膠石比對AAM穩(wěn)定碎石強度和收縮性能的影響

于濱，陳德勇，李沛青，李帥君，李一林，賈致榮

(1. 山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049；2. 山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；3. 山東九強集團有限公司，山東 淄博 255000)

堿激發(fā)材料(alkali-activated material, AAM)是近年被研究用于取代水泥的一種綠色膠凝材料。AAM主要由含鋁硅酸鹽煅燒天然礦物或工業(yè)廢渣和堿性激發(fā)劑組成,與傳統硅酸鹽水泥相比,AAM具有凝結硬化快、能耗低、強度高、二氧化碳排放量低和耐高溫等特點[1-3]。

膠凝材料摻量是決定穩(wěn)定材料性能主要因素之一,已有大量研究報道膠凝材料摻量對穩(wěn)定材料性能的影響。研究表明,隨著水泥摻量的增加,水泥穩(wěn)定碎石強度增加,但裂縫數量也隨之增加[4-8]。Luo等[9]、Zhou等[10]研究了AAM摻量對AAM穩(wěn)定土強度的影響,研究結果表明適宜AAM摻量的AAM穩(wěn)定土的強度優(yōu)于水泥穩(wěn)定土。Huang等[11]研究了氟石膏基膠凝材料摻量對氟石膏基膠凝材料穩(wěn)定污泥強度的影響,結果表明當氟石膏基膠凝材料摻量為19%時,穩(wěn)定材料的14 d強度可達到4.7 MPa。Huang等[12]研究了AAM對鉻鐵礦廢渣的穩(wěn)定效果及最佳AAM摻量,研究結果表明最佳AAM摻量下的AAM穩(wěn)定鉻鐵礦廢渣性能優(yōu)于水泥鉻鐵礦廢渣。張立力等[13]研究了膠凝材料摻量對鹽漬土的穩(wěn)定效果,研究結果表明隨膠凝材料摻量的增加,穩(wěn)定材料的強度隨之增加,且高鎂鎳渣-磷石膏基膠凝材料穩(wěn)定鹽漬土的性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定土。

上述研究表明膠凝材料用量是影響穩(wěn)定材料性能的重要因素,且由于AAM的優(yōu)越性能,AAM已逐漸被應用于穩(wěn)定土、穩(wěn)定廢渣中,但在穩(wěn)定碎石中的應用較少,膠石比對AAM穩(wěn)定碎石強度和收縮性能的影響尚未明確。本文通過利用鈦石膏、赤泥、礦渣和級配碎石制備AAM穩(wěn)定碎石,測定其在不同膠石比下的無側限抗壓強度、劈裂強度、軟化系數和干縮系數,并進行SEM和XRD測試分析AAM的水化產物,為利用鈦石膏等固廢制備AAM并用于道路工程奠定基礎。

1 原材料

1.1 鈦石膏

取自山東金虹鈦白化工有限公司的堆場,呈紅黃色,含水量(質量分數)約為20%,pH值接近中性,化學組見表1。

1.2 礦渣

取自河北靈壽縣,主要成分為硅鋁酸鹽,化學組成見表2。

1.3 赤泥

取自山東鋁業(yè)公司,呈紅色,含水量約為20%,化學組成見表3。

表1 鈦石膏的化學組成 單位:%

表2 礦渣的化學組成 單位:%

表3 赤泥的化學組成 單位:%

1.4 硅酸鈉

購買自山東淄博華通化學試劑有限公司,Na2SiO3·9H2O,分析純,白色塊狀。

1.5 碎石

取自山東淄博鼎泰新材料科技有限公司,最大粒徑為26.5 mm,級配采用《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)推薦的級配C-C-3的中值。

2 試驗方法

2.1 擊實試驗

AAM穩(wěn)定碎石的擊實試驗采用丙法擊實,擊實試驗的操作流程按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)T0804—1994執(zhí)行。

2.2 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度試驗流程按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)T0805—1994執(zhí)行。

2.3 劈裂強度

劈裂強度試驗流程按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)T0806—1994執(zhí)行。

2.4 軟化系數

鈦石膏是AAM的主要成分之一,其含水量高,吸水易變軟,水穩(wěn)定性較差,且在AAM穩(wěn)定碎石材料中,AAM大摻量加入,因此有必要對材料的水穩(wěn)定進行測試。軟化系數計算公式為

(1)

式中:K為軟化系數;f為浸水養(yǎng)護的無側限抗壓強度,MPa;F為標準養(yǎng)護的無側限抗壓強度,MPa。

2.5 干縮性能

干縮試驗操作流程按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)T0854—2009執(zhí)行。

3 結果與討論

3.1 擊實試驗

通過擊實試驗得到的各膠石比下AAM穩(wěn)定碎石和水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度和最佳含水率見表4。

表4 不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的最大干密度和最佳含水率

3.2 無側限抗壓強度

AAM穩(wěn)定碎石經標準養(yǎng)護和浸水養(yǎng)護7 d和28 d后在不同膠石比下的無側限抗壓強度強度如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出,在標準養(yǎng)護條件下,膠石比為5∶95的AAM穩(wěn)定碎石試件的無側限抗壓強度為3.5 MPa,明顯低于其他膠石比制備的試件,其僅滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)對二級及二級以下等級公路的重交通水泥穩(wěn)定碎石基層3～5 MPa的強度下限要求,這是由于AAM含量較少而級配碎石較多,此時試件的強度主要依靠碎石之間嵌擠形成的骨架來提供,AAM的數量不足以填充骨架間的空隙,導致試件總體強度較低;當膠石比增加到10∶90時,AAM穩(wěn)定碎石的強度達到了二級及二級公路以下極重、特重交通的下限,但未能超過上限;當膠石比增加到15∶85時,AAM穩(wěn)定碎石的強度超過了水泥穩(wěn)定材料路面基層的7 d強度標準,且隨著膠石比的進一步增大,后續(xù)膠石比的AAM穩(wěn)定碎石強度均超過了基層水泥穩(wěn)定材料的7 d強度標準,這是由于隨著膠石比的增大,AAM的含量逐漸增多,AAM充分填充在碎石形成的骨架空隙中形成骨架密實結構,因此AAM穩(wěn)定碎石的早期強度較高。

圖1 不同膠石比的AAM穩(wěn)定碎石養(yǎng)護7 d無側限抗壓強度

圖2 不同膠石比的AAM穩(wěn)定碎石養(yǎng)護28 d無側限抗壓強度

從圖2可以看出,標準養(yǎng)護28 d后,膠石比為25∶75的AAM穩(wěn)定碎石試件的無側限抗壓強度可以達到22.1 MPa,明顯高于其他組試件,可能是由于膠凝材料含量較多且聚合反應充分進行,生成了更多且強度更高的凝膠產物,將試件內部孔隙填滿,使試樣內部結構聯結更緊密,有利于提高試件的后期強度。結合圖1和圖2可以看出,養(yǎng)護28 d后的試件強度明顯高于養(yǎng)護7 d的試件強度,各膠石比下標準養(yǎng)護28 d的試件較之養(yǎng)護7 d的強度分別增加了208.57%、134.48%、103.61%、94.29%和81.15%,這是由于隨著養(yǎng)護齡期的增加,試件內部的硅鋁離子充分進行聚合反應,生成了更多的凝膠產物,充分填充了骨架間的空隙,使試件結構的聯結更緊密,有利于強度的提高。從圖1和圖2還可以看出浸水養(yǎng)護后的強度在總體上低于標準養(yǎng)護的強度,各膠石比下浸水養(yǎng)護28 d的試件較之養(yǎng)護7 d的強度分別增加了240%、155.1%、117.72%、100%和73.27%。從圖2還可以看出,隨著膠石比的增加,AAM穩(wěn)定碎石的無側限抗壓強度也隨之增加,這是由于隨著膠凝材料含量的增加,在堿性環(huán)境中能更快的分解出硅鋁離子,能生成更多的水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石等產物[14-16],且生成凝膠的速度更快,充分填充試件內部,能明顯提高試件的強度。

3.3 劈裂強度

不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的劈裂強度如圖3所示。從圖3可以看出,AAM穩(wěn)定碎石的劈裂強度隨膠石比的增加而不斷上升,7 d劈裂強度在膠石比為25∶75時達到0.79 MPa,同時劈裂強度也隨著齡期的增加而不斷增加,各膠石比下的劈裂強度分別增加了25%、30.19%、31.25%、29.58%和27.85%。

圖3 不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的劈裂強度

3.4 水穩(wěn)定性

AAM穩(wěn)定碎石在不同膠石比下的7 d和28 d軟化系數如圖4所示。

圖4 不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的軟化系數

由圖4可以看出,養(yǎng)護7 d的AAM穩(wěn)定碎石的軟化系數隨膠石比的增加呈先增加后減小的趨勢,軟化系數在膠石比為15∶85時出現峰值。養(yǎng)護7 d的試件隨著AAM含量的增加,AAM充分填充試件內部空隙,使試件內部結構緊密,試件的水穩(wěn)定性顯著增加,故軟化系數呈先上升的趨勢,但當AAM含量超過15%時,鈦石膏的摻量超過界限,開始對試件的水穩(wěn)定性產生不良效應,故試件的水穩(wěn)定性開始逐漸下降,軟化系數后呈下降的趨勢。除了膠石比在15∶85至20∶80之間的AAM穩(wěn)定碎石的軟化系數大于0.85外,其他膠石比試件的軟化系數均小于0.85,說明AAM穩(wěn)定碎石在膠石比為15∶85至20∶80之間的水穩(wěn)定性較好。

從圖4還可以看出,養(yǎng)護28 d試件的軟化系數也隨著膠石比的增大呈先增大后減小的趨勢,峰值同樣出現在膠石比為15∶85處,與7 d水穩(wěn)定性的結果相同,說明該膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的水穩(wěn)定性最優(yōu)。除膠石比為5∶95和25∶75試件為0.79略低于要求的0.85外,其他各組試件的軟化系數均大于0.85,說明養(yǎng)護28 d后試件的水穩(wěn)定性整體較好。與養(yǎng)護7 d試件的軟化系數相比,養(yǎng)護28 d試件的軟化系數大部分有所提高,因此28 d的耐水性能較好,這是由于隨著養(yǎng)護齡期的增加且試件持續(xù)吸水,試件內部水化反應更充分的進行,水化產物使結構內部空隙被填滿,各組分之間聯結更加緊密,耐水性能有所提高。

3.5 干縮性能

圖5為不同膠石比的AAM穩(wěn)定碎石在不同時間下的失水率。從圖5可以看出,各個膠石比的AAM穩(wěn)定碎石的失水率變化趨勢基本一致,都是隨著時間的增加,失水率總體呈上升趨勢,且在前期增長較快,后期增長緩慢,這是由于前期試件內部含水率高,但AAM水化反應程度低且受外部環(huán)境影響使得試件內部水分散失的較快。從圖5還可以看出,隨著膠石比的增加,AAM穩(wěn)定碎石的失水率也隨之下降,膠石比為5∶95試件的失水率明顯高于其他膠石比試件的,這是因為膠石比為5∶95試件的碎石含量較多而AAM含量較少,碎石嵌擠間的孔隙較多,AAM含量不足以填充孔隙,使得孔隙內部自由水容易流失,因此失水率較大。隨著膠石比的增加,試件內部的孔隙變少,自由水不易流失,故失水率隨之下降。

圖5 不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石在不同時間下的失水率

圖6為不同膠石比的AAM穩(wěn)定碎石在不同時間下的干縮系數。從圖6可以看出,隨著膠石比的增加,AAM穩(wěn)定碎石的干縮系數也隨之增加,這是因為在AAM摻量較少時,材料的強度可以對干縮變形起到一定限制作用,故干縮系數較小,但隨著AAM含量的增加,AAM穩(wěn)定碎石的強度和干縮變形也隨之增加,此時收縮作用大于強度對變形的限制作用,故干縮系數隨之變高。從圖6還可以看出,各個膠石比的AAM穩(wěn)定碎石的干縮系數變化趨勢基本相同,都是在前期干縮系數增長較快。后期基本持平甚至有所下降,這是因為早期試件內自由水容易流失且早期試件內部水化反應還在初期,水化產物生成較少對試件內部產生變形的約束效果較弱導致前期干縮系數增長較快。隨著水化反應的進行,膠凝體系不斷生成鈣礬石等水化產物,鈣礬石具有膨脹作用,對試件內部的變形起到較強的限制作用[15-16],且試件內自由水基本散失完導致干縮系數的增長基本平緩甚至下降。

圖6 不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石在不同時間下的干縮系數

通過各膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的無側限抗壓強度和劈裂強度試驗結果可以確定,AAM穩(wěn)定碎石的膠石比越大,強度越優(yōu)。通過水穩(wěn)定性試驗結果可以確定,AAM穩(wěn)定碎石的膠石比應在15∶85～20∶80范圍之間。通過干縮性能試驗結果發(fā)現,膠石比為20∶80的試件的干縮系數大于膠石比15∶85的。綜合無側限抗壓強度、劈裂強度、水穩(wěn)定性、干縮性能等試驗結果確定,本試驗中AAM穩(wěn)定碎石的最優(yōu)膠石比為15∶85。

3.6 AAM穩(wěn)定碎石強度機理分析

3.6.1 XRD分析

利用X射線照射對AAM發(fā)生水化的水化產物進行分析,AAM在7 d和28 d齡期下的XRD圖如圖7所示。

圖7 AAM在不同養(yǎng)護齡期下的XRD圖

從圖7可以看出,AAM在7 d和28 d下的衍射峰圖譜的整體走向趨勢一致,說明AAM在養(yǎng)護期間的水化產物基本相同,經分析AAM的水化產物主要是CaSO4·2H2O、鈣礬石和C-S-H。對比7 d和28 d的圖譜來看可以發(fā)現,養(yǎng)護7 d試件的CaSO4·2H2O的峰強度明顯比28 d的高,這是因為養(yǎng)護7 d時,只有部分鈦石膏參與水化反應,但隨著養(yǎng)護齡期的增加,鈦石膏持續(xù)進行水化反應而被消耗,所以養(yǎng)護28 d的鈦石膏的峰強相對較低。7 d圖譜中已經存在鈣礬石和C-S-H的衍射峰,但鈣礬石峰強相對較高,說明早期主要依靠鈣礬石提供早期強度,28 d圖譜中的鈣礬石和C-S-H的峰強明顯有所提高,說明在此過程中鈣礬石和C-S-H大量生成,為試件提供后期強度保證。

3.6.2 SEM分析

借助SEM掃描電鏡可以觀察到AAM試件的微觀形貌,AAM在7 d和28 d齡期下的SEM圖如圖8和圖9所示。

圖8為養(yǎng)護7 d的試件在不同放大倍數下的微觀形貌。從圖8a放大2 000倍的電鏡圖中可以看出,7 d養(yǎng)護齡期的試件中存在較多的孔洞、微裂縫以及未參與水化反應的板狀鈦石膏;從圖8b放大5 000倍的電鏡圖中可以看出,此時已有部分針棒狀鈣礬石、絮狀水化硅酸鈣生成,還有部分外漏的鈦石膏;繼續(xù)放大至10 000倍可以看到鈣礬石夾雜在板狀石膏的縫隙中,水化硅酸鈣凝膠粘附在膏體上;最后放大至20 000倍,可以清楚地觀察到鈣礬石穿插在板狀的石膏之間,絮狀凝膠物質附著在石膏表面且存在較多空隙。

(a)2 000倍 (b)5 000倍

圖9為養(yǎng)護28 d的試件的微觀形貌,從圖9a放大2 000倍的電鏡圖中可以看出,28 d養(yǎng)護齡期的試件中存在的孔洞數和微裂縫數較之7 d試件的少很多,且可以看到膏體表面覆蓋著大量的水化產物,基本看不到完整的板狀鈦石膏,這表明隨著養(yǎng)護齡期的增加,AAM內部水化反應更加充分的進行,生成更多的鈣礬石等水化產物將孔洞填充,提高了試件的強度;從圖9b放大5 000倍的電鏡圖中可以看出,此時已有較多針棒狀鈣礬石和絮狀水化硅酸鈣生成,同時還有少部分外漏的鈦石膏;繼續(xù)放大至10 000倍可以看到鈣礬石夾雜在板狀石膏的縫隙中,較多的水化硅酸鈣凝膠粘附在石膏上,形成了致密的結構,基本看不到孔洞;最后放大至20 000倍,可以清楚地觀察到鈣礬石穿插在板狀的石膏之間,絮狀凝膠物質附著在石膏表面,結構相比于7 d試件的更加緊密,這表明隨著養(yǎng)護齡期的增加,試件內部生成了更多的將各組成緊密相連的水化硅酸鈣等產物,使試件內部更加聯結緊密而均勻。

3.6.3 強度形成機理

AAM穩(wěn)定碎石在強度形成過程中內部不斷發(fā)生著物理和化學作用。物理作用主要是機械壓實作用,AAM穩(wěn)定碎石在機械壓實作用下,混合料內部成分不斷密實,內部空隙中的空氣被不斷擠出,從而空隙減小,此時粗細骨料緊密接觸并嵌擠形成骨架;同時AAM填充了混合料骨架之間的空隙,產生了微填充效果,提高了混合料內部的致密性和穩(wěn)定性[17]?；瘜W作用主要是AAM的水化作用,據SEM和XRD分析結果可知,隨著養(yǎng)護時間的增加,水化反應在AAM中逐漸進行,不斷生成鈣礬石和C-S-H凝膠,這些致密的凝膠材料填充了混合料內部孔隙;其次,C-S-H凝膠的形成加強了混合料內部各成分間的聯結,提高了試樣的強度和致密性。

4 結論

1)當膠石比在5∶95～25∶75的范圍內時,AAM穩(wěn)定碎石的7 d和28 d的無側限抗壓強度和劈裂強度均隨膠石比的增大而增大, AAM穩(wěn)定碎石的7 d無側限抗壓強度最大可達到12.2 MPa,28 d抗壓強度可達到22.1 MPa,7 d劈裂強度最大可達到0.79 MPa,28 d劈裂強度最大可達到1.01 MPa。

2)養(yǎng)護7 d和28 d的AAM穩(wěn)定碎石的軟化系數均隨膠石比的增大呈先增加后減小的趨勢,在膠石比為15∶85時出現峰值,養(yǎng)護7 d時,膠石比為15∶85、20∶80的試件水穩(wěn)定性較好;養(yǎng)護28 d時,膠石比為10∶90、15∶85及20∶80的試件水穩(wěn)定性較好,養(yǎng)護28 d試件的水穩(wěn)定性優(yōu)于7 d。

3)在同一膠石比下,隨著養(yǎng)護齡期的增加,AAM穩(wěn)定碎石的失水率隨之增加,干縮系數也隨之增加,且在前期增加迅速,后期增長平緩甚至下降;在同一齡期下,隨著膠石比的增加,AAM穩(wěn)定碎石的干縮系數也隨之增加,失水率隨之下降。

4)綜合無側限抗壓強度、劈裂強度、水穩(wěn)定性、干縮性能等試驗結果確定,本試驗中AAM穩(wěn)定碎石的最佳膠石比為15∶85。

5)膠凝材料水化產物主要為鈣礬石和C-S-H,且隨著養(yǎng)護齡期的增長,水化產物不斷生成,為材料的強度增長提供了保障。