硼灰穩定碎石路用性能分析

王 穎，馬紅全，詹曉松，陳鐵林

(1.黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院，哈爾濱 150050；2.黑龍江省公路工程質量監理咨詢公司，哈爾濱 150001)

硼灰，產自我國東北地區，產量多且集中，是硼鎂礦生產硼砂排出的廢料。堿性極強，其排放之處，寸草不生，大片農田受到污染，使得生態環境遭到嚴重破壞。工業廢料硼灰主要應用于鎂化工產品[1]、農業用肥料和除草劑、做污水處理[2]和煉鋼用添加劑等。

為了解決硼灰的堆積帶來的環境污染，同時也為了使硼礦產業的生產成本降低，黑龍江省教育廳項目“硼灰穩定碎石基層的路用性能試驗研究”研究了硼灰是否能夠代替粉煤灰做道路基層材料修筑道路，這樣不僅可以降低公路工程造價，同時也可以保護環境促進當地經濟的發展。

1 硼灰的物理性質和化學性質

作為道路基層材料，其主要性能就是結合性能，本研究中研究了硼灰的化學成分，并與道路中常用的粉煤灰、石灰做了比較，看其是否具有利用價值。通過研究表明，硼灰是通過排濕的方法從工業高爐中排出，因此濕度大、雜質多、易結塊。實驗室中取其烘干并過1.18 mm篩，發現硼灰易溶于水，密度較小，水底可見大量的不溶水細砂，約占硼灰質量的77.8%。其主要化學成分見表1，把其化學成分與粉煤灰和石灰的成分做了比較，粉煤灰與石灰的成分見表2。

表1 硼灰化學成分 w%

表2 粉煤灰化學成分 w%

從表中可以看出，硼灰與粉煤灰的成分相似，含量不同，說明硼灰在理論上同石灰一起可以作為道路建筑材料使用，具體每種成分的含量多少是否可以代替粉煤灰用作道路基層需進一步研究。

2 含有硼灰的二灰碎石路用力學指標測定

2.1 道路基層材料的強度理論

道路中半剛性基層典型的結構就是二灰碎石，二灰是指石灰和粉煤灰，二灰碎石基層的作用機理是石灰在堿性環境下與粉煤灰活性物質發生反應，反應生成大量膠凝性物質，生成物相互粘連，膠織在一起，形成具有一定強度的致密結構，而且該反應在水分的條件下能夠持續進行，其宏觀表現就是強度隨齡期而增長。在基層中，要求這些材料要有足夠的強度和粘結力，二灰碎石混合料強度形成包括以下幾個方面：第一，具有足夠的粘結力。二灰主要為混合料提供粘結成分。第二，具有較高的強度和較好的抗收縮性。將細集料砂和水摻入二灰中，形成砂漿。在一定的摻配比例下，砂可以改善二灰的性能，使得混合料具有較高的強度、較好的抗收縮性能。第三，具有整體穩定性。碎石在混合料中緊密排列形成良好的骨架結構，而砂漿又可以填充骨架的空隙，并粘結成一個穩定的骨架結構，使其具有較高的強度，較好的穩定性和耐久性[3]。

2.2 無側限抗壓強度測定

在以往的經驗中，二灰碎石的配合比中二灰∶集料為20∶80，石灰∶粉煤灰為1∶3，外加劑2%。本次研究做了石灰粉煤灰碎石，石灰硼灰碎石、石灰粉煤灰硼灰碎石三種混合料的擊實和無側限實驗[4]，選用外加劑的劑量均為2%，其結果見表3。

表3 硼灰與粉煤灰的無側限抗壓強度對比表

從上述實驗結果來看，用硼灰代替粉煤灰后，無側限抗壓強度會有所下降，但隨著石灰量的增加，強度會增大，增大到3∶0∶3時會下降；實驗中又考慮到粉煤灰的細度的作用，所以實驗中又在石灰硼灰碎石中加入了部分粉煤灰，發現加入粉煤灰后強度會增加，尤其在三者比例為1∶2∶3時強度達到頂峰，說明只含有硼灰和石灰的穩定結合料與含有硼灰、石灰、粉煤灰的穩定結合料相比，結合料試件的強度前者要明顯弱于后者。說明硼灰與石灰結合后穩定碎石的作用是弱于粉煤灰與石灰的結合，但如果單純從無側限抗壓強度角度來講，這種材料可以用于道路基層當中。

3 其他路用指標測定

通過對硼灰的化學成分分析可知，硼灰易溶于水，水穩定性較差，但是由于二灰碎石具有使用效果好、應用范圍廣及施工簡便等特點，特別是在路面翻漿的防治方面，二灰碎石一直發揮著重要的作用。為了進一步驗證硼灰的使用效果，本次研究在無側限強度滿足要求的前提下又進一步研究了石灰硼灰碎石的抗凍性、劈裂強度、彈性模量[4]等路用性能。

研究中把1∶3∶0的二灰(石灰、粉煤灰)碎石和1∶2∶3的三灰(石灰、粉煤灰、硼灰)碎石分別作了抗凍融試驗、劈裂試驗、抗壓回彈模量試驗，實驗中測試劈裂強度、回彈模量與凍融強度的試件尺寸均為φ15 cm×h15 cm圓柱形試件，制件時以1∶3∶0的二灰(石灰、粉煤灰)碎石和1∶2∶3的三灰(石灰、粉煤灰、硼灰)碎石做配合比，每組制取6個試件，作為平行試件，測試抗彎拉強度的試件尺寸為10 cm×10 cm×10 cm長方形小梁試件，每組制作3個平行試件。試件制作及實驗過程嚴格遵守現行《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTJ E51-2009)[5]及《公路路面基層施工技術規范》(JTJ034-2000)[6]，實驗結果見表4。

表4 二灰碎石與三灰碎石路用性能指標 MPa

3.1 劈裂強度實驗結果分析

抗拉強度是評價半剛性材料力學性能的最直接的指標，而劈裂強度是間接地測無機結合料碎石力學性能的重要指標之一。從實驗結果可知劈裂強度隨齡期的增長，其強度也在增長，但是前期增長較慢，后期增長較快；同時，摻加二灰的碎石劈裂強度無論是28 d的齡期還是90 d的齡期，其強度值都弱于三灰碎石。

3.2 回彈模量實驗結果分析

基層選擇材料時，應選擇剛度(回彈模量)適中，且應與面層的剛度相適應的材料。若選擇的材料剛度過小，面層剛度過大，則會由于過大的拉應力或拉應變而出現開裂破壞；若選擇的材料剛度過大，則容易因干縮和溫縮而產生開裂破壞，影響基層的抗裂性能[7]。穩定碎石類基層材料的回彈模量不僅與組成材料本身的模量有關，同時也與反應后生成物的模量有關，從數據顯示，二者在反應初期所測模量接近，是由于混合料尚未形成整體，還處于松散狀態，但隨著膠結物的逐漸增多，整體結構不斷增強[8]，剛度明顯增大，尤其三灰碎石增長迅速。

3.3 凍融循環實驗結果分析

上表中把兩種配比的碎石經過5次凍融循環后，測其90 d后的無側限抗壓強度，從數據顯示，經過凍融循環后，強度均有所下降，但下降的幅度不同，說明材料配比不同凍融的作用亦不同，經計算二灰的凍融系數為0.375，三灰的凍融系數為0.674，雖然都滿足低等級公路基層凍融強度應大于1 MPa的要求，但三灰要優于二灰。

4 討論與結論

以成熟的道路基層材料二灰(石灰與粉煤灰)碎石作為基礎，在硼灰完全代替粉煤灰的二灰碎石中，雖然都有外加劑的摻入，但石灰硼灰碎石與石灰粉煤灰碎石相比，其早期的無側限強度，尤其是7 d和28 d的強度并無太大差別，可后期(90 d)卻有著較大的差別，而現行《公路路面基層施工技術規范》(JTJ034-2000)中，對各級公路的穩定碎石混合料基層唯一指標就是7 d無側限飽水抗壓強度≥0.8 MPa[4](二級以下)，單純從強度角度來說，硼灰完全可以代替粉煤灰。從道路的使用功能角度出發，要求道路具有一定的耐久性，這也要求作為基層的材料應滿足道路使用的耐久性，同時也為了防止面層反射裂縫[9]的發生，通常驗算基層材料的劈裂強度，抗壓回彈模量、抗凍融強度等[10-11]，因此在石灰硼灰碎石滿足無側限強度的前提下，通過測試其路用性能指標(劈裂強度、回彈模量、凍融系數)來驗證這種材料的合理性與可行性，路用性能指標的測試實驗結果說明，硼灰在完全代替粉煤灰時，雖然各項指標能滿足要求，但同粉煤灰相比，各項結果明顯弱于有粉煤灰參與的穩定碎石材料，可見硼灰代替部分粉煤灰做基層材料是可行的，實驗表明，三灰(石灰、粉煤灰、硼灰)比例在1∶2∶3時，無論是強度指標還是路用性能指標都是最佳的。

【參 考 文 獻】

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[4]程英偉，湯 捷.高等級公路半剛性基層瀝青路面開裂的機理分析及防治[J].公路交通技術，2004(6)：39-42.

[5]中華人民共和國標準《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTJ E51-2009)[S].北京：人民交通出版社，2009.

[6]中華人民共和國標準《公路路面基層施工技術規范》(JTJ 034 2000)[S].北京：人民交通出版社，2000.

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