鎳礦渣對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層性能的影響分析

劉 瑩

(湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和工業(yè)化水平的不斷提高，相關(guān)行業(yè)對(duì)鎳的需求量逐漸增加，鎳礦渣排放量也逐年增多。中國(guó)作為世界上鎳資源消耗最大的國(guó)家，每生產(chǎn)1 t鎳即可產(chǎn)生6～16 t鎳礦渣[1]，而目前鎳礦渣資源化利用水平仍較低，大量鎳礦渣露天堆放或作填埋處理，不但占用了大量土地，且對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。為此，鎳礦渣的有效處置和高效利用問(wèn)題已迫在眉睫。

目前國(guó)內(nèi)鎳礦渣資源的綜合利用主要是作為井下填充材料、建筑裝飾材料等非金屬資源的處理以及有價(jià)金屬的回收再利用[2]，而鎳礦渣在道路工程中應(yīng)用相對(duì)較少，僅有部分文獻(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道，并將其運(yùn)用于路基(地基)、水泥混凝土等[3-8]。但上述研究中由于鎳礦渣來(lái)源、成分的多樣性，相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)及實(shí)體工程運(yùn)用呈現(xiàn)明顯的局限性。本文擬以某廠鎳礦渣為原材料對(duì)其進(jìn)行綜合分析，探究其運(yùn)用于路面基層的可行性，為鎳礦渣的綜合運(yùn)用提供借鑒與參考。

1 原材料

1.1 鎳礦渣

對(duì)鎳礦渣進(jìn)行原材料試驗(yàn)分析，其密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。表1數(shù)據(jù)顯示，就表觀相對(duì)密度而言，鎳礦渣已符合瀝青混合料用細(xì)集料密度要求(表觀相對(duì)密度≥2.5 g/cm3)，且吸水率相對(duì)較小，滿足基層及以下結(jié)構(gòu)層用細(xì)集料基本要求。

表1 鎳礦渣密度試驗(yàn)結(jié)果表

采用干篩法，對(duì)鎳礦渣顆粒級(jí)配進(jìn)行初步分析，結(jié)果如表2所示。鎳礦渣顆粒級(jí)配分析表明，該鎳礦渣屬于Ⅰ區(qū)粗砂。

表2 鎳礦渣顆粒級(jí)配初步分析表

為分析鎳礦渣對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層混合料性能的影響，另取鎳礦渣試樣進(jìn)行水洗法細(xì)集料篩分試驗(yàn)。結(jié)合其級(jí)配通過(guò)率(表3)分析表明，該鎳礦渣符合《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)(以下簡(jiǎn)稱《基層細(xì)則》)中0～5 mm檔細(xì)集料(XG3)規(guī)格要求。同時(shí)可以看到，鎳礦渣0.075 mm通過(guò)率較常規(guī)機(jī)制砂或石屑小(一般為10%左右)，這可能是由于鎳礦渣長(zhǎng)期露天堆放，細(xì)小粉塵顆粒因雨水、風(fēng)力等自然作用沉積所致。

表3 鎳礦渣級(jí)配分析表

1.2 其他原材料

水泥及粗、細(xì)集料檢測(cè)指標(biāo)如表4和表5所示。

表5 粗、細(xì)集料檢測(cè)結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)一覽表

2 配合比設(shè)計(jì)

為研究鎳礦渣對(duì)級(jí)配碎石和水泥穩(wěn)定碎石性能的影響，首先選取合適級(jí)配，然后采用不同摻量鎳礦渣代替0～5 mm規(guī)格細(xì)集料，通過(guò)研究水穩(wěn)混合料性能變化規(guī)律，為鎳礦渣在水穩(wěn)基層中的應(yīng)用提供參考。依據(jù)《基層細(xì)則》中常用C-B-3級(jí)配范圍進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，然后采用三種不同鎳礦渣摻量水平(0、5%、10%)對(duì)細(xì)集料進(jìn)行替換，各混合料設(shè)計(jì)合成級(jí)配如表6所示。

從表6的合成級(jí)配可以看出，替換前后三種合成級(jí)配均符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求，且關(guān)鍵篩孔通過(guò)率差別較小，如0.075 mm通過(guò)率在摻加10%鎳礦渣后，與未摻加相比僅相差0.8%。因此，可認(rèn)為摻入鎳礦渣對(duì)級(jí)配而言影響較小。

表6 水穩(wěn)混合料合成級(jí)配表

3 鎳礦渣對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)影響

擊實(shí)試驗(yàn)作為水泥穩(wěn)定碎石基層混合料施工的重要參數(shù)，對(duì)混合料性能具有重要影響。為研究鎳礦渣對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)的影響，采用上述三種級(jí)配，使用3.5%水泥劑量，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)研究鎳礦渣摻入對(duì)最佳含水率及最大干密度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表7和圖1所示。

表7 不同摻量鎳礦渣對(duì)最佳含水率及最大干密度的影響試驗(yàn)結(jié)果表

圖1 最佳含水率及最大干密度隨鎳礦渣摻量變化曲線圖

分析表7和圖1可知：隨著鎳礦渣加入，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)明顯線性規(guī)律，最佳含水率逐漸減小，最大干密度逐漸增大。這可能是由于：(1)相較于0～5 mm規(guī)格細(xì)集料，鎳礦渣級(jí)配相對(duì)偏粗，且0.075 mm通過(guò)率較小，導(dǎo)致混合料整體飽水性能降低，故最佳含水率逐漸降低；(2)相關(guān)研究表明，大部分礦渣均具有一定活性，一定條件下可作為結(jié)合料使用[9]，而結(jié)合料含量增加，在一定程度上會(huì)導(dǎo)致最大干密度增大。

4 鎳礦渣對(duì)強(qiáng)度影響

4.1 延遲時(shí)間對(duì)強(qiáng)度影響

水泥加水拌和后，起初形成具有一定流動(dòng)性和塑性的漿體，然后很快變稠失去可塑性，但尚不具有機(jī)械強(qiáng)度，這個(gè)過(guò)程稱為水泥的凝結(jié)。凝結(jié)是水泥漿體從可塑性變成非可塑性，并形成極低強(qiáng)度的過(guò)程。在此時(shí)進(jìn)行碾壓，混合料的強(qiáng)度及穩(wěn)定性主要取決于礦料級(jí)配的嵌劑作用，隨后混合料產(chǎn)生明顯的強(qiáng)度并逐漸發(fā)展成堅(jiān)硬的石狀水泥石，這一過(guò)程稱為水泥的硬化。硬化是漿體強(qiáng)度逐漸提高并抵抗外來(lái)作用力的過(guò)程。

就室內(nèi)試驗(yàn)而言，延遲時(shí)間是指水穩(wěn)混合料從加水拌和到室內(nèi)擊實(shí)或振動(dòng)壓實(shí)成型所用的全部時(shí)間；而實(shí)際生產(chǎn)中，延遲時(shí)間是指水穩(wěn)混合料從加水拌和起至混合料碾壓結(jié)束所經(jīng)歷的全部時(shí)間。延遲時(shí)間對(duì)混合料強(qiáng)度和密度具有較大影響，一般延遲時(shí)間越長(zhǎng)，混合料的強(qiáng)度和密度損失越大[10]。當(dāng)延遲時(shí)間超過(guò)一定范圍后，下層混合料的強(qiáng)度和密度將無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。因此，通過(guò)在不同延遲時(shí)間下進(jìn)行混合料性能試驗(yàn)，確定合適的容許延遲時(shí)間，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。雖然《基層細(xì)則》明確要求水穩(wěn)基層生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)必須進(jìn)行水泥穩(wěn)定材料容許延遲時(shí)間的確定，但具體采用何種試驗(yàn)方式和控制指標(biāo)并未有明確要求。

本節(jié)旨在研究不同鎳礦渣摻量水平下，延遲時(shí)間對(duì)混合料強(qiáng)度的影響，為后期鎳礦渣水穩(wěn)基層實(shí)體生產(chǎn)提供借鑒。選取上述三種合成級(jí)配成型水穩(wěn)試件，每組13個(gè)試件，計(jì)算其強(qiáng)度最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)以及強(qiáng)度代表值等參數(shù)。不摻鎳礦渣級(jí)配的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表8和圖2所示。

表8 不摻鎳礦渣混合料在不同延遲時(shí)間下的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值隨延遲時(shí)間變化曲線圖

由無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值變化趨勢(shì)可知：

(1)總體而言，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著延遲時(shí)間的增加呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。這是由于水泥自加水拌和開(kāi)始即逐步進(jìn)行水化反應(yīng)，隨著延遲時(shí)間增大，水化逐漸充分，待結(jié)合料進(jìn)行一定水化反應(yīng)后再次擊實(shí)成型必然導(dǎo)致水化凝結(jié)產(chǎn)物重新組合，破壞原有整體性，導(dǎo)致無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低。在延遲時(shí)間為6 h時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值略有增大，主要是由于此時(shí)變異系數(shù)相對(duì)較小，而試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值仍在下降，因此總體而言，可認(rèn)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨延遲時(shí)間增加而下降。

(2)延遲時(shí)間達(dá)到4 h后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化較為緩慢，表明水穩(wěn)集料整體性發(fā)揮主要作用，而水泥水化反應(yīng)已達(dá)到一定程度，在此時(shí)間之后成型或施工將不能完全發(fā)揮水泥作為結(jié)合料的凝結(jié)效率。

(3)關(guān)于容許延遲時(shí)間確定方法，目前沒(méi)有明確規(guī)定。有研究者認(rèn)為可以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值進(jìn)行確定，但該方式存在一定弊端。如當(dāng)水泥劑量較大導(dǎo)致無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高時(shí)，即使該強(qiáng)度隨著延遲時(shí)間逐漸減小，但其仍能滿足最小強(qiáng)度要求，而此時(shí)水泥已進(jìn)行了較為充分的水化反應(yīng)。容許延遲時(shí)間應(yīng)結(jié)合水泥水化反應(yīng)過(guò)程及要求對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值進(jìn)行綜合確定，即取強(qiáng)度變化曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間與要求最小強(qiáng)度對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間較大者為容許延遲時(shí)間。結(jié)合圖2綜合分析可知，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線變化拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間為4 h，若以《基層細(xì)則》要求高速公路及一級(jí)公路重交通基層強(qiáng)度為4.0～6.0 MPa下限值控制，容許延遲時(shí)間>6 h，則可綜合判定容許延遲時(shí)間為4 h。

(4)對(duì)不同延遲時(shí)間下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)可知，該系數(shù)呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。變異系數(shù)的下降，表明隨著延遲時(shí)間增加，水泥水化產(chǎn)物逐漸增多，在混合料中分布量及分布均勻性增強(qiáng)。但另一方面也表明，混合料成型均勻性仍有提高空間，這也是振動(dòng)壓實(shí)成型試件變異系數(shù)較重型擊實(shí)成型變異系數(shù)小的原因?；诖耍蛯?shí)際生產(chǎn)而言，建議優(yōu)先采用雙攪拌缸或振動(dòng)攪拌工藝，并優(yōu)先采用此工藝生產(chǎn)混合料進(jìn)行生產(chǎn)配合比驗(yàn)證工作。

圖3 變異系數(shù)代表值隨延遲時(shí)間變化曲線圖

4.2 鎳礦渣摻量對(duì)強(qiáng)度影響

為研究鎳礦渣摻入對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度影響，對(duì)不同鎳礦渣摻量混合料在不同延遲時(shí)間下的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表9和圖4。

表9 鎳礦渣摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值影響試驗(yàn)結(jié)果表

圖4 不同鎳礦渣摻量下的水穩(wěn)混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨延遲時(shí)間變化曲線圖

分析表9和圖4可知：

(1)總體而言，隨著水化作用逐漸進(jìn)行，不同鎳礦渣摻量下，隨著延遲時(shí)間增加，混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與前述分析結(jié)論一致。

(2)總體而言，鎳礦渣加入后混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且摻量越高強(qiáng)度越大。表明鎳礦渣的活性成分增強(qiáng)了混合料中結(jié)合料的含量，即鎳礦渣的摻入對(duì)水穩(wěn)基層強(qiáng)度具有有利影響。

(3)根據(jù)以上容許延遲時(shí)間確定方法可知，5%、10%鎳礦渣摻量混合料容許延遲時(shí)間均>6 h，表明隨著鎳礦渣摻入，可以有效提高混合料容許延遲時(shí)間，對(duì)實(shí)際施工過(guò)程具有較好影響。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)鎳礦渣級(jí)配符合《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)中0～5 mm規(guī)格集料要求，但由于鎳礦渣長(zhǎng)期露天堆放，細(xì)小粉塵顆粒因雨水、風(fēng)力等自然作用出現(xiàn)沉積，導(dǎo)致鎳礦渣0.075 mm通過(guò)率遠(yuǎn)小于常規(guī)石屑及機(jī)制砂。

(2)隨著鎳礦渣加入，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)明顯線性規(guī)律，最佳含水率逐漸減小，最大干密度逐漸增大。鎳礦渣的活性成分增加了混合料中結(jié)合料的含量，對(duì)水穩(wěn)基層強(qiáng)度具有有利影響。

(3)容許延遲時(shí)間應(yīng)結(jié)合水泥水化反應(yīng)過(guò)程及要求無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值進(jìn)行綜合確定，即取強(qiáng)度變化曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間與要求最小強(qiáng)度對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間較大者為容許延遲時(shí)間。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，建議優(yōu)先采用雙攪拌缸或振動(dòng)攪拌工藝，并優(yōu)先采用此工藝生產(chǎn)混合料進(jìn)行生產(chǎn)配合比驗(yàn)證工作。