水泥穩定灰渣碎石的制備及路用性能初探

郭東浩,解建光,曹興國

(1.南京航空航天大學土木工程系,江蘇南京210016;2.江蘇寧滬高速公路股份有限公司,江蘇南京210049)

在我國,城市生活垃圾增長迅猛,焚燒熱解處理后,仍有16%～24%的質量留在了灰渣中[1],灰渣通常含有毒有害污染物[2]。隨著國家對污染控制力度的加大,隨意堆放或填埋灰渣不僅占用了土地資源而且會對人類健康和自然環境造成不利影響。

在土地資源緊張的地區,填埋場的建設與土地資源匱乏之間的矛盾越來越突出[3]。同時這些地區高速公路的建設也常常受到填土來源的限制,由于很多地區已限制開山采石,使高速公路建設需要的石料也成為日漸稀缺的資源。如果將城市生活垃圾焚燒灰渣應用于高速公路路面基層或底基層的無機結合穩定材料,不僅能減少灰渣廢棄產生的土地占用,降低處置費用,而且可以變廢為寶,利于建設節約型環保型的公路工程,促進公路交通事業的可持續發展。

試驗用城市生活垃圾焚燒灰渣替代部分集料,制備了水泥穩定灰渣碎石半剛性基層材料,并進行了材料強度和收縮性能的試驗,為灰渣用于高速公路基層提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中選用的水泥為雨花牌復合硅酸鹽水泥,其各項指標見表1所示。生活垃圾焚燒灰渣來源于無錫惠聯垃圾熱電廠,灰渣中含有大量六方晶系的α-SiO2[4]。灰渣和碎石物理檢驗結果見表2。

表1 水泥指標檢驗結果

表2 灰渣和碎石檢驗結果

1.2 灰渣級配調整

按照《公路工程集料試驗規程》(JTG E42-2005)[5]對灰渣進行篩分試驗,得到灰渣的級配曲線如圖1所示。

由圖1可以看出,灰渣原始級配組成超出了規范中對高速公路基層水穩碎石級配組成的要求范圍,需要進行調整。根據灰渣和碎石的壓碎值以及針片狀顆粒含量綜合考慮,以規范中值為目標級配,通過計算確定灰渣的摻入量為31.6%,此時的級配曲線如圖2所示,處于規范中值附近。

圖1 灰渣原始篩分曲線

圖2 調整后混合料級配組成曲線

1.3 試驗方法

擊實試驗按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTJ 057-1994)[6]中的丙法進行,水泥劑量依次取3.0%,3.5%,4.0%,4.5%和5.0%。

水穩碎石材料的強度指標為飽水抗壓強度,根據《公路路面基層施工技術規范》(JTJ 034-2000)[7]中的規定,抗壓強度標準為:高速公路和一級公路基層為3～5 MPa。試件尺寸為150 mm×150 mm圓柱體,成型方法按《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTJ059-1994)進行,成型加壓采用靜壓方式,壓力機型號為YES-3000A數顯式壓力試驗機。

水泥穩定碎石試件的標準養護條件是:將制好的試件脫模稱重后,應立即用塑料薄膜包覆,放入養護室內養生,養護溫度為25℃±2℃。養生期結束的前一天(第6天)將去掉薄膜的試件浸泡于水中,在浸水之前,應再次稱試件的質量,水的深度應使水面在試件頂上約2.5 cm,浸水的水溫應與養護溫度相同。將已浸水一晝夜的試件從水中取出,用軟的舊布吸去試件表面的可見自由水,并稱試件的質量。前六天養生期間試件水份損失應不超過10 g,超過此規定的試件,應予作廢。

水穩碎石材料的干縮性能用干縮系數來評價,取符合強度要求的配合比進行干縮性能試驗。試驗方法為:按照擊實試驗確定的最大干密度和最佳含水量,在500 kN的靜壓下成型尺寸為3 300 mm×100 mm×100 mm的梁試件,每一組配合比成型4個,其中兩個固定于千分表架上測量收縮變形,另外兩個用于測定失水率。觀測不同配合比下材料隨著風干時間的增加失水量和收縮變形的變化情況,觀測持續到材料含水量不在減小,體積基本保持不變為止。試驗結果按照下式計算各種配比下的干縮系數

式中 :αd為干縮系數;∑Δεdi為累計干縮變形;∑Δεωi為失水量 。

2 試驗結果及分析

2.1 擊實試驗結果及分析

對水泥穩定灰渣碎石和普通水穩碎石分別進行擊實試驗,試驗結果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知,灰渣摻量為31.6%時,與普通水泥穩定碎石相比,水泥穩定灰渣碎石的最佳含水量增大2.7%～2.9%,最大干密度降低0.10～0.13 g?cm-3。

圖3 不同水泥含量下兩種材料的最佳含水量

圖4 不同水泥含量下兩種材料的最大干密度

2.2 強度試驗結果及分析

31.6%灰渣摻量下的水穩灰渣碎石和普通水穩碎石的無側限抗壓強度試驗結果見表3。

由表3所示試驗結果表明:對于水泥穩定灰渣碎石材料,灰渣摻量為31.6%時,水泥摻量增加0.5%,強度增長0.52～0.63 MPa;與普通水穩碎石相比,相同水泥摻量下,強度平均降低0.55MPa,如圖5所示。

表3 不同水泥摻量下兩種材料的無側限抗壓強度

圖5 31.6%灰渣摻量的水穩灰渣碎石與普通水穩碎石強度比較

2.3 干縮試驗結果及分析

對水泥含量為4.0%和4.5%的兩種混合料進行了干縮試驗分析,并進行普通水穩碎石干縮對比試驗。水泥穩定灰渣碎石干縮試驗結果如圖6～圖8所示。

圖6 水泥穩定灰渣碎石累計失水率隨時間的變化曲線

圖7 水泥穩定灰渣碎石累計干縮應變隨時間的變化曲線

對上面水泥穩定灰渣碎石干縮特性曲線分析可以得出以下結論:4.0%水泥含量下的最大失水率為3.75%,占到最佳含水量的50%;4.5%水泥含量下的最大失水率為4.2%,占到該水泥含量下最佳含水量的54.5%;水泥穩定灰渣碎石失水主要發生在前10天,而且失水的速度較快,到第10天的失水量已達到最大失水量的81.9%;4.0%水泥含量下,水泥穩定灰渣碎石的最大干縮應變為151.8 μ,平均干縮系數為40.5 μ?%-1;4.5%水泥含量下的最大干縮應變為185.8 μ,平均干縮系數為44.0 μ?%-1。

與普通水穩碎石相比,水泥穩定灰渣碎石的干縮系數降低9.2%～11.5%,如圖9所示。這說明,水泥穩定灰渣碎石對失水的敏感性要低于普通水穩碎石。

圖8 水泥穩定灰渣碎石干縮系數隨時間的變化曲線

圖9 兩種材料的干縮系數比較

3 結論

(1)灰渣摻量為31.6%時,與普通水泥穩定碎石相比,水泥穩定灰渣碎石的最佳含水量增大2.7%～2.9%,最大干密度降低0.10～0.13 g?cm-3。

(2)對于水泥穩定灰渣碎石材料,灰渣摻量為31.6%時,水泥含量增加0.5%,強度增長0.52～0.63 MPa;與普通水穩碎石相比,相同水泥摻量下,強度平均降低0.55MPa。

(3)4.0%水泥含量下的最大失水率為3.75%,占到最佳含水量的50%;4.5%水泥含量下的最大失水率為4.2%,占到該水泥含量下最佳含水量的54.5%。

(4)水泥穩定灰渣碎石失水主要發生在前10天,而且失水的速度較快,到第10天的失水量已達到最大失水量的81.9%。

(5)4.0%水泥含量下,水泥穩定灰渣碎石的最大干縮應變為151.8 μ,平均干縮系數為40.5 μ?%-1;4.5%水泥摻量下的最大干縮應變為185.8 μ,平均干縮系數為44.0 μ?%-1。

(6)與普通水穩碎石相比,水泥穩定灰渣碎石的干縮系數降低9.2%～11.5%。

[1]KOSSN D S,VANDER SLOOT H A,EIGHMY T T.An approach for estimation of contaminant release during utilization and disposal of municipal waste combustion residues[J].Journal of HazardousMaterials,1996,47(1-3):43-75.

[2]張益.我國生活垃圾處理技術的現狀和展望[J].環境衛生工程,2000,8(2):81-84.

[3]張立新.城市垃圾焚燒底灰的綜合利用[J].建材世界,2009,30(3):136-139.

[4]孫路石,等.城市生活垃圾焚燒灰渣的特征[J].華中科技大學學報,2009,37(8):77-79.

[5]JTG E42-2005,公路工程集料試驗規程[S].北京:人民交通出版社,2005.

[6]JTJ 057-1994,公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].北京:人民交通出版社,1994.

[7]JTJ 034-2000,公路路面基層施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,2000.