新型粉煤灰激發劑在路面基層中應用的研究

董鶴 孫闖 岳嫣

1 概述

水泥是當今建筑業使用最為廣泛的膠凝材料,但其生產過程中消耗了大量的土地資源和能量,同時對其周邊環境造成了很大的污染。為了解決上述問題,近些年來一些具有水化活性的工業副產品,如粉煤灰、礦渣等按照一定的比例摻加到水泥中,既可以滿足水泥使用的要求,又利用了大量的工業副產品,從而減小了其對周邊環境的污染[1]。

研究表明,粉煤灰能與水泥水化產生的Ca(OH)2發生二次水化反應,但在常溫下這種反應過程非常緩慢,使水泥早期強度過低,造成粉煤灰的利用率一直很低。大量的研究事實認為:粉煤灰的活性是“潛在”的,它需要一定條件的激發。這是因為:粉煤灰與水泥熟料等類的無機鹽膠凝材料,在礦物組成、結構和性能方面,都有很大的不同,它本身沒有膠凝性能。但是粉煤灰是具有一定潛在化學活性的火山灰材料,在常溫、常壓下和有水存在時,它所含的大量鋁酸鹽玻璃體中的活性組分,具有能與Ca(OH)2發生火山灰反應,并生成具有強度的膠凝物質,所以粉煤灰具有一定的膠凝性能。基于粉煤灰的潛在的活性,找到激發其活性的方法,使得粉煤灰的活性提早顯現出來,將其摻入水泥中,部分替代水泥或是作為原料直接用于水泥的生產中,改善水泥早期強度。同時節約能源,減少環境污染[2]。

因此,本文對新型粉煤灰激發劑在水泥粉煤灰穩定風積砂作為路面基層材料中應用的研究是有現實意義和應用價值的。

2 試驗原材料及性質分析

1)風積砂土的性質。試驗中風積砂取于遼寧省阜新市彰武縣。各項指標見表1。

表1 風積砂土的物理性質指標

2)粉煤灰性質。試驗中粉煤灰取自阜新市發電廠的排灰。粉煤灰各項指標見表2。

表2 粉煤灰的化學組成 %

3)激發劑性質。本文采用吉林市天建材有限公司生產的JH-I型粉煤灰激發劑。激發劑技術指標如表3所示。

表3 激發劑技術指標 %

3 試驗研究

本文選取水泥、粉煤灰、碎石、風積砂土作為影響因素,并根據均勻設計表安排試驗,進行路面基層穩定土的擊實試驗和無側限抗壓強度試驗,試驗結果見表4。

表4 穩定土測量結果綜合表

4 試驗數據的回歸優化

本文的試驗采用均勻設計理論,有四個影響因素,屬于多因素試驗,回歸分析是一項非常重要的工作。均勻設計的布點法是使試驗點在多維空間中均勻分布,但不具有正交設計的整齊可比性,無法對數據進行直觀分析,需借助于軟件建立模型[4]。本文中分別采用SPSS軟件進行回歸分析。

通過SPSS軟件中的逐步回歸分析方法,用 x1表示水泥用量,x2表示粉煤灰用量,x3表示碎石用量,x4表示風積砂用量,Rc7表示7 d無側限抗壓強度,得到如下的回歸方程與回歸參數:

Rc7=0.052 367 941-0.002 026 466x1+0.000 418 457x2+0.017 007 834x3-0.007 252 504x4+0.000 000 487 727x1×x2+0.000 002 328 46x1×x3+0.000 000 537 486x1×x4-0.000 002 660 51x12+0.000 000 982 441x22-0.000 003 373 87x32+0.000 000 537 393x42(1)

R squared=1-Residual SS/Corrected SS=0.980 73。

經過分析研究,我們選取了無側限抗壓強度和回彈模量都能滿足要求的第9組試驗的配合比作為水泥粉煤灰穩定風積砂的最佳配合比:水泥(g)∶粉煤灰(g)∶碎石(g)∶風積砂(g)=10%∶4%∶30%∶55%。

5 對比試驗

5.1 對比試驗安排

為了更好地研究分析該新型粉煤灰激發劑的激發效果,這里又進行了幾組對比試驗。即對某一組試驗,水泥、粉煤灰、碎石、風積砂土的用量不變,改變激發劑的用量,進行無側限抗壓強度試驗,對比其強度大小。同時,將粉煤灰換成同等用量的水泥,其余材料用量不變(不加激發劑),測定其無側限抗壓強度,與加入粉煤灰的試樣進行比較。這里需要注意的是,在添加激發劑的試驗中,令激發劑充分溶解后再擊實成形,使激發劑的激發效果可以充分發揮。

5.2 對比試驗結果

試驗結果見表5。

表5 對比試驗結果 MPa

5.3 對比試驗結論

1)不添加激發劑時(每組序號為1的項),粉煤灰的活性沒有被充分發揮,主要充當膠凝材料的為水泥,與加入激發劑的試樣相比抗壓強度低;

2)加入部分激發劑時(每組序號為2的項),與不加激發劑相比,試樣抗壓強度有明顯增加,表明粉煤灰的潛在活性被有所激發,表現出膠凝性能;

3)繼續增加激發劑用量(每組序號為3,4,5,6的項),試樣抗壓強度也隨之增長,當激發劑添加到0.8%時,抗壓強度基本達到最高,再繼續增加用量,抗壓強度無明顯變化,表明此時用量為最佳摻量,達到該激發劑激發粉煤灰活性的最好效果。

6 結語

1)對原材料水泥、粉煤灰、激發劑、碎石和風積砂土等性質進行分析。粉煤灰具有潛在活性,用激發劑來激發其活性,達到部分替代水泥的目的;

2)運用均勻設計理論,選用均勻設計表U12(124)確定試驗配合比,以水泥、粉煤灰、碎石和風積砂四個變量作為影響因素,激發劑用量為推薦用量。進行擊實后將試件養生7 d,得到抗壓強度試驗結果,試驗中易造成激發劑不充分溶解,而影響試件強度,此外可能也與激發劑的激發效果有關。運用SPSS軟件進行回歸分析能達到較好結果,對實際工程施工有一定的指導意義。因此,在缺乏天然砂粒的風積砂地區應用水泥粉煤灰來穩定風積砂作為路面基層材料,可以做到就地取材,降低工程造價;

3)對激發劑用量進行對比試驗,得到激發劑的最佳摻量,并將最佳摻量的抗壓強度與將粉煤灰替換為同等用量的水泥進行對比,發現強度相差較小,表明激發劑可達到較好的激發效果。

[1] 向 新.我國粉煤灰利用研究的進展[J].粉煤灰綜合利用,1999(2):50-53.

[2] 方軍良,陸文雄,徐彩宣.粉煤灰的活性激發技術及機理研究進展[J].上海大學學報(自然科學版),2002(3):256-259.

[3] 智翠梅.均勻設計及優化[J].均勻設計及優化,2007(3):7-10.

[4] 徐培華,王安玲.公路工程混合料配合比設計與試驗技術手冊[M].北京:人民交通出版社,2001.