摻飛灰水泥穩(wěn)定碎石收縮性能研究

肖晶晶

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司,重慶 400067)

水泥穩(wěn)定碎石因其具有整體性好、強(qiáng)度高、抗凍性好以過經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于各等級公路基層和底基層[1]。截止到2022年底,全國公路里程535.48萬km,高速公路通車?yán)锍踢_(dá)17.73萬km[2]。其中90%以上的高速公路都是采用的水泥穩(wěn)定碎石基層材料[3]。根據(jù)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》,未來還將建設(shè)大量公路交通基礎(chǔ)設(shè)施,消耗大量水泥穩(wěn)定碎石材料。但是,由于水泥穩(wěn)定碎石材料自身的特性,其在強(qiáng)度形成以及后期服役過程中容易發(fā)生收縮開裂。水泥穩(wěn)定碎石材料由于內(nèi)部溫度變化和水分散失,會產(chǎn)生收縮應(yīng)力,當(dāng)收縮應(yīng)力超過了材料自身的黏結(jié)力時,在基層中便產(chǎn)生了溫度收縮裂縫和干燥收縮裂縫[4-5]。瀝青路面在重復(fù)交通荷載作用下,裂縫會逐漸向上延伸到面層形成反射裂縫。影響路面的穩(wěn)定性與整體性,使得路面結(jié)構(gòu)整體性降低,服役性能和壽命均下降。同時路表自然環(huán)境中的水分極易通過裂縫向下侵入,極易引發(fā)其他病害,如雨水沖刷基層或路基,導(dǎo)致承載力下降[6]。針對這些問題,研究人員通過調(diào)整級配,選擇骨架嵌擠結(jié)構(gòu),或者采用振動攪拌、振動壓實、添加外摻劑等措施來改善水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能[7-9]。但是由于試驗條件限制和其他不可控因素,所得結(jié)果盡管在總的趨勢上相一致,仍存在差異性與不確定性,特別是針對一些當(dāng)?shù)靥赜胁牧系难芯亢鸵恍O端天氣下的研究,其差異性更加顯著。

隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人民生活水平提高,生活垃圾產(chǎn)量激增。據(jù)統(tǒng)計,我國城鄉(xiāng)生活垃圾年產(chǎn)量超過兩億噸[10]?！袄鴩恰币呀?jīng)成為一個棘手的問題。目前垃圾的處理方式主要有填埋、焚燒。城市垃圾焚燒會產(chǎn)生底渣和飛灰。每噸垃圾焚燒后產(chǎn)生的飛灰大約為30 kg～200 kg[11]。飛灰的處理方式主要是通過水泥固化技術(shù)、玻璃化/熔融固化技術(shù)、化學(xué)藥劑穩(wěn)定法等技術(shù)處理后再進(jìn)行填埋[12]。雖然以上方式能夠有效處理飛灰中的各種有害物質(zhì),但是飛灰填埋占用了大量的土地資源,而且飛灰浸出液還可能存在泄漏的風(fēng)險,造成環(huán)境污染。因此,如何實現(xiàn)飛灰的資源化利用是目前面臨的重大問題。作為垃圾焚燒廠的廢料,飛灰近年來在道路工程材料中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)飛灰摻入到瀝青混合料中,能夠有效增強(qiáng)抗車轍變形能力,提高瀝青混合料的路用性能,并給出了飛灰的建議摻量為礦粉質(zhì)量的25%～50%[13-14]。摻飛灰水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著飛灰摻量的增加而減小[15]。當(dāng)飛灰的摻量為水泥劑量的25%時,水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量均能滿足規(guī)范的要求,并且摻25%的飛灰水泥穩(wěn)定碎石的抗凍性良好。飛灰經(jīng)過水洗處理后,能夠有效去除其中的堿性物質(zhì)、可溶性硫酸鹽及氯化物。因此水洗后的飛灰摻入水泥穩(wěn)定碎石中,混合料表現(xiàn)出了更優(yōu)異的性能[16]。綜上,在水泥穩(wěn)定碎石中摻入適量的飛灰對強(qiáng)度影響較小,并且能夠起到固廢利用、節(jié)能減排的作用。

目前,仍缺少摻入飛灰對水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能的影響的研究。因此,本文進(jìn)行不同飛灰摻量的水泥穩(wěn)定碎石的收縮性能研究,進(jìn)行溫度收縮試驗以及干燥收縮試驗,探究飛灰對水泥穩(wěn)定碎石的影響規(guī)律。這將節(jié)約飛灰在處理過程中消耗的土地資源和資金,促進(jìn)廢棄物的高效利用及綠色交通的發(fā)展。

1 材料與試驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥采用的是重慶海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥。測試水泥凝結(jié)時間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和膠砂強(qiáng)度等指標(biāo),結(jié)果如表1所示。試驗結(jié)果均滿足JTG 3420—2020公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程的要求。

表1 水泥試驗結(jié)果

1.1.2 集料

集料采用石灰?guī)r,對其針片狀顆粒含量、表觀密度、軟石含量等指標(biāo)進(jìn)行檢測。技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG E42—2005公路工程集料試驗規(guī)程要求,具體試驗結(jié)果如表2所示。水泥穩(wěn)定碎石級配曲線如圖1所示。

表2 石灰?guī)r的性能指標(biāo)

1.1.3 飛灰

飛灰由重慶某垃圾焚燒發(fā)電廠提供,其外觀呈現(xiàn)為灰色顆粒,粒徑大小不一。將飛灰研磨成粉末,使其100%通過0.075 mm篩。經(jīng)測試飛灰中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.32%,表觀密度為2.64 g/cm3,燒失量為3.4%。

1.2 試件制備

水泥劑量占水泥穩(wěn)定碎石混合料的4.5%為定值。飛灰的摻量為集料質(zhì)量的1%～4%。飛灰摻入混合料中會占據(jù)一部分空隙,增加了其中細(xì)集料的含量,可能會導(dǎo)致混合料級配失衡。因此在摻入飛灰的同時適當(dāng)減少0 mm～0.15 mm細(xì)集料的用量。采用振動攪拌機(jī)對混合料進(jìn)行拌和。為了使集料分布均勻,首先將集料倒入攪拌機(jī)中拌和20 s,之后按照設(shè)計的用水量倒入部分水,潤濕集料表面。然后倒入水泥和剩余的水,再攪拌2 min。按照J(rèn)TG E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程中的振動擊實試驗方法確定不同飛灰摻量的水泥穩(wěn)定碎石材料的最大干密度和最佳含水率,振動擊實時間為90 s。飛灰的具體摻量、不同混合料的簡稱以及擊實試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同飛灰摻量的水泥穩(wěn)定碎石的擊實試驗結(jié)果

采用規(guī)范(JTG E51—2009)中振動壓實成型法制備100 mm×100 mm×400 mm中梁試件,振動壓實時間為120 s。成型試件時,混合料分2次倒入模具中,每次用鐵棒輕輕均勻插實。試件壓實成型1 d后進(jìn)行脫模,用塑料袋包裹然后放入溫度為20 ℃、濕度不小于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)生。

1.3 試驗方法

1.3.1 溫度收縮試驗

按照規(guī)范試件養(yǎng)生7 d,測試前一天將其浸泡在(20±1) ℃的水中。試件浸水1 d后取出,擦去表面水分放入105 ℃烘箱中10 h～12 h烘干至恒重。待其冷卻后測量試件原始長度L0。試驗在可程式恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行,溫度范圍為-20 ℃～60 ℃。試驗開始時先將溫度升至60 ℃,10 ℃為一個梯度,逐級降溫,降溫速率為0.5 ℃/min。當(dāng)溫度達(dá)到觀測點時恒溫3 h,恒溫結(jié)束前五分鐘測量試件的變形量。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)按規(guī)范的公式計算溫度收縮應(yīng)變和溫度收縮系數(shù)[17]。

1.3.2 干燥收縮試驗

試件養(yǎng)護(hù)7 d并在最后1 d浸水。浸水后測量試件的初始長度L0和初始質(zhì)量m0。然后將試件放在干縮室內(nèi),用千分表測量收縮量。干縮室內(nèi)溫度為20 ℃,濕度為60%。開始試驗后的7 d內(nèi)每天記錄試件的收縮量與質(zhì)量變化,7 d以后每兩天記錄一次直至試驗結(jié)束。試驗結(jié)束后將試件放入烘箱中加熱至質(zhì)量不變,為mp。根據(jù)數(shù)據(jù)按規(guī)范計算試驗結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度收縮

不同飛灰摻量的水泥穩(wěn)定碎石的溫度收縮試驗結(jié)果如圖2—圖4所示。由圖2可以看出,不同飛灰摻量的水泥穩(wěn)定碎石累計溫度收縮應(yīng)變隨時間的推移而增加。溫度收縮試驗結(jié)束,CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的累計收縮應(yīng)變分別為1 350.18 με,1 263.12 με,1 472.45 με,1 535.84 με和1 662.27 με。其中CSM-FA1的溫度收縮應(yīng)變略小于CSM,降低了6.45%。隨著飛灰摻量的增加,溫度收縮應(yīng)變也隨之增加。飛灰摻量從2%增加到4%,累計溫度收縮應(yīng)變相應(yīng)增加了9.06%～23.11%。說明水泥穩(wěn)定碎石中摻入少量的飛灰可以提高其抗溫度收縮性能。但是摻量過大,反而對水泥穩(wěn)定碎石的收縮性能不利。從圖3可以看出,水泥穩(wěn)定碎石試件在不同溫度區(qū)間內(nèi)溫度收縮系數(shù)變化趨勢大致一致?；旌狭系臏囟仁湛s系數(shù)整體隨溫度減小而逐漸降低,在0 ℃～20 ℃范圍內(nèi)達(dá)到最低,隨后有小幅度的增加。隨著飛灰摻量增加,各溫度區(qū)間的收縮系數(shù)均增大。在各個溫度區(qū)間,五種混合料中CSM-FA1的溫度收縮系數(shù)小于CSM,CSM-FA4的溫度收縮系數(shù)最大。

在圖4中,CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的平均溫度收縮系數(shù)分別為16.88 με/℃,15.79 με/℃,18.40 με/℃,19.19 με/℃和20.78 με/℃。飛灰的加入對混合料試件平均溫度收縮系數(shù)影響顯著。其中,CSM-FA1的平均溫度收縮系數(shù)最小。相比于CSM,CSM-FA1的平均溫度收縮系數(shù)降低了6.46%。當(dāng)飛灰摻量增加時,混合料的平均溫度收縮系數(shù)隨著增大。相比于CSM,CSM-FA4的平均溫度收縮系數(shù)提高幅度最大為23.1%。

由此可見,摻入適量的飛灰對水泥穩(wěn)定碎石的抗溫度收縮性能有一定的改善作用。水泥穩(wěn)定碎石中摻入少量飛灰并替換部分細(xì)集料后,混合料的干密度減小。在試驗中隨著溫度下降,混合料內(nèi)部產(chǎn)生的溫度收縮變形只能在相對較小的組成空間內(nèi)發(fā)生位移,所以就表現(xiàn)為具有較小的溫度收縮系數(shù)。隨著飛灰摻量的增長,飛灰發(fā)生火山灰反應(yīng)產(chǎn)生了更多的膠結(jié)物。膠結(jié)物的溫度收縮變形增加了混合料總體收縮。因此當(dāng)飛灰摻量超過1%時,混合料的溫度收縮系數(shù)明顯增大。

2.2 干燥收縮

干燥收縮的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5—圖7所示。圖5為混合料的失水率變化情況,所有的試件的失水率都隨著時間的推移而增大。試件在前10 d的失水率增加比較明顯,后期失水率則增長較緩。CSM,CSM-FA1和CSM-FA2的累計失水率變化情況較為接近。隨著飛灰摻入的比例進(jìn)一步增加,累計失水率也隨之增加。這可能是由于飛灰的比表面積大,吸水性較強(qiáng),混合料的最佳含水率提高。所以混合料摻入飛灰攪拌之后,需要更多的水分,水分散失也更多更快。

不同混合料的干縮應(yīng)變變化情況如圖6所示。隨著時間的推移,混合料的累計干縮應(yīng)變逐漸增大,后期趨于穩(wěn)定。干縮試驗結(jié)束,CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的累計收縮應(yīng)變分別為194.5 με,180.4 με,253.57 με,309.79 με和402.36 με。從試驗結(jié)果可以看出,CSM-FA1的累計干縮應(yīng)變減小,相比于CSM減小了7.25%。這可能是因為飛灰的加入,改善了水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部膠體結(jié)構(gòu),孔隙結(jié)構(gòu)分布更加均勻,從而減少了毛細(xì)水的遷移。摻入少量飛灰之后消耗了更多用于水泥水化的水,因此收縮應(yīng)變減小。但是隨著飛灰摻量的進(jìn)一步增大,收縮應(yīng)變增加,特別是早期收縮增加明顯。CSM-FA4的累計收縮應(yīng)變增加了約1.07倍。說明飛灰摻量過多,對于水泥穩(wěn)定碎石的抗收縮性能極為不利。少量的飛灰可以改善混合料的孔隙結(jié)構(gòu),但是飛灰摻量增大,火山灰反應(yīng)緩慢導(dǎo)致大部分水分并沒有被消耗。增加飛灰摻量的同時也增加了混合料的拌和用水量,試件中的自由水增加,水分蒸發(fā)增大,導(dǎo)致試件收縮增加。飛灰比表面積大,導(dǎo)致混合料的吸附水和層間水增多,在后期水分的蒸發(fā)作用較強(qiáng),因此混合料的收縮相對增大。

摻加飛灰對平均干縮系數(shù)影響較大。累計干縮系數(shù)變化趨勢與干縮應(yīng)變類似,隨著時間的推移干縮系數(shù)增加,但逐漸趨于穩(wěn)定。CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的平均收縮系數(shù)分別為62.32,58.04,81.06,96.33和117.42。CSM-FA1平均干縮系數(shù)最低,相比于CSM降低了6.87%。隨著飛灰摻量增加到2%,3%,4%時,平均干縮系數(shù)明顯增大。

3 結(jié)論

通過對不同摻量的飛灰水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行溫度收縮試驗和干燥收縮試驗,得出以下結(jié)論:1)飛灰可以改善水泥穩(wěn)定碎石的溫度收縮性能。當(dāng)飛灰的摻量為集料的1%時,水泥穩(wěn)定碎石不同溫度區(qū)間內(nèi)的溫度收縮應(yīng)變和溫度收縮系數(shù)降低。隨著飛灰的摻量的增加,溫度收縮系數(shù)和溫度收縮應(yīng)變增大。2)摻入飛灰可以提升水泥穩(wěn)定碎石的抗干縮性能。在水泥穩(wěn)定碎石中摻入1%的飛灰,可以改善水泥穩(wěn)定碎石混合料的孔隙結(jié)構(gòu),使得混合料的結(jié)構(gòu)更加均勻,從而降低水泥穩(wěn)定碎石的干縮變形。3)考慮水泥穩(wěn)定碎石的性能,推薦飛灰的摻量為1%,其平均溫度收縮系數(shù)和平均干縮系數(shù)均最小。