固廢基膠凝劑穩(wěn)定材料基層性能試驗(yàn)研究

李永偉 師瑩琨

（山東高速股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

1 引言

目前，我國(guó)道路工程建設(shè)面臨著長(zhǎng)距離運(yùn)輸成本增加、砂礫開采破壞環(huán)境等問題，因此，尋找強(qiáng)度高、耐久性好、環(huán)保性能好的新型路面材料成為道路工程領(lǐng)域亟待解決的重要課題，其中固體廢物再利用是道路工程建設(shè)的重要發(fā)展方向。

針對(duì)固體廢物再利用問題，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)姜振泉等人通過對(duì)煤矸石顆粒級(jí)配和壓密性、壓實(shí)性能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：通過適量增加煤矸石中細(xì)小顆粒的含量，可改變煤矸石的顆粒級(jí)配性能，進(jìn)而提高煤矸石的固結(jié)性能；包慧明等人在基質(zhì)瀝青中加入赤泥作為穩(wěn)定材料制備赤泥穩(wěn)定瀝青，分析了不同剪切速率、摻量對(duì)赤泥穩(wěn)定瀝青黏度的影響，并用掃描電鏡等觀測(cè)赤泥與瀝青之間的微觀狀態(tài)變化；劉晶磊研究了土凝巖穩(wěn)定的鹽漬土在不同含鹽率和養(yǎng)護(hù)齡期條件下的擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)值的變化規(guī)律。H. Zhang等人以赤泥作為填料制備多孔瀝青并進(jìn)行路面性能試驗(yàn)，認(rèn)為穩(wěn)定瀝青具有良好的抗車轍和抗老化能力。

本文通過綜合利用鋼渣、粉煤灰、赤泥、煤矸石等工業(yè)固廢研制多源固廢協(xié)同增強(qiáng)機(jī)理下的基層穩(wěn)定材料，為該膠凝材料在公路工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用及相關(guān)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)程的編制提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

2 原材料的選定

2.1 土石材料和固廢基膠凝劑

對(duì)于無機(jī)結(jié)合料固廢基膠凝劑穩(wěn)定（底）基層，土壤類型、固廢基膠凝劑性質(zhì)種類和施工工藝的不同都會(huì)影響穩(wěn)定基層的性能。本文選用山東地區(qū)常見的黏土、砂土、風(fēng)化砂和碎石4 種典型土石材料，根據(jù)選定材料的化學(xué)成分分析，分別配置相應(yīng)的固廢基膠凝劑（配比不同）進(jìn)行試驗(yàn)。使用的膠凝材料是由化學(xué)激發(fā)高硅鈣鋁含量的固廢材料制備而成，主要成分是燒結(jié)赤泥微粉、粉煤灰、煅燒煤矸石微粉以及由硅酸鈉、三萜皂苷、聚合硫酸鋁、氟硅酸鎂、氫氧化鈉等組成的復(fù)合激發(fā)劑，特性見表1。

表1 固廢基膠凝劑性能指標(biāo)

2.2 水泥穩(wěn)定碎石材料

為了對(duì)比固廢基膠凝劑穩(wěn)定碎石和水泥穩(wěn)定碎石材料的性能差異，選取相同集料、相同級(jí)配的碎石材料進(jìn)行試驗(yàn)。水泥選用基層常用的P·C32.5 型 號(hào)，細(xì)度1.5%、密度3 000kg/m2、比表面積387.6m2/kg、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量29%、初凝時(shí)間260min、終凝時(shí)間310min、3d 抗折強(qiáng)度3.39MPa、28d 抗 折強(qiáng) 度8.05MPa、3d 抗 壓強(qiáng) 度11.52MPa、28d 抗壓強(qiáng)度49.32MPa。

3 試驗(yàn)

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE 51-2009）規(guī)定，將黏土、砂土、風(fēng)化砂、碎石4種典型材料摻加不同比例的固廢基膠凝劑，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所得的最大干密度和最優(yōu)含水量制備成型標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行7d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，確定固廢基膠凝劑的最佳摻量。

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

表2 給出了不同摻量的固廢基膠凝劑、水泥穩(wěn)定不同類型土體的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可以看出，最佳含水量隨著膠凝材料摻量的增加而變化不大，最大干密度隨著膠凝材料摻量的增加而略有增加，這是由于膠凝材料的密度比黏土、砂土、風(fēng)化砂的密度大。對(duì)比膠凝材料穩(wěn)定碎石與水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量和最大干密度結(jié)果可知，在摻量為6%時(shí)，兩者的結(jié)果相差很小。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)瀝青路面基層而言，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)是體現(xiàn)路用性能最重要的指標(biāo)之一，表明了試樣置于不受側(cè)向限制的條件下所能承受的強(qiáng)度值。首先測(cè)試了固廢基膠凝劑穩(wěn)定黏土、砂土、風(fēng)化砂、碎石與水泥穩(wěn)定碎石混合路面材料的7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表3，并分析了其與固廢基膠凝劑摻量的相關(guān)性，如圖1 所示。

表3 不同膠凝材料摻量7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 固化劑穩(wěn)定4 種典型路用材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻量相關(guān)性

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一種原材料，隨著固廢基膠凝劑摻量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中固廢基膠凝劑穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度值明顯高于其他3 種材料，表明固廢基膠凝劑摻量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度起決定作用。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，基層取7d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值3.5～4.5MPa、底基層取2.5～3.0MPa 為宜，據(jù)此確定了每種混合材料作為基層或底基層中固廢基膠凝材料的最佳摻量，固廢基膠凝劑穩(wěn)定黏土基層膠凝材料最佳摻量10%、底基層最佳摻量8%；固廢基膠凝劑穩(wěn)定砂土基層膠凝材料最佳摻量10%、底基層最佳摻量8%；固廢基膠凝劑穩(wěn)定風(fēng)化砂基層膠凝材料最佳摻量7%、底基層最佳摻量5%；固廢基膠凝劑穩(wěn)定碎石基層膠凝材料最佳摻量5.5%；水泥穩(wěn)定碎石基層膠凝材料最佳摻量5%。

針對(duì)試驗(yàn)得出的最佳固廢基膠凝劑摻量的不同混合材料試件，分別考察了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律，如圖2 所示。結(jié)果顯示，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，4 種穩(wěn)定材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。固廢基膠凝劑穩(wěn)定砂土材料強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，而固廢基膠凝劑穩(wěn)定風(fēng)化砂和固廢基膠凝劑穩(wěn)定黏土材料強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)相近。

對(duì)于穩(wěn)定碎石，固廢基膠凝劑穩(wěn)定碎石后期強(qiáng)度增長(zhǎng)（14～28d）明顯優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石。

圖2 各種穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化

4 結(jié)語

（1）最佳含水量與膠凝材料摻量關(guān)系不大，最大干密度隨著膠凝材料摻量的增加略有增加。當(dāng)摻量為6%時(shí)，固廢基膠凝劑穩(wěn)定碎石與水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量和最大干密度幾乎相同。（2）黏土與黏土的膠凝劑最佳摻量為8%～10%、風(fēng)化砂的膠凝劑最佳摻量為5%～7%、穩(wěn)定碎石的膠凝劑最佳摻量為5.5%。（3）隨著固廢基膠凝摻量的增加，各種穩(wěn)定材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)；在膠凝材料摻量一定的情況下，各種穩(wěn)定材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增大。