制備工藝對工程棄土人工骨料性能的影響

陳達(dá)可 崔旻昊

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

隨著我國城市化的推進(jìn),大規(guī)模工程建設(shè)產(chǎn)生了大量難以處置、消納的工程棄土,對城市的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重影響;與此同時,開山取石這種破壞生態(tài)的資源獲取方式逐年減少,天然建材短缺問題日益嚴(yán)重。將工程棄土作為原材料制備成人工骨料,可在滿足工程需求的同時,將工程棄土回收利用,保護(hù)自然環(huán)境,降低工程造價。

國內(nèi)外學(xué)者對人工骨料的成型工藝與硬化工藝已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。在成型工藝方面,常用方法包括壓力成型法[1]、攪拌成粒法[2]、擠出-滾圓成粒法[3]等。常用的人工骨料硬化工藝包括燒結(jié)硬化、冷結(jié)硬化、蒸養(yǎng)與蒸壓硬化等:Liu等[4]將燒結(jié)硬化工藝分為預(yù)熱、燒結(jié)、冷卻3個階段, Chen等[5]對燒結(jié)硬化的溫度進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)不同溫度下燒結(jié)的人工骨料表面元素各不相同。Tang[6]、Thomas等[7]以冷結(jié)硬化工藝制備了多種人工骨料,發(fā)現(xiàn)黏結(jié)劑對人工骨料的性能存在顯著影響。Gomathi[8]、Tan等[9]利用蒸養(yǎng)與蒸壓硬化加快了人工骨料的水化反應(yīng)速度,提高了骨料的早期強度。

目前國內(nèi)外人工骨料制備技術(shù)主要集中于建筑廢棄混凝土與建筑廢渣,對工程棄土骨料化研究較少。為探究以工程棄土制備人工骨料的工藝參數(shù),本文以人工骨料的單軸抗壓強度、毛體積密度、吸水率等參數(shù)作為評價指標(biāo),對比不同硬化工藝、成型壓力、養(yǎng)護(hù)時長、黏結(jié)劑類型及摻量對人工骨料制備的影響。

1 工程棄土

選用南通崇川區(qū)某基坑開挖土。該土樣為褐(灰)黃色黏土,泌水收縮大,天然含水率為24.8%,最佳含水率為16.4%,在天然狀態(tài)下壓實性能差,需進(jìn)行大量晾曬方可使用,屬于無法直接用于回填的過濕土。

采用密度計法[10]對土樣級配進(jìn)行測定,級配曲線見圖1,土樣不均勻系數(shù)Cu為16.7,曲率系數(shù)Cc為1.16。

圖1 工程棄土顆粒級配

聯(lián)合液塑限測定法測得的試驗數(shù)據(jù)見表1,通過計算可得土樣液限ωL=36%,塑限ωP=19%,塑性指數(shù)IP=17。

表1 液塑限試驗結(jié)果

2 試驗方案與試件制備

通過文獻(xiàn)調(diào)研,選取了成型壓力、硬化工藝、黏結(jié)劑類型、黏結(jié)劑摻量、養(yǎng)護(hù)時長5個生產(chǎn)因素進(jìn)行試驗方案的設(shè)計,各因素水平統(tǒng)計見表2。

表2 試驗因素水平統(tǒng)計

冷結(jié)硬化將骨料置于相對濕度90%以上、溫度20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù);熱養(yǎng)護(hù)-冷結(jié)硬化將骨料預(yù)先在70 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h ,然后再進(jìn)行同等標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

水泥中摻加1%的外摻劑(Na2SO4∶萘系減水劑=1∶1);地質(zhì)聚合物組分為礦渣-粉煤灰-脫硫石膏混合物,三者質(zhì)量比為3∶5∶2,摻加10%的外摻劑(Na2SiO3∶NaOH=1.5∶1)。

選取單軸抗壓強度、毛體積密度、吸水性、微觀結(jié)構(gòu)4種評價指標(biāo)對人工骨料的性能進(jìn)行評價,試驗過程參考《公路工程巖石試驗規(guī)程》[10]:①單軸抗壓強度試驗采用路面強度試驗儀測定,加載速率選擇1 MPa/s;②人工骨料毛體積密度采用量積法進(jìn)行試驗;③人工骨料的吸水率采用自然吸水法測定。

3 結(jié)果分析

對不同生產(chǎn)參數(shù)的試樣采用字母縮寫代稱。不同的成型壓力以前綴10,20,30表示;水泥試樣表示為C(cement),地質(zhì)聚合物試樣為G(geopolymer),后接10,20,30表示黏結(jié)劑摻量;冷結(jié)硬化表示為S(standard curing),熱-冷結(jié)硬化為T(thermal-standard curing),后接7,14,28分別為養(yǎng)護(hù)時長。例如,20C10S28指成型壓力20 MPa的水泥試件,水泥摻量為10%且冷結(jié)硬化28 d。

3.1 單軸抗壓強度

3.1.1成型壓力

成型壓力對人工骨料試件單軸抗壓強度的影響見圖2。

圖2 成型壓力對試件單軸抗壓強度的影響

當(dāng)成型壓力由10 MPa上升至20 MPa時,各試件的單軸抗壓強度均有提高。這是由于隨著成型壓力的增大,混合料顆粒間隙減小,混合料密實度提高,結(jié)合水膜變薄,黏聚力與內(nèi)摩擦角均會提高,使人工骨料的抗壓強度提高。同時提高混合料密實度會促進(jìn)黏結(jié)劑充分反應(yīng),提高黏結(jié)效果。當(dāng)成型壓力提升至30 MPa時,各試件的單軸抗壓強度幾乎保持不變。部分試件由于成型壓力過大,部分混合料從模具中擠出,強度略有下降。

比較不同黏結(jié)劑摻量、不同齡期試件的抗壓強度變化情況,發(fā)現(xiàn)各試件隨成型壓力提升抗壓強度的增大幅度基本一致,說明強度提升主要來源于混合料黏聚力與內(nèi)摩擦角的增大,黏結(jié)劑反應(yīng)程度提升的影響較小。

3.1.2黏結(jié)劑類型與摻量

黏結(jié)劑類型與摻量對人工骨料試件單軸抗壓強度的影響見圖3。由圖3可見,隨著黏結(jié)劑摻量的增加,摻加水泥與地質(zhì)聚合物材料的2類人工骨料抗壓強度均有顯著提升。在常規(guī)養(yǎng)護(hù)條件下,水泥摻量從10%提升到20%時,7,28 d強度分別由6.4,8.2 MPa增加到10.7,16.7 MPa,分別提升了67%,104%;摻量從20%提升到30%時,7,28 d強度分別提升36%,45%。

圖3 黏結(jié)劑類型與摻量對試件單軸抗壓強度的影響

此外還可見,當(dāng)?shù)刭|(zhì)聚合物摻量由10%增加到20%時,其強度增幅與水泥試件基本一致,當(dāng)摻量由20%提升至30%時,強度增速明顯變緩。從微觀層面上看,黏結(jié)劑對試件強度的提升主要來源于水化反應(yīng)產(chǎn)物的包裹與密實作用,地質(zhì)聚合物材料的水化反應(yīng)速率不如水泥,相同養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)固化效果無法完全發(fā)揮。

3.1.3硬化工藝與養(yǎng)護(hù)時長

硬化工藝與養(yǎng)護(hù)時長對人工骨料試件單軸抗壓強度的影響見圖4。

圖4 硬化工藝與養(yǎng)護(hù)時長對試件單軸抗壓強度的影響

由圖4可見,熱養(yǎng)護(hù)-冷結(jié)硬化工藝的人工骨料抗壓強度普遍比冷結(jié)硬化人工骨料的強度高6～8%,這是由于熱養(yǎng)護(hù)提高了試件環(huán)境溫度,加快了黏結(jié)劑的水化反應(yīng)速率,使人工骨料的強度提高。

觀察地質(zhì)聚合物試件不同硬化工藝下的抗壓強度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)熱養(yǎng)護(hù)-冷結(jié)硬化的地質(zhì)聚合物人工骨料的抗壓強度幾乎不隨養(yǎng)護(hù)時長而發(fā)生變化,這是由于熱養(yǎng)護(hù)環(huán)境加快了地質(zhì)聚合物的水化反應(yīng)速度,在短時間內(nèi)產(chǎn)生了大量的水化產(chǎn)物,這些產(chǎn)物將原材料顆粒完全包裹,阻礙了反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行,因此熱養(yǎng)護(hù)-冷結(jié)硬化的地質(zhì)聚合物人工骨料具有良好的早期強度,但后期強度比冷結(jié)硬化制備的試樣較低。

3.2 毛體積密度

3.2.1成型壓力

成型壓力對人工骨料試件毛體積密度的影響見圖5。

圖5 成型壓力對試件毛體積密度的影響

如圖5所示,當(dāng)成型壓力由10 MPa提高到20,30 MPa時,C30S28試件的毛體積密度由2.04 g/cm3分別增加到2.13,2.17 g/cm3,分別增加了4.4%,6.4%,C30S7、C30T28等試件亦呈現(xiàn)相同變化趨勢。隨著成型壓力的升高,骨料逐步密實,壓實難度增大,毛體積密度增大趨勢逐漸變緩。

3.2.2黏結(jié)劑類型與摻量

黏結(jié)劑類型與摻量對人工骨料毛體積密度的影響見圖6。如圖6所示,隨著黏結(jié)劑摻量的增加,水泥試件的毛體積密度不斷上升,而地質(zhì)聚合物材料試件的毛體積密度不斷下降。這是由于水泥的容重高于素土,故隨著水泥摻量提高,水泥試件的毛體積密度越大;而地質(zhì)聚合物材料容重較素土低,則其摻量越高,試件毛體積密度越小。

圖6 黏結(jié)劑類型與摻量對試件毛體積密度的影響

3.2.3硬化工藝與養(yǎng)護(hù)時長

硬化工藝與養(yǎng)護(hù)時長對人工骨料試件毛體積密度的影響見圖7。

由圖7比較冷結(jié)硬化試件與熱養(yǎng)護(hù)試件可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過24 h熱養(yǎng)護(hù)的試件毛體積密度普遍低于冷結(jié)硬化試件。這是高溫下的水分散失帶來的質(zhì)量損耗,盡管熱養(yǎng)護(hù)時試件均使用密封袋密封,但養(yǎng)護(hù)溫度過高仍會導(dǎo)致體系中水分的蒸發(fā)。

3.3 吸水性

3.3.1成型壓力

成型壓力對人工骨料試件吸水性的影響見圖8。由圖8可見,人工骨料的吸水率隨著成型壓力的增大而不斷降低,降低趨勢逐漸放緩,對于主黏結(jié)劑為地質(zhì)聚合物材料的試件效果更為顯著。當(dāng)成型壓力由10 MPa增大到20,30 MPa時,各試件的吸水率降幅分別達(dá)到了23%,29%。這是由于隨著成型壓力變大,人工骨料的結(jié)構(gòu)越致密,內(nèi)部孔隙越少,吸水率越低。部分試件將成型壓力增大到30 MPa時,過大的成型壓力導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在微小裂縫,吸水率不降反增。

3.3.2黏結(jié)劑類型與摻量

黏結(jié)劑類型與摻量對人工骨料試件吸水性的影響見圖9。

圖9 黏結(jié)劑類型與摻量對試件吸水性的影響

如圖9所示,2類人工骨料的吸水率均隨著黏結(jié)劑摻量的增大而降低,變化規(guī)律大致相同。冷結(jié)硬化28 d的地質(zhì)聚合物人工骨料,當(dāng)黏結(jié)劑摻量由10%增加到20%,30%時,其試件吸水率由16.9%降低到了14.4%,12.4%,降幅達(dá)15%,27%。隨著黏結(jié)劑摻量提高,黏結(jié)劑水化反應(yīng)越強烈,生成的水合硅酸鈣(C-S-H)產(chǎn)物越多,其微觀結(jié)構(gòu)就越致密,吸水性越低。對比2種黏結(jié)劑類型,地質(zhì)聚合物試件的吸水率普遍高于水泥試件,這是由于以地質(zhì)聚合物材料為主黏結(jié)劑制備的人工骨料結(jié)構(gòu)相比水泥骨料更加疏松多孔。

3.3.3硬化工藝與養(yǎng)護(hù)時長

硬化工藝與養(yǎng)護(hù)時長對人工骨料試件吸水性的影響見圖10。

圖10 硬化工藝與養(yǎng)護(hù)時長對試件吸水性的影響

由圖10可見,隨著養(yǎng)護(hù)時長的增加,人工骨料的吸水率明顯下降。養(yǎng)護(hù)28 d試件的吸水率比養(yǎng)護(hù)7 d試件降低了約2%,可見隨著黏結(jié)劑的水化反應(yīng)進(jìn)程,水化產(chǎn)物逐漸填充混合料的空隙,試件吸水性下降。由于地質(zhì)聚合物水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物較為疏松多孔,地質(zhì)聚合物骨料吸水性的下降幅度較小。

此外還發(fā)現(xiàn),常規(guī)冷結(jié)硬化的骨料吸水率要低于熱養(yǎng)護(hù)-冷結(jié)硬化骨料。這是因為人工骨料在高溫養(yǎng)護(hù)的過程中,黏結(jié)劑過快的水化反應(yīng)會加速骨料內(nèi)部孔隙的生成,最終導(dǎo)致吸水率略有增加。

3.4 微觀結(jié)構(gòu)

3.4.1成型壓力

黏結(jié)劑摻量、硬化工藝相同時,成型壓力越大,水化產(chǎn)物覆蓋形成的膠結(jié)團(tuán)狀物之間空隙的越小,材料結(jié)構(gòu)致密性更大,一體性大大提高,宏觀上則體現(xiàn)為隨著成型壓力的增大,骨料強度提升,吸水性下降。但當(dāng)成型壓力過大時,膠結(jié)團(tuán)狀物被壓碎,骨料強度會有一定程度的下降。

3.4.2黏結(jié)劑類型與摻量

隨著黏結(jié)劑摻量的增加,水化產(chǎn)物逐漸覆蓋散亂的土顆粒,形成較大的團(tuán)狀物,材料整體膠結(jié)度提高,在宏觀上體現(xiàn)為隨著黏結(jié)劑摻量提高,骨料強度提升,吸水性下降。不同的黏結(jié)劑類型水化反應(yīng)速率不同,體現(xiàn)在宏觀上為水泥黏結(jié)劑摻量提高對骨料強度影響顯著,地質(zhì)聚合物黏結(jié)劑摻量提高對骨料強度影響則有限。

3.4.3硬化工藝與養(yǎng)護(hù)時長

熱-冷結(jié)硬化工藝能夠加速黏結(jié)劑水化反應(yīng)的速率,然而由于24 h高溫養(yǎng)護(hù)過程中黏結(jié)劑水化反應(yīng)過快,導(dǎo)致骨料內(nèi)部孔隙生成大量微觀氣孔,宏觀上反映為熱-冷結(jié)硬化工藝的人工骨料24 h強度大,但吸水性較高。

4 結(jié)論

通過對工程棄土人工骨料各項性能影響因素及其影響規(guī)律的分析,得到如下結(jié)論。

1) 提高成型壓力會增大人工骨料的毛體積密度,有利于人工骨料強度與致密性的提高。成型壓力從10 MPa提升至20 MPa時,人工骨料各性能指標(biāo)顯著改善;但當(dāng)壓力提升至30 MPa時,部分試件由于出現(xiàn)微裂縫導(dǎo)致吸水性反而升高。

2) 水泥與地質(zhì)聚合物黏結(jié)劑對人工骨料各指標(biāo)的影響規(guī)律基本相同,隨著黏結(jié)劑摻量的提升,骨料的抗壓強度逐漸提高,吸水性逐漸下降。由于2種黏結(jié)劑自身的密度不同,隨著水泥摻量的提高,骨料的毛體積密度逐漸提高,而地質(zhì)聚合物摻量提高則會降低骨料的毛體積密度。

3) 熱養(yǎng)護(hù)-冷結(jié)硬化工藝會加快黏結(jié)劑的水化反應(yīng),提高骨料的早期強度,同時提高骨料的孔隙率與吸水性,降低骨料的毛體積密度。使用熱養(yǎng)護(hù)-冷結(jié)硬化工藝制備的水泥人工骨料強度提高了6.6%～7.3%,毛體積密度下降了0.02～0.04 g/cm3,吸水性提高了2%～3%;使用熱養(yǎng)護(hù)-冷結(jié)硬化工藝制備的地質(zhì)聚合物人工骨料7 d強度能夠達(dá)到冷結(jié)硬化骨料的28 d強度,毛體積密度下降了0.01～0.03 g/cm3,吸水性提高了3%～5%。

4) 本研究推薦2種工程棄土人工骨料的制備方案。方案一為20C30S28,即主黏結(jié)劑為水泥,黏結(jié)劑摻量為30%,成型壓力20 MPa,冷結(jié)硬化工藝下養(yǎng)護(hù)28 d制備。方案二為20G30T7,即主黏結(jié)劑為地質(zhì)聚合物材料,黏結(jié)劑摻量為30%,成型壓力20 MPa,預(yù)先進(jìn)行24 h、70 ℃熱養(yǎng)護(hù)后再冷結(jié)硬化7 d制備。