路網(wǎng)的發(fā)展與建設(shè)，而公路建造需要巨量的材料。其中，工業(yè)固廢是一種可行的建筑原料。其主要代表是粉煤灰和爐渣等工業(yè)固廢。根據(jù)調(diào)查，我國(guó)粉煤灰使用率已超過(guò)部分發(fā)達(dá)國(guó)家[1]。高爐爐渣是高爐生產(chǎn)生鐵過(guò)程中由鐵礦與石灰石熔劑結(jié)合而成所產(chǎn)生的副產(chǎn)物，爐渣顆粒的物理結(jié)構(gòu)和級(jí)配取決于爐渣的化學(xué)成分、水淬時(shí)的溫度和生產(chǎn)方法。本研究中使用的粉煤灰和爐渣的物理性質(zhì)如表1。

表1 粉煤灰和爐渣的物理性能

譚發(fā)茂[2]對(duì)穩(wěn)定土強(qiáng)度增長(zhǎng)途徑進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，石灰-粉煤灰等外加劑穩(wěn)定劑可用于各種施工應(yīng)用，如填埋場(chǎng)和路面。F級(jí)粉煤灰由硅質(zhì)和鋁質(zhì)材料組成，這些材料本身缺乏膠凝價(jià)值，但在有水分的情況下與氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成膠凝化合物[3]。張勇[4]對(duì)粉煤灰在混凝土中的作用進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，粉煤灰可以有效改善混凝土的工作性能，提高混凝土的抗折強(qiáng)度和耐磨性，降低混凝土的水化速度。歐磊[5]通過(guò)對(duì)粉煤灰基本性質(zhì)的分析，指出粉煤灰對(duì)水泥混凝土性能的改善以及保證路面質(zhì)量的有效措施，這些措施是值得在實(shí)際施工中參考和應(yīng)用的。主要研究粉煤灰-爐渣-水泥混合料的土工性能及其在公路施工中的適用性。

1 試驗(yàn)方法

通過(guò)對(duì)不同粉煤灰-爐渣-水泥混合料的壓實(shí)特性和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等工程性能的評(píng)價(jià)，研究工業(yè)固廢-水泥新型混凝土材料在公路建設(shè)中的適用性。表2給出了試驗(yàn)方案中使用的粉煤灰-爐渣-水泥混合料的詳細(xì)情況。在試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)試驗(yàn)的具體要求，制作試件。

表2 粉煤灰-爐渣-水泥混合料試驗(yàn)方案

1.1 壓實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18148-2000壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)性能試驗(yàn)方法通過(guò)壓實(shí)試驗(yàn)確定不同摻量粉煤灰-爐渣-水泥的含水率與干密度的關(guān)系。根據(jù)干密度與含水量的關(guān)系，計(jì)算出最佳含水率和最大干密度。

1.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在定容取樣器中施加靜態(tài)壓力，分別制備無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣。壓實(shí)試樣直徑為50mm，高度為100mm。所有的樣品都被涂蠟并在溫度控制室中44℃下固化7d和14d。在應(yīng)變控制的無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)機(jī)中，以1.2mm/min的應(yīng)變率測(cè)定固化試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。測(cè)定了不同摻量粉煤灰-爐渣-水泥養(yǎng)護(hù)7d和14d后的平均單軸抗壓強(qiáng)度(3個(gè)相同試樣)。7d養(yǎng)護(hù)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表3，14d養(yǎng)護(hù)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表4。

表3 7d養(yǎng)護(hù)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)

表4 14d養(yǎng)護(hù)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)

1.3 加州承載比試驗(yàn)CBR

加州承載比試驗(yàn)CBR定義為試件在2.5mm或5.0mm貫入時(shí)所承受的荷載與在相應(yīng)貫入水平下標(biāo)準(zhǔn)路面骨料所承受荷載的比值。CBR試驗(yàn)是評(píng)價(jià)土質(zhì)路基及其他柔性路面材料穩(wěn)定性的一種方法，同時(shí)也是評(píng)價(jià)土體材料強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于路基工程[6]。不同混合料(三個(gè)試樣)的平均CBR值如表5所示。

表5 7d養(yǎng)護(hù)不同混合料試樣的平均CBR值(%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓實(shí)特性

不同爐渣含量最大干密度和最佳含水率隨水泥摻量的變化分別如圖1和圖2。

圖1 不同爐渣含量作用下最大干密度隨水泥摻量的變化

圖2 不同爐渣含量作用下最佳含水率隨水泥摻量的變化

研究結(jié)果表明：粉煤灰-爐渣混合料中摻加水泥導(dǎo)致最大干密度增加，最佳含水率降低。水泥顆粒的比重高于粉煤灰和爐渣，用水泥替代一定比例的粉煤灰或爐渣，增加其質(zhì)量密度。此外，水泥顆粒比粉煤灰和爐渣顆粒更細(xì)，較細(xì)顆粒填充了壓實(shí)混合物中的空隙，從而降低了混合物的最佳含水率，增加了混合物的最大干密度。

不同水泥含量最大干密度和最佳含水率隨爐渣摻量的變化分別如圖3和圖4所示。

圖3 不同水泥含量作用下最大干密度隨爐渣含量的變化

圖4 不同水泥含量作用下最佳含水率隨爐渣含量的變化

研究結(jié)果表明：隨著爐渣加入粉煤灰-水泥混合料，最大干密度增大，最佳含水率減小。粉煤灰-水泥混合料中加入爐渣可得到良好的級(jí)配質(zhì)量。因此，在相同的壓實(shí)能下，混合物被壓實(shí)到更高的密度，導(dǎo)致最大干密度增加，最佳含水率值降低。爐渣的比重略大于粉煤灰的比重，因此，用等量的爐渣替代粉煤灰必然會(huì)提高壓實(shí)體的干密度。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

粉煤灰-爐渣-水泥混合料養(yǎng)護(hù)7d和14d后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別如表3和表4。研究結(jié)果表明，工業(yè)固廢混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大。在水泥水化過(guò)程中，水泥中的C3S和C2S與水發(fā)生反應(yīng)，形成復(fù)合硅酸鈣水合物(C-S-H)。C-S-H凝膠形成，填滿空隙，并將顆粒結(jié)合在一起，提高材料強(qiáng)度；工業(yè)固廢混凝土中顆粒的黏聚力隨著水泥摻量的增加而提高；在水泥摻量不變的情況下，加入爐渣能顯著提高強(qiáng)度；在粉煤灰-水泥混合料中加入爐渣有利于提高穩(wěn)定混合料的強(qiáng)度。其次，摻加爐渣有利于級(jí)配良好，提高壓實(shí)密度，從而提高壓實(shí)混合料的力學(xué)性能。同時(shí)，壓實(shí)混合材料的強(qiáng)度隨固化時(shí)間的增加而增加。

2.3 加州承載比CBR

根據(jù)表5不同混合料試樣的平均CBR值可知，隨著水泥摻量的增加，試件的CBR值顯著增大。水泥摻量為0%時(shí)，壓實(shí)粉煤灰的CBR值為2%，水泥摻量為8%時(shí)，其CBR值提高到62.45%，約為單獨(dú)壓實(shí)粉煤灰強(qiáng)度的31倍。根據(jù)圖5不同爐渣含量作用下CBR值隨水泥摻量的變化，不同爐渣摻量CBR值隨著水泥含量的增加而增加，增長(zhǎng)趨勢(shì)接近正相關(guān)。同時(shí)，水泥含量在0～4%時(shí)，不同爐渣含量作用下CBR值差值較小，4%～6%不同水泥含量作用下CBR值差值較大。根據(jù)圖6不同水泥含量作用下CBR值隨爐渣量的變化，隨著爐渣含量的增加，試件的CBR變化趨勢(shì)較緩。爐渣摻量相同時(shí)，其中，在水泥摻量為0%、2%、4%、6%、8%作用下，隨著爐渣摻量的增加，其CBR值分別增長(zhǎng)49%、73%、61%、111%、69%。研究結(jié)果表明，水泥含量對(duì)CBR值影響較大。

圖5 不同爐渣含量作用下CBR值隨水泥摻量的變化

圖6 不同水泥含量作用下CBR值隨爐渣量的變化

3 結(jié)論

(1)隨著水泥和爐渣摻量的增加，壓實(shí)混合材料的最大干密度增大，最佳含水率減小。水泥-粉煤灰-爐渣混合材料的最大干密度值低于類似級(jí)配的天然無(wú)機(jī)土。這對(duì)于在軟的、可壓縮性的土體上建造輕型路堤是有利的。

(2)工業(yè)固廢-水泥混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量幾乎呈線性關(guān)系。在一定水泥摻量下，增加粉煤灰中爐渣的摻量可以有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

(3)工業(yè)固廢新型混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。在低爐渣摻量下，養(yǎng)護(hù)第14d和第7d的單軸抗壓強(qiáng)度比較高，表明粉煤灰-水泥混合料中爐渣的加入加快了火山灰反應(yīng)。

(4)工業(yè)固廢混凝土承載比隨著水泥摻量的增加而提高，水泥摻量一定時(shí)，工業(yè)固廢混凝土承載比隨著爐渣摻量的增加而提高，表明在適當(dāng)?shù)呐浜媳冉M合下，其適用于公路路面的基層和次基層。