電解錳渣制備路面基層材料及其力學(xué)性能研究

李 宇，方 琴，郭玉蘭，彭 浩，楊小潔

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

我國是電解金屬錳產(chǎn)量大國，錳礦主要分布在云南、貴州、重慶、湖南、廣西等省份[1]。湘、黔、渝三省(市)交界處，是我國著名的“錳三角”之一。貴州省電解錳渣產(chǎn)地主要集中在銅仁市，它位于貴州省東北部。隨著錳礦資源的日益枯竭，錳礦品位急劇降低，每生產(chǎn)1t電解金屬錳會產(chǎn)生8～12t電解錳渣[2]。目前，電解金屬錳渣利用率較低，它主要的處理方式以堆存為主。隨著時(shí)間消逝電解錳渣堆積不僅占用所在地區(qū)大量土地資源并且對周圍地上水和地下水造成嚴(yán)重影響。眾所周知，道路材料消耗量大，利用水泥固化性能將電解錳渣用于道路路面基層材料。該處理方式不僅能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益而且能兼顧環(huán)保效益，有效緩解電解錳渣堆存現(xiàn)狀。因此，電解錳渣在路面基層材料的應(yīng)用研究顯得尤為迫切。

由于水泥穩(wěn)定碎石基層和二灰穩(wěn)定基層兩者具有強(qiáng)度高、剛度大及整體性好等特點(diǎn)，因此它們是我國目前路面基層材料主要形式。上述兩類基層材料具備諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在不足之處。對于水泥穩(wěn)定碎石基層，其最大缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)收縮大易對道路面層產(chǎn)生反射裂縫；而二灰穩(wěn)定碎石基層其早期強(qiáng)度低，且水穩(wěn)定性差，不宜用于地上水和地下水豐富的地區(qū)[3]。水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層具備取其兩者精華去其糟粕的特點(diǎn)。因此，試驗(yàn)選用水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層材料作為研究對象。

1 基準(zhǔn)配合比確定

1.1 原材料

集料取自于貴州省關(guān)嶺縣某石場，其主要技術(shù)指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范要求；水泥選用海螺牌42.5#普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范要求；粉煤灰選用貴州省某電廠的Ⅱ級粉煤灰，其成分檢測結(jié)果符合現(xiàn)行規(guī)范。

電解錳渣(electrolytic manganese residue，以下簡稱EMR)取自貴州省銅仁市貴州能礦錳業(yè)，為黑色細(xì)小的泥糊狀粉體廢棄物，平均粒徑小于30μm的顆粒占83.3%。由于在電解錳過程加入硫酸而呈酸性或弱酸性，其浸出液pH為5.9～6.6。主要化學(xué)成分均以SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO為主，約占比56.23%，但MnO和SO3含量較高。

1.2 基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)混合料配合比設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括集料級配設(shè)計(jì)及水泥與粉煤灰之間比例確定。JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中規(guī)定，二級及二級以上公路路面基層或底基層級配碎石或礫石，應(yīng)不少于4種規(guī)格材料摻配。因此，試驗(yàn)選用XG3、G11、G8和G2進(jìn)行級配碎石摻比設(shè)計(jì)，上述4種規(guī)格材料摻配比例分別為36%、19%、26%和19%。按照上述摻配比例進(jìn)行集料級配設(shè)計(jì)，級配范圍符合規(guī)范推薦的CF-B-2S。此外，規(guī)范推薦水泥粉煤灰與被穩(wěn)定材料比例為20∶80～15∶85根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)選定15∶85比例，因此集料用量為85%。各類材料摻配比例見表1。按JTG E51—2014 T0805《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》方法測試，各配合比無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 基準(zhǔn)組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表1 混合料配合比設(shè)計(jì)

1.2.1基準(zhǔn)組擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)按照J(rèn)TG E51—2014規(guī)程中重型擊實(shí)進(jìn)行，錘擊層數(shù)為3層，每層擊實(shí)98次，測定試件最佳含水率和最大干密度。結(jié)果見表2。

表2 基準(zhǔn)組擊實(shí)試驗(yàn)

由表2可得，上述配合比最佳含水率隨水泥量增加而增加。與之相反，最大干密度則隨水泥用量增加而減小。其中，水泥用量為3%～5%時(shí)，含水率增長緩慢；用量為5%時(shí)，含水率顯著上升。

1.2.2基準(zhǔn)組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

按照J(rèn)TG E51—2014中圓柱形試件要求進(jìn)行制件。將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在相應(yīng)齡期測定試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

由圖1可得，隨著水泥用量增加其無側(cè)限強(qiáng)度也隨之增加，規(guī)范中對二級及二級以下公路基層所用的水泥粉煤灰穩(wěn)定材料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求為3.0～4.0MPa。配合比3的7d和28d抗壓強(qiáng)度值分別為8.07、10.29MPa。試驗(yàn)兼顧強(qiáng)度與經(jīng)濟(jì)要求選擇配合比3為基準(zhǔn)配合比。

2 電解錳渣路面基層材料力學(xué)性能試驗(yàn)

電解錳渣制備路面基層材料的力學(xué)性能試驗(yàn)主要包含擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、間接抗拉試驗(yàn)及凍融循環(huán)試驗(yàn)，以上試驗(yàn)均按照J(rèn)TG E51—2014進(jìn)行。

2.1 EMR組擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)按照J(rèn)TG E51—2014規(guī)程中重型擊實(shí)進(jìn)行，錘擊層數(shù)為3層，每層擊實(shí)98次，測定試件最佳含水率和最大干密度。結(jié)果見表3。

表3 電解錳渣組擊實(shí)試驗(yàn)

從表3中可知，路面基層材料的最佳含水率隨電解錳渣摻量的增大而增大，摻量為10%時(shí)相較于0%其最佳含水率增加了0.4%，這是由于電解錳渣吸水率較高，使得最佳含水率不斷提升。與之相反，路面基層材料的最大干密度隨著摻量不斷增加而隨之逐漸減小。

2.2 EMR組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)首先將電解錳渣與粉煤灰和級配碎石充分混合并悶料24h；再按照J(rèn)TG E51—2014中圓柱形制件方法進(jìn)行制件，試件規(guī)格為Φ150mm×150mm，成型脫模后放入封閉的塑料袋中并置于溫度為20℃±1℃、相對濕度為95%±1%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；最后，在相應(yīng)齡期分別測定其7、28、90d抗壓強(qiáng)度值，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖2可得，在同等養(yǎng)護(hù)條件下，7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量增加其強(qiáng)度值隨之降低，但摻量為6%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度測定值出現(xiàn)最小值。隨后抗壓強(qiáng)度值隨著電解錳渣摻量增加而不斷增加。隨著齡期增加，路面基層材料抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長，90d的抗壓強(qiáng)度均為7d抗壓強(qiáng)度的2倍左右。28d和90d的抗壓強(qiáng)度趨勢均隨著摻量的增加其強(qiáng)度隨之降低。

2.3 EMR組劈裂抗拉強(qiáng)度

劈裂抗拉強(qiáng)度是反映路面基層材料的抗拉能力的重要指標(biāo)，對研究路面基層抗開裂具有重要意義。根據(jù)JTG E51—2014中養(yǎng)生時(shí)間要求，試件需養(yǎng)護(hù)90d，并在養(yǎng)生期最后一天將試件浸泡于20℃±2℃的水中。試件頂面應(yīng)低于水面約2.5cm，浸泡24h后從水中取出并擦拭干凈后，將試件橫置于壓條上，以1mm/min的加載速率進(jìn)行加載，記錄其破壞時(shí)最大壓力值從而計(jì)算出試件劈裂抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 間接抗拉強(qiáng)度

圖3結(jié)果表明，在相同養(yǎng)護(hù)條件和周期內(nèi)，隨著電解錳渣摻比的不斷增加其劈裂抗拉強(qiáng)度不斷降低。摻量為2%時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)最大值，其強(qiáng)度發(fā)展趨勢與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大體一致。其中，摻量大于4%后，試件劈裂抗拉強(qiáng)度趨于平緩。

2.4 EMR組凍融循環(huán)試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E51—2014的試驗(yàn)方法及要求，每組配合比制備18個(gè)Φ150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)試件，其中9個(gè)為凍融試件，9個(gè)為不凍融對比試驗(yàn)。將養(yǎng)護(hù)6d浸水1d后的試件取出并擦拭干凈，稱其泡水后質(zhì)量。取凍融組試件置于低溫箱中進(jìn)行試驗(yàn)，低溫箱溫度為-18℃±1℃，凍結(jié)時(shí)間為16h，保證試件周圍20mm孔隙，有利于冷空氣流通。凍結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后，取出試件稱重并測量其高度；然后立即置入20℃±1℃水槽中進(jìn)行融化，融化時(shí)間為8h，槽中水面至少高出試件上表面20mm，融化完畢，取出試件擦干后稱重并量高，以上為一次凍融循環(huán)。規(guī)范要求28d養(yǎng)生臨期，凍融循環(huán)次數(shù)為5次。因此，將上述試驗(yàn)步驟進(jìn)行5次到規(guī)定循環(huán)次數(shù)后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并與未凍融對比試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算得出該組試件抗壓強(qiáng)度損失。試驗(yàn)結(jié)果見表4。路面基層材料試件抗凍系數(shù)與電解錳渣的吸水率及試件孔隙率有關(guān)。

表4 凍融循環(huán)試驗(yàn)

從表5可以明顯得出，隨著電解錳渣摻量的不斷增加其抗凍系數(shù)BDR隨之降低。以摻量4%為分界點(diǎn)，小于該摻量時(shí)BDR值下降速度較快，大于該摻量時(shí)，BDR值下降速度較緩慢。

3 結(jié)論

(1)利用電解錳渣制備路面基層材料各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，可作為道路路面基層使用。

(2)從固體廢棄物最大利用原則和滿足道路施工質(zhì)量要求出發(fā)，本文推薦選用6%摻量的電解錳渣制備路面基層材料。

(3)本文未考慮路面基層材料干縮應(yīng)變和溫度收縮系數(shù)，建議在水泥粉煤灰電解錳渣穩(wěn)定碎石基層材料試驗(yàn)中，增加干縮指標(biāo)和溫縮指標(biāo)。