水泥穩(wěn)定爐渣碎石的強(qiáng)度性能

劉 棟，李立寒，崔華杰

（同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

生活垃圾焚燒爐渣（以下均簡稱為爐渣）是生活垃圾焚燒發(fā)電廠的燒結(jié)物，其產(chǎn)量約為垃圾質(zhì)量的20%.目前，國內(nèi)爐渣多采用堆置或填埋措施處理，這帶來管理和環(huán)境上的問題.經(jīng)適當(dāng)處理并滿足一定要求［1］的爐渣可作為集料用于道路工程材料，如水泥混凝土、瀝青混合料、路基回填或基層材料等［2］.有關(guān)研究表明：爐渣的主要化學(xué)組成為SiO2，CaO，Al2O3及Fe2O3，一般占到爐渣總質(zhì)量的60%～70%［3］；爐渣具有明顯區(qū)別于天然石料的特性，其強(qiáng)度、密度較低，孔隙率較高［3］；由于爐渣經(jīng)過水淬處理，其在急冷過程中產(chǎn)生的礦物成分處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，因此爐渣在堆放過程中會發(fā)生諸如氧化、分解、沉淀、碳化、酸堿中和等反應(yīng)，礦物學(xué)特性會發(fā)生改變，產(chǎn)生黏土礦物新生物等［4］；爐渣是一種水硬性材料，含有水泥熟料礦物，如C2S，C3A 和C4AF，可用作礦物摻合料或原材料生產(chǎn)水泥［5］.

國內(nèi)對爐渣資源化利用的研究剛剛起步.文獻(xiàn)［6］從爐渣的物理特性、化學(xué)組成上證明了其代替集料的可行性；文獻(xiàn)［7］研究了用于路基回填爐渣的土工性質(zhì)，結(jié)果表明爐渣熟化時間對其土工性質(zhì)存在影響；文獻(xiàn)［8］測試了水泥穩(wěn)定爐渣碎石的強(qiáng)度，但未對其強(qiáng)度性能的影響因素作深入探討.綜上，爐渣作為一種新型的廢舊材料其基本性能還有待研究；爐渣對水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度性能的影響研究還不充分.為此，本文采用爐渣集料（BAA）替代部分天然集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試件，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)測試試件強(qiáng)度性能，探討爐渣集料熟化時間和粒徑、混合料養(yǎng)生齡期和養(yǎng)生溫度、水泥用量對水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度性能的影響，并比較水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度性能與普通水泥穩(wěn)定碎石的差異.

1 試驗(yàn)材料

1.1 原材料

爐渣集料產(chǎn)自上海市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠.爐渣集料的熟化條件為：室內(nèi)，25～30 ℃，通風(fēng)，攤鋪厚度25cm，定時翻動.將爐渣集料篩分為細(xì)粒徑部分（0～9.5mm）與粗粒徑部分（9.5～19.5mm及19.5～31.5mm）.爐渣集料基本性能見表1.

水泥采用江蘇太倉海螺牌32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥.天然集料采用石灰?guī)r碎石，其公稱最大粒徑為26.5mm，基本性能見表1.

表1 集料的基本性能Table 1 Basic properties of aggregates

1.2 混合料

未篩分爐渣集料的級配見表2.石灰?guī)r集料逐級篩分后，按照表2混合料級配，分別與0～9.5mm，9.5～19.5mm 及19.5～31.5mm 粒徑爐渣集料混合，其中爐渣集料的替代量分別為28%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），35%和17%，相應(yīng)水泥穩(wěn)定爐渣碎石混合料代號分別為SWLZ－X，SWLZ－Z和SWLZ－C.普通水泥穩(wěn)定碎石混合料代號為SWSS.水泥用量除特別說明外，均采用4.5%（以占礦質(zhì)混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）.

表2 爐渣集料及混合料級配Table 2 Gradations of BAA and mixture

2 試驗(yàn)方法

2.1 試件制備與養(yǎng)生

采用擊實(shí)試驗(yàn)確定不同混合料的最佳含水量和最大干密度.以最大干密度的98%壓實(shí)成型φ100×100mm 圓柱體試件.試件成型后用塑料薄膜包裹，除特殊說明外，在溫度為25℃、相對濕度為95%的環(huán)境下養(yǎng)生至規(guī)定齡期.

2.2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)方案

爐渣集料壓碎值試驗(yàn)按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0350—2005 進(jìn)行.水泥穩(wěn)定爐渣碎石擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)依據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行.試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用4～5個試件的平均值.

采用不同熟化時間的0～9.5mm 爐渣集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試件，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究試件7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨爐渣集料熟化時間的變化.采用熟化時間為60d的3組不同粒徑爐渣集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試件，然后養(yǎng)生至不同齡期，再通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)研究試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期的變化.采用熟化60d的0～9.5mm 爐渣集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試件，其中水泥用量分別為3.5%，4.5%及5.5%，然后通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)研究水泥用量對試件7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響.采用熟化60d的0～9.5mm 爐渣集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試件，然后分別在10，25℃下養(yǎng)生，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)研究養(yǎng)生溫度對養(yǎng)生7d試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 爐渣集料熟化時間對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

水泥穩(wěn)定爐渣碎石（SWLZ－X）7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料熟化時間的關(guān)系見圖1.由圖1 可見，隨爐渣集料熟化時間的延長，水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；當(dāng)爐渣集料熟化時間為30d時，水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到4.0MPa.

圖1 SWLZ－X無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料熟化時間的關(guān)系Fig.1 Relationship between unconfined compressive strength of SWLZ－X and weathering time of BAA

爐渣集料壓碎值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）隨其熟化時間的變化見圖2.由圖2可見，不同粒徑爐渣集料壓碎值均在30d內(nèi)急劇降低，30d之后變化趨緩.這是因?yàn)闋t渣集料熟化過程中形成新生礦物，如方解石（CaCO3）、鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）等［4］，并且新生礦物填充到爐渣的孔隙中，使得其強(qiáng)度得到提高，壓碎值降低.由于爐渣礦物成分的變化主要發(fā)生在前30d內(nèi)，因此爐渣壓碎值在前30d內(nèi)急劇降低.

圖2 不同粒徑爐渣集料壓碎值隨熟化時間的變化Fig.2 Crushing value（by mass）of different sizes of BAA changing with weathering time

水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料壓碎值之間的關(guān)系見圖3.由圖3可見，水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著爐渣集料壓碎值的降低而增大，表明爐渣集料強(qiáng)度越高則水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高.

圖3 水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料壓碎值的關(guān)系Fig.3 Relationship between 7dunconfined compressive strength of cement stabilized aggregate containing BAA and crushing value（by mass）of BAA

依據(jù)水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨爐渣集料熟化時間增長規(guī)律和JTG D50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中對水泥穩(wěn)定碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求（不低于4.0MPa），爐渣集料熟化時間應(yīng)在30d以上.

3.2 養(yǎng)生齡期對強(qiáng)度的影響

水泥穩(wěn)定爐渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期的變化分別見圖4，5.

圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期的變化Fig.4 Unconfined compressive strength changing with curing time

圖5 劈裂強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期的變化Fig.5 Splitting strength changing with curing time

由圖4可見，隨養(yǎng)生齡期延長，水泥穩(wěn)定爐渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大.SWLZ－X 前期（28d之前）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與SWSS無明顯差異，而后期（28d之后）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長放緩，至90d時SWLZX 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為SWSS的90%左右.SWLZ－Z，SWLZ－C的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均小于4.0 MPa，分別為SWLZ－X 的79%，50%，表明替代碎石的爐渣集料粒徑越大，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越低.

水泥穩(wěn)定爐渣碎石早期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度主要由粗集料形成的嵌擠結(jié)構(gòu)提供，而粗粒徑爐渣集料的強(qiáng)度較低，承受外部荷載時容易發(fā)生破壞.爐渣集料的粒徑越大，強(qiáng)度越低，所能抵抗外部荷載的能力越小，相應(yīng)水泥穩(wěn)定爐渣碎石的早期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越低.

由圖5可見：（1）隨養(yǎng)生齡期延長，水泥穩(wěn)定爐渣碎石劈裂強(qiáng)度增大.（2）SWLZ－X 的劈裂強(qiáng)度大于SWSS.這一方面是因?yàn)闋t渣集料表面比碎石粗糙，有較多孔隙，在混合料拌和過程中，水泥漿滲入爐渣集料表面，提高了爐渣集料與水泥石的黏結(jié)力；另一方面爐渣中活性物質(zhì)在養(yǎng)生過程中發(fā)生水化反應(yīng)，較水泥穩(wěn)定碎石生成更多的水化產(chǎn)物，造成水泥石的強(qiáng)度較高，且爐渣集料粒徑越小活性物質(zhì)含量越高［9］，同時爐渣集料粒徑越小，比表面積越大，反應(yīng)活性也越高，因此劈裂試驗(yàn)過程中使?fàn)t渣集料顆粒與水泥石界面或水泥石破壞需要更大的力.

3.3 水泥用量對強(qiáng)度的影響

不同水泥用量下SWSS 和SWLZ－X 的強(qiáng)度見表3.由表3可見，與水泥穩(wěn)定碎石相似，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度均隨水泥用量的增加呈增大趨勢.

表3 不同水泥用量下SWSS和SWLZ－X的強(qiáng)度Table 3 Strengths of SWSS and SWLZ－X with different cement contents（by mass）

JTG D50—2006規(guī)范推薦水泥穩(wěn)定碎石的水泥用量一般為3.0%～5.5%，最大不超過6.0%.在此水泥用量范圍內(nèi)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可滿足JTG D50—2006規(guī)范中特重交通基層強(qiáng)度要求（3.5～4.5MPa），因此水泥穩(wěn)定爐渣碎石的水泥用量可采用與普通水泥穩(wěn)定碎石相同的范圍.

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d劈裂強(qiáng)度在3.5%水泥用量時與水泥穩(wěn)定碎石相差不大，在4.5%時較高，在5.5%時則略低，這是因?yàn)闋t渣集料活性物質(zhì)及水泥的水化反應(yīng)發(fā)生均存在最佳含水量，且兩者之間又相互影響的緣故.

3.4 養(yǎng)生溫度對強(qiáng)度的影響

不同養(yǎng)生溫度下SWSS 和SWLZ－X 的強(qiáng)度見表4.由表4可見，養(yǎng)生溫度較高時水泥穩(wěn)定碎石和水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度均較高；對于7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，10℃較25℃條件下，水泥穩(wěn)定碎石降低32%，水泥穩(wěn)定爐渣碎石降低12%；對于7d劈裂強(qiáng)度，10℃較25℃條件下，水泥穩(wěn)定碎石降低3%，水泥穩(wěn)定爐渣碎石降低43%.表明養(yǎng)生溫度對水泥穩(wěn)定碎石的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d劈裂強(qiáng)度影響較大.因此，為保證水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度的形成，應(yīng)在養(yǎng)生過程中保證合理的養(yǎng)生溫度.

表4 不同養(yǎng)生溫度下SWSS和SWLZ－X的強(qiáng)度Table 4 Strengths of SWSS and SWLZ－X with different curing temperatures

4 結(jié)論

（1）水泥穩(wěn)定爐渣碎石（SWLZ－X）7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨爐渣集料熟化時間延長而增大，且主要發(fā)生在熟化前30d內(nèi).隨著爐渣集料壓碎值降低，水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高.摻熟化30d爐渣集料的水泥穩(wěn)定碎石（SWLZ－X）7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到4.0MPa.

（2）水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期的延長而提高.養(yǎng)生28d后，水泥穩(wěn)定爐渣碎石（SWLZ－X）的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較水泥穩(wěn)定碎石緩慢.水泥穩(wěn)定爐渣碎石（SWLZX）的劈裂強(qiáng)度高于水泥穩(wěn)定碎石.

（3）爐渣集料的粒徑越小，其強(qiáng)度越高，水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高.

（4）與水泥穩(wěn)定碎石相似，隨著水泥用量的增加、養(yǎng)生溫度的提高，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的強(qiáng)度性能提高.

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