水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣力學(xué)性能及應(yīng)用研究

胡富平，申鐵軍，高鵬，郭海燕，段濤

（1.山西路橋建設(shè)集團有限公司，山西 太原 030000；2.山西路橋集團晉南項目管理有限公司，山西 太原 030000；3.長治市武理工工程技術(shù)研究院，山西 長治 046000）

0 前言

煤氣化?；癄t渣（以下簡稱?；癄t渣）是煤在煤氣化爐中反應(yīng)后灰分和助熔劑熔融液化經(jīng)水淬激冷后形成的玻璃態(tài)?；癄t渣[1]。有研究表明，高硅鋁、高含碳量?；癄t渣可經(jīng)粉磨后用于制備墻材[2]，低含碳量?；癄t渣可直接作細(xì)集料用于混凝土和道路材料中[3]。山西潞安“180項目”年排?；癄t渣200萬t，填埋堆存處治成本高，該?；癄t渣含碳量低、粒型良好，若能將其作為集料直接用于制備路面基層，勢必可實現(xiàn)?；癄t渣的規(guī)模化再利用，但是由于?；癄t渣具有表面光滑、壓碎值高的特性，用于配制水泥穩(wěn)定類基層會導(dǎo)致混合料出現(xiàn)粘結(jié)性差、強度低等問題，因而其摻量不宜超過25%[4]。陳瀟等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在基層材料中加入粉煤灰可顯著提高集料與結(jié)合料的膠結(jié)強度；且可起到緩解壓力、防止高壓碎值集料受壓破碎的作用[6]。

基于此，本文在以玻化爐渣為單一集料（100%替代砂石集料）配制的水泥穩(wěn)定?；癄t渣基礎(chǔ)上摻入粉煤灰進行性能改性，研究了水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣的力學(xué)性能，提出了玻化爐渣路面基層材料的優(yōu)化配比，通過SEM分析了水泥（粉煤灰）穩(wěn)定?；癄t渣的界面形貌，并通過工程應(yīng)用論證了?；癄t渣在公路路面基層中應(yīng)用的可行性。

1 試驗

1.1 原材料

?；癄t渣：取自山西潞安“180萬t/年高硫煤清潔利用油熱一體化示范項目”，主要化學(xué)成分見表1，礦物組成見圖1。?；癄t渣呈砂狀，粒徑小于5 mm、粒型圓整且具有連續(xù)級配（見圖2），測試了玻化爐渣的細(xì)度模數(shù)、壓碎值、表觀密度等，并與石灰石機制砂進行對比，結(jié)果見表2。水泥：山西卓越水泥有限公司，32.5級礦渣硅酸鹽水泥；粉煤灰：山西長治屯留熱電公司，燒失量19%，7 d、28 d活性指數(shù)分別為76%、84%。

表1 ?；癄t渣的主要化學(xué)成分 %

圖1 玻化爐渣的XRD圖譜

圖2 ?；癄t渣的形貌

表2 玻化爐渣集料與石灰石機制砂的物理性能

由表1、圖1可見，?；癄t渣礦物成分以硅鋁鈣質(zhì)無定型玻璃相為主，還含有石英、莫來石、方解石、硅線石等晶相，燒失量較低，僅為2.19%。由表2可見，玻化爐渣的性能符合JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中路面基層細(xì)集料的要求，但與石灰石機制砂相比，具有壓碎值高、吸水率低的特點，這與玻化爐渣成分以玻璃相為主、表面光滑致密的特性一致。

1.2 混合料配比

以水泥為結(jié)合料，玻化爐渣為集料，配制了水泥用量分別為4%（C4）、5%（C5）、6%（C6）、7%（C7）、8%（C8）的水泥穩(wěn)定?；癄t渣，并與6%水泥穩(wěn)定機制砂（C6S）進行對比；在C4基礎(chǔ)上，分別摻入8%（C4F8）、11%（C4F11）、14%（C4F14）粉煤灰，然后在C4F11基礎(chǔ)上增加水泥用量為5%~8%（C5F11~C8F11），配制了系列水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣混合料，配合比設(shè)計及擊實試驗結(jié)果如表3所示。

表3 混合料配合比及擊實試驗結(jié)果

1.3 試驗方法

按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行重型擊實試驗，在擊實最佳含水率下，以最大干密度的97%（即壓實度97%）成型φ100 mm×100 mm試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護（20℃、相對濕度95%）至不同齡期進行無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量測試，測試結(jié)果均取95%保證率下的代表值；取典型配比90 d齡期試件用切片機切割成薄片，并選取試樣中心部位的小碎塊用無水乙醇終止水化，干燥至恒重，選擇含有?；癄t渣集料-（粉煤灰）-水泥界面過渡區(qū)的平整斷面，采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行?；癄t渣集料-水泥石界面區(qū)微觀形貌觀察。

2 試驗結(jié)果與分析

測試了表3中不同配比混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度和28 d劈裂強度，以及6%水泥用量下水泥穩(wěn)定?；癄t渣（C6）、水泥穩(wěn)定機制砂（C6S）、水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣（C6F11）的28 d、90 d、180 d無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度及抗壓回彈模量，結(jié)果分別見表4、表5。

表4 混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度及28 d劈裂強度

表5 長期力學(xué)性能試驗結(jié)果

2.1 擊實特性分析

對比表3中C6、C6S的擊實試驗結(jié)果可見，由于?；癄t渣較石灰石機制砂吸水率、密度低，故水泥穩(wěn)定?；癄t渣混合料的最佳含水率及最大干密度均較低；而對比C4、C4F8、C4F11、C4F14可見，隨粉煤灰用量的增加，混合料的最佳含水率逐漸提高、最大干密度逐漸降低，這是粉煤灰比表面積大、需水量大、密度低所致。

2.2 7 d無側(cè)限抗壓強度分析

2.2.1 不同骨料的影響

對比表4中C6和C6S可知，相同水泥用量下，C6的7 d無側(cè)限抗壓強度只有1.7 MPa，較C6S降低了69.6%，這表明?；癄t渣較機制砂硬度低易壓碎、表面光滑粘結(jié)性差，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定?；癄t渣的7 d無側(cè)限抗壓強度較低。

2.2.2 粉煤灰用量的影響

對比表4中C4、C4F8、C4F11和C4F14可知，水泥穩(wěn)定玻化爐渣的抗壓強度較低，摻入粉煤灰強度明顯提高。C4的7 d無側(cè)限抗壓強度僅為1.1 MPa，而摻8%、11%、14%粉煤灰的C4F8、C4F11和C4F14抗壓強度較C4分別提高了200%、218%、173%，粉煤灰用量為11%時最優(yōu)，C4F11組的7 d無側(cè)限抗壓抗壓強度為3.5 MPa。

2.2.3 水泥用量的影響

對比表4中C4~C8、C4F11~C8F11可知，增加水泥用量，水泥穩(wěn)定?；癄t渣的7 d無側(cè)限抗壓強度提高不明顯，而水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣的強度明顯提高。水泥用量由4%增至8%，C8較C4僅提高了1.6 MPa，只有2.7 MPa，而C8F11較C4F11提高2.9 MPa，達到6.4 MPa?？紤]到水泥用量過高易引起收縮開裂，水泥穩(wěn)定類材料的水泥用量一般不超過6%，因此選擇C6F11為最優(yōu)配比，其7 d無側(cè)限抗壓強度為5.4 MPa，符合JTG/T F20—2015中各等級公路路面基層材料強度的要求。

2.3 28 d劈裂強度分析

2.3.1 不同骨料的影響

對比表4中C6和C6S可知，相同水泥用量下，C6的28 d劈裂強度只有0.26 MPa，較C6S降低了36.6%，這是由于?；癄t渣較機制砂表面光滑，粘結(jié)性差，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定?；癄t渣劈裂強度的降低。

2.3.2 粉煤灰用量的影響

對比表4中C4、C4F8、C4F11、C4F14可知，水泥穩(wěn)定?；癄t渣28 d劈裂強度較低，摻入粉煤灰強度明顯提高。C4的28 d劈裂強度僅為0.2 MPa，而摻入8%、11%、14%粉煤灰后，28 d劈裂強度較C4分別提高了55%、95%、85%。粉煤灰用量為11%時最優(yōu)，C4F11的28 d劈裂強度為0.39 MPa。

2.3.3 水泥用量的影響

對比表4中C4~C8、C4F11~C8F11可知，增加水泥用量，水泥穩(wěn)定玻化爐渣和水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣28 d劈裂強度提高均不明顯。水泥用量由4%增至8%，C8較C4僅提高了0.08 MPa，只有0.28 MPa；C8F11較C4F11提高了0.06 MPa，為0.45 MPa。最優(yōu)配比C6F11的28 d劈裂強度為0.41 MPa。

2.4 長期強度及抗壓回彈模量分析

2.4.1 無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度

對比表4和表5中C6、C6S及C6F11的早期和長期強度可以看出，相同水泥用量下，C6各齡期無側(cè)限抗壓強度均大幅低于C6S，且強度隨齡期延長變化不大，180 d無側(cè)限抗壓強度較7 d無側(cè)限抗壓強度僅提高了0.5 MPa；而C6F11的28 d無側(cè)限抗壓強度較C6S僅低0.3 MPa，90 d、180 d無側(cè)限抗壓強度較7 d強度提高了41%、52%，略微超過了C6S。這表明?；癄t渣較機制砂硬度低易壓碎、表面光滑、粘結(jié)性差是水泥穩(wěn)定玻化爐渣強度低且不隨齡期延長而提高的主要原因，粉煤灰的添加一方面包裹玻化爐渣集料形成緩沖層，降低了?；癄t渣成型時的受壓破碎，且較多的結(jié)合料有利于改善光滑集料粘結(jié)性，從而提高混合料密實度和整體性，使其具有較高的早期強度；另一方面，粉煤灰具有早期活性低、后期活性增長幅度大的特點，這又保證了混合料的后期強度。

3種基層材料不同齡期劈裂強度的變化規(guī)律基本與抗壓強度一致，90 d、180 d時C6F11的劈裂強度最高。不同的是，C6和C6F11的后期劈裂強度增幅較大，C6的90 d、180 d劈裂強度較7 d分別提高125%、175%，C6F11的90 d、180 d劈裂強度較7 d增長225%、315%，均遠(yuǎn)超過抗壓強度的增長幅度，這可能是因為在低強度水穩(wěn)材料中，劈裂試驗時斷裂位置主要為集料與膠凝材料界面處，因此劈裂強度受集料硬度影響較小，受集料和結(jié)合料的膠結(jié)強度影響較大，?；癄t渣與粉煤灰類似，均含有硅鋁質(zhì)無定形玻璃體，在養(yǎng)護后期水泥的激發(fā)下可水化形成膠凝物質(zhì)，提高水泥石與集料界面區(qū)的強度，從而促進了水泥穩(wěn)定?；癄t渣和水泥粉煤灰穩(wěn)定玻化爐渣后期劈裂強度的大幅增長。C6F11的90 d劈裂強度可達0.65 MPa，滿足相關(guān)規(guī)范中各等級公路水泥穩(wěn)定類路面基層材料的強度要求[7]。

2.4.2 抗壓回彈模量

3種基層材料的180 d抗壓回彈模量與抗壓強度、劈裂強度的變化相同，均呈C6F11＞C6S＞C6的規(guī)律，不同的是C6F11的28 d回彈模量也高于C6S，這可能是因為C6F11的結(jié)合料含量高、混合料密實度大，且選用的粉煤灰28 d活性較高，因而在早期便具有較高的抵抗變形能力。C6F11的90 d抗壓回彈模量可達1537 MPa，與常用的水泥穩(wěn)定碎石基本一致，可用于各等級公路基層、底基層。

2.5 水泥（粉煤灰）穩(wěn)定玻化爐渣界面微觀分析

C6和C6F11試件中?；癄t渣集料-水泥石界面區(qū)微觀形貌如圖3所示。

圖3 C6和C6F11試件中?；癄t渣集料-水泥石界面區(qū)的微觀形貌

由圖3（a）可見，水泥與?；癄t渣集料界面存在明顯的間隙，致密性差；而由圖3（b）可見，水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣在90 d時粉煤灰已經(jīng)充分激發(fā)，產(chǎn)生大量絮狀C-S-H凝膠，對?；癄t渣形成包裹粘結(jié)作用，使得?；癄t渣與水泥粉煤灰水化產(chǎn)物能夠充分接觸，其玻璃相得以在堿性環(huán)境下溶出活性硅鋁，體現(xiàn)在玻化爐渣表面腐蝕與C-S-H等膠結(jié)在一起，這表明水泥穩(wěn)定?；癄t渣摻入粉煤灰后早期強度、剛度提升，主要是因為早期結(jié)合料摻量大、與玻化爐渣集料粘結(jié)緊密。而后期強度和剛度增幅更大，是因為后期粉煤灰與玻化爐渣活性被充分激發(fā)，反應(yīng)后膠結(jié)形成了致密的整體[8]。

2.6 水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣的路用性能

為研究水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣的路用性能，于2019年8月在山西省長治市鋪筑640 m水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣基層試驗段，選C6F11配比，按照現(xiàn)行水泥穩(wěn)定碎石攤鋪碾壓工藝進行施工，施工現(xiàn)場及120 d鉆芯取樣分別如圖4、圖5所示。

圖4 施工現(xiàn)場

圖5 120 d鉆芯取樣

工程應(yīng)用表明：采用現(xiàn)行水泥穩(wěn)定碎石施工工藝鋪筑的水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣基層壓實度、平整度良好，基層7 d芯樣完整，120 d鉆芯強度可達10.7 MPa，且基層與混凝土面層粘結(jié)性良好。試驗路跟蹤檢測發(fā)現(xiàn)，水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣的路用性能良好，服役1年未出現(xiàn)開裂等破壞。

3 結(jié) 論

（1）玻化爐渣呈砂狀，與石灰石機制砂相比具有表面光滑、壓碎值高、吸水率低的特性，所配制的水泥穩(wěn)定?；癄t渣最佳含水率、最大干密度較低。

（2）由于?；癄t渣硬度低，粘結(jié)性差，水泥穩(wěn)定?；癄t渣的各齡期抗壓強度、劈裂強度與抗壓回彈模量均低于水泥穩(wěn)定機制砂；摻加粉煤灰可有效改善混合料粘結(jié)性差、?；癄t渣受壓易破碎問題，提高混合料的早期強度，粉煤灰的適宜用量為11%。

（3）水泥粉煤灰穩(wěn)定?；癄t渣的90 d、180 d力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于水泥穩(wěn)定爐渣，主要是因為?；癄t渣在堿性環(huán)境下可溶出活性物質(zhì)，與結(jié)合料形成致密界面層。

（4）水泥粉煤灰穩(wěn)定玻化爐渣在水泥用量6%、粉煤灰用量11%時力學(xué)性能均符合JTG/T F20—2015和JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中各等級公路路面基層、底基層的相關(guān)要求，所鋪筑的試驗路力學(xué)性能及路用性能良好。