廢棄木質碎料應用于道路鋪裝材料的力學性能研究

邱泰瑞 毛小軒 王云龍 孫 毅

(東北林業大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

由于森林資源的日益枯竭，各國不斷探索廢舊木材回收利用技術。日本將木質碎料作為一種新型的道路鋪裝材料，由于其經濟環保、輕質節能的優點在人行道、公園和廣場等場所得到了廣泛應用。國內學者曹冰冰對水泥基木質碎料道路鋪裝材料進行了力學性能進行測試和分析[1]。高昱在研究中提出木質纖維在干混砂漿中具有提高砂漿的初期抗開裂性、降低砂漿的失水率及干縮率的功能[2]。法國學者Pascale Coatanl提出用水玻璃溶液浸泡木質碎料可以解決木質碎料與水泥的粘聚性不好的問題[3]。

國內學者馮德成等從緩解城市熱島效應的角度提出保水式和熱阻式路面材料[4]，黃衛東等從發展海綿城市的概念中提出自冷式混凝土路面[5]，而木質纖維具備這些研究所要求的良好的保水性和阻熱性。同時，木質碎料質輕柔軟，彈性較大，道路鋪裝材料中摻入木質碎料能夠在行走時提供較好的舒適性。因此，將廢舊木質碎料作為節能環保的新型道路鋪裝材料具有進一步發展和研究的價值。

我們結合國內外現有的摻入木制碎料的新型鋪裝材料的研究分析，采用水玻璃溶液浸泡木質碎料至飽和的方法，并在實驗試件中摻入減水劑，通過對不同配合比的水泥基木質碎料試件不同養護齡期的力學性能進行試驗和分析，從而進一步了解此類新型道路鋪裝材料的特性。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

實驗所用水泥為天鵝牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，砂采用粒徑范圍在0.075 mm～0.6 mm之間的普通河砂，經實驗室篩分析法測定細度模數為2.84，屬中砂(細度模數3.0～2.3)。水玻璃采用市售密度40°Be的水玻璃溶液，減水劑采用聚羧酸系減水劑。廢棄木質碎料取自哈爾濱市天安木材廠，平均長約1 cm，寬0.5 cm，呈柔軟長條狀，經實驗室在60 ℃恒溫下烘干24 h至恒重，測定木制碎料的含水率為55.2%，見圖1。

1.2 試驗方法

本實驗選取兩組變量，通過參考現有相關文獻，保持水灰比為1.36不變，改變灰集比和木砂比，對7 d,14 d,28 d齡期的試件進行抗壓強度試驗。

1.3 試件制備

制備試驗試件要考慮木質碎料的高含水率，取用水玻璃溶液加水稀釋至100 g/L，并放入廢棄木料浸泡24 h，去除雜質瀝干備用(水玻璃溶液被水稀釋后濃度不大可近似為水的質量)。砂經實驗室在105 ℃恒溫下烘干24 h至恒重備用。通過前期預實驗發現當控制灰集比在0.35～0.45之間、木砂比大于1/8時，所有試件均無法成形，同時未經水玻璃溶液浸泡的木質碎料制成的試件也均未成形。減小木砂比，選擇木砂比1/11，1/12，1/13，1/14，1/16，1/18，灰集比0.35，0.40，0.45，參照實驗規范，選用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的帶底塑料試模，將混合料放入水泥砂漿攪拌機內進行充分攪拌后倒入標準試模中，通過振搗臺充分振搗，放置24 h后凝結脫模，放入養護室分別進行7 d,14 d,28 d的養護(養護溫度20 ℃±1 ℃，相對濕度大于90%)。

2 試驗結果分析

試驗選取相同配合比制備較優組試件，分別對其養護至7 d,14 d與28 d后進行抗壓強度測試(試件抗壓強度值見表1)，繪制養護齡期對抗壓強度的影響曲線如圖2，圖3所示。

2.1 不同木砂比時養護齡期對抗壓強度的影響

根據試驗數據分析發現，在灰集比一定、木砂比不同時，所有配合比的試件抗壓強度普遍呈現隨養護齡期增加而上升的趨勢，且14 d與28 d時抗壓強度數值相近，并大于養護齡期為7 d時的抗壓強度，從圖3中可以清晰看出絕大部分配合比的試件在14 d內抗壓強度增長速度很快，但同時發現部分配合比的試件在28 d時甚至在14 d時抗壓強度略有下降，這種現象在灰集比為0.35時尤為明顯。

考慮試件早強性主要與水玻璃溶液提前浸泡木質碎料有關，水玻璃與水泥接觸會發生化學反應，具有粘結、速凝和早強的作用，此外木質素同樣具有早強效應，因此在14 d左右，大部分試件的抗壓強度會達到或接近28 d時試件的強度。此外，木質碎料的摻入會導致試件孔隙率增加，長時間在潮濕環境中養護致使試件孔隙中充滿水分，最終可能會使部分試件出現養護齡期增加而抗壓強度略有降低的現象。

表1 各控制因素下不同齡期的試件抗壓強度

2.2 不同灰集比時養護齡期對抗壓強度的影響

根據試驗數據分析發現，灰集比為0.35和0.45時，試件強度普遍隨養護齡期增長呈現先上升后下降的趨勢且灰集比為0.45時普遍低于其他灰集比時的強度；灰集比為0.40時，試件強度普遍隨養護齡期增長而上升或趨于穩定且普遍高于其他灰集比時的強度。由此可發現，灰集比過高或過低都會使試件強度出現隨養護齡期增長而下降的現象。

當灰集比較小時，木質碎料相對較多接觸面積增大，水泥漿無法完全包裹集料同時產生較多空隙，在后期養護時強度會有所下降；灰集比過大時，水泥含量相對較多考慮木質碎料具有強吸水性導致部分水泥無法充分水化，水泥凝結作用不佳進而導致試件抗壓強度在達到峰值后下降。

3 結語

1)在灰集比一定、木砂比不同時，所有配合比的試件抗壓強度普遍呈現隨養護齡期增加而上升的趨勢且14 d強度接近28 d強度，考慮水玻璃及木質素作為早強劑促進了試件在早期強度的發展。2)灰集比過高或過低都會使試件強度出現隨養護齡期增長而下降的現象，考慮木質碎料的比例起到了決定性因素。3)水泥基木質碎料作為一種剛剛起步的新型節能環保型道路鋪裝材料，本文僅就抗壓強度這一力學性質進行試驗分析，其耐久性、舒適性、施工和易性以及適應未來發展海綿城市概念的熱阻性及蓄水性等問題都有待于進一步的試驗研究。