干濕循環(huán)作用下固廢復(fù)合路基材料應(yīng)用性能研究

覃莉

摘要：我國是一個資源和工業(yè)大國，工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的工業(yè)固體廢棄物：目前處理措施主要是將其作為路基材料應(yīng)用在道路工程之中，而干濕循環(huán)作用對路基材料的耐久性有不利影響。文章通過室內(nèi)試驗研究四種固體廢棄物（赤泥、煤矸石、粉煤灰和爐渣）混合而成的復(fù)合材料工程特性，通過無側(cè)限抗壓強度得到各原材料質(zhì)量分數(shù)的最佳比例，并對最優(yōu)比例試樣進行干濕循環(huán)試驗。結(jié)果表明：礦渣摻量為5%的試樣經(jīng)歷20次干濕循環(huán)后強度仍能滿足規(guī)范要求;經(jīng)過離子濃度檢測證明復(fù)合材料的環(huán)境無害性。

關(guān)鍵詞：固體廢棄物;強度;路基材料;最佳比例;環(huán)境無害性

0 引言

我國是一個資源和工業(yè)大國，各種資源如氧化鋁、生鐵和煤炭等生產(chǎn)量很大。但是這些資源的生產(chǎn)過程都有一個共同的特點，即會產(chǎn)生很多的有害物質(zhì)，如固體廢棄物：采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程中會直接產(chǎn)生大量的赤泥[1-2];采煤和洗煤過程中會產(chǎn)生煤矸石;煤炭燃燒過程中會產(chǎn)生微小粒徑的粉煤灰以及生鐵制造過程中產(chǎn)生爐渣等。這些廢棄物目前并沒有得到很好的利用，不斷的堆積不僅會造成生態(tài)環(huán)境的破壞，也會給人們的生活帶來巨大的困擾[3-4]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)在2016年我國的赤泥和煤矸石的生產(chǎn)量就已經(jīng)達到了3.5億t和6.8億t[5-7]。

國外對于這些固體廢棄物的應(yīng)用研究相對較早，因此利用率相對較高。從以往的研究發(fā)現(xiàn)[8-9]，以上固體廢棄物主要的用途集中在路基材料，這樣不僅能夠節(jié)約大量的成本，還能保護生態(tài)環(huán)境。但是路基材料需要滿足規(guī)范制定的相關(guān)要求，如強度、耐久性和環(huán)境無害性等[10-11]。

本文將赤泥和煤矸石作為主要原材料，加入少量其余固體廢棄物，按照一定的比例混合，通過室內(nèi)試驗研究得到最佳的混合比例。為了研究復(fù)合材料能否滿足路基材料規(guī)范要求，通過對材料的無側(cè)限抗壓強度、干濕循環(huán)后強度和質(zhì)量損失率以及離子濃度等進行研究。

1 試驗設(shè)計及原材料

1.1 原材料

試驗所用原材料以及化學成分如下頁表1所示。從表中可以看出各原材料的主要化學成分，且均滿足路基規(guī)范中對原材料的相關(guān)要求。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)以往的研究經(jīng)驗，在試驗過程中，首先將顆粒粒徑較小的赤泥和粉煤灰混合并磨碎，然后將顆粒粒徑較大的煤矸石搗碎，并按照三個不同的粒徑將其分開，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范按照一定的級配和含水率將三者和水混合在一起，為了便于成型，加入少量的水泥。其中赤泥和粉煤灰質(zhì)量分數(shù)為75%，粉煤灰和爐渣總的質(zhì)量分數(shù)為18%～24%，水泥的質(zhì)量分數(shù)為1%～7%。

為了綜合考慮材料的性能和經(jīng)濟效益，需要對水泥和爐渣的摻量進行研究。固定爐渣摻量為5%，水泥摻量分別選取1%、3%、5%和7%，將試樣養(yǎng)護7 d后進行無側(cè)限抗壓強度試驗。根據(jù)試驗結(jié)果選取最優(yōu)的水泥摻量，再將爐渣的摻量設(shè)置為2%、5%和8%，分別測量在養(yǎng)護時間為7 d時，不同爐渣摻量試樣的無側(cè)限抗壓強度，以及在經(jīng)歷不同干濕循環(huán)時間后，不同爐渣摻量試樣的質(zhì)量強度損失率。最后通過對最優(yōu)配比下復(fù)合材料離子濃度檢測，得到各離子濃度，驗證復(fù)合材料是否滿足路基材料規(guī)范要求。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水泥摻量對強度的影響

通過對含有不同水泥質(zhì)量分數(shù)的試樣進行抗壓強度試驗，得到的結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，隨著水泥摻量的增加，復(fù)合材料的強度逐漸升高，當水泥摻量達到3%時，強度為6.38 MPa，能達到規(guī)范要求，且強度增長的速率明顯降低，因此考慮到經(jīng)濟效益，將水泥的最優(yōu)摻量定為3%。

2.2 礦渣摻量對強度的影響

根據(jù)上述試驗結(jié)果，將水泥摻量定為3%，對含有不同礦渣質(zhì)量分數(shù)的試樣進行抗壓強度試驗，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，隨著齡期的增加，三組試樣的強度均是逐漸增加的，且強度增長最快時是在早期，當齡期達到一定時間后，強度表現(xiàn)為平穩(wěn)增長，養(yǎng)護時間達到28 d時，礦渣摻量為2%、5%和8%的復(fù)合材料無側(cè)限抗壓強度分別為7.05 MPa、9.97 MPa和10.48 MPa，可見2%摻量時強度明顯低于其余兩組摻量，但是其余兩組摻量的強度相差較小，說明隨著礦渣摻量的繼續(xù)增加，復(fù)合材料強度上升并不明顯。因此從強度和經(jīng)濟上分析，認為礦渣的最優(yōu)摻量為5%。

2.3 干濕循環(huán)下礦渣摻量對材料的影響

由于降雨和晝夜溫差等眾多因素，路面材料經(jīng)常會處于干濕循環(huán)作用下，路面在經(jīng)歷干濕循環(huán)時，內(nèi)部水分的散失和成分及結(jié)構(gòu)的變化會嚴重影響材料的耐久性，主要表現(xiàn)為水分散失材料出現(xiàn)干縮裂紋，材料內(nèi)部成分和結(jié)構(gòu)改變直接影響材料的承載能力。因此研究在干濕循環(huán)作用下復(fù)合材料的強度和質(zhì)量變化對于研究復(fù)合材料的耐久性具有重要意義。

選擇三種不同礦渣摻量的復(fù)合材料，養(yǎng)護時間為28 d，對其進行干濕循環(huán)試驗，將試樣放置在水中完全浸泡，稱為一次濕過程，隨后將試樣放置在烘箱中烘干42 h，烘干溫度設(shè)置為70 ℃，將烘干后的試樣放置在空氣中冷卻1 h，烘干和冷卻稱為一次干過程，一次濕過程和干過程為一次干濕循環(huán)。測試不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣的無側(cè)限抗壓強度和質(zhì)量，以此研究干濕循環(huán)對復(fù)合材料的影響。

不同干濕循環(huán)次數(shù)下含有不同礦渣質(zhì)量分數(shù)的試樣的抗壓強度和質(zhì)量變化結(jié)果如圖3～4所示。從圖3中可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同礦渣摻量試樣的無側(cè)限抗壓強度均表現(xiàn)為先增加后減小，轉(zhuǎn)折點為干濕循環(huán)次數(shù)為3時;在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，試樣的強度隨著礦渣摻量的增加而增加，當摻量為2%時，強度較低，摻量為5%和8%時，強度十分接近，當干濕循環(huán)次數(shù)達到20次時，礦渣摻量為5%的試樣強度仍然在6 MPa左右，滿足路基材料規(guī)范的要求。強度前期出現(xiàn)增加的原因主要是在水中能促進水化反應(yīng)的進行，而在干燥過程時，溫度的升高也能促進水化反應(yīng)的快速發(fā)展，因此表現(xiàn)為強度逐漸增加。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，試樣在干濕循環(huán)作用下，結(jié)構(gòu)也被破壞，后期結(jié)構(gòu)破壞程度較大，綜合表現(xiàn)為強度逐漸下降。

從圖4可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同礦渣摻量試樣的質(zhì)量損失率整體上表現(xiàn)為逐漸增大的過程，干濕循環(huán)次數(shù)從1到3時，質(zhì)量出現(xiàn)增大，這主要與前期干濕循環(huán)促進水化反應(yīng)有關(guān)，后期結(jié)構(gòu)破壞，內(nèi)部水分散失等導(dǎo)致試樣質(zhì)量不斷降低，但是當干濕循環(huán)次數(shù)達到15次時，質(zhì)量逐漸趨于穩(wěn)定。在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，礦渣摻量越大，質(zhì)量損失越小，但是彼此相差不大。

綜合上述分析可知，礦渣摻量>5%時，對于復(fù)合材料抵抗干濕循環(huán)有較好的效果，但是隨著摻量的繼續(xù)增加，效果并不是特別好，因此綜合考慮，選取礦渣摻量為5%，與未經(jīng)歷干濕循環(huán)時試樣無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果相吻合。

2.4 復(fù)合材料環(huán)境無害性

選取以上各原材料的最優(yōu)摻量重新制備試樣進行離子濃度檢測，將試樣浸泡在蒸餾水中一段時間，然后對溶液中的離子濃度進行檢測，主要包括鈉離子和部分有害重金屬離子。經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，浸泡90 d后，溶液中鈉離子濃度為49.8 mg/L，符合國家相關(guān)標準，且溶液中未檢測出Zn、Hg、Cu、Pb和Ni等離子，說明復(fù)合材料對環(huán)境并無害。

3 結(jié)語

通過室內(nèi)試驗對固廢復(fù)合材料進行工程特性研究，得到如下結(jié)論：（1）各原材料質(zhì)量分數(shù)比例為赤泥∶煤矸石∶粉煤灰∶爐渣∶水泥=30∶45∶17∶5∶3;（2）在最優(yōu)比例下，養(yǎng)護7 d和經(jīng)歷20次干濕循環(huán)后試樣強度均能滿足規(guī)范要求;（3）經(jīng)過離子濃度檢測發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料對環(huán)境并無害。固廢復(fù)合材料具有環(huán)保、經(jīng)濟的特殊優(yōu)勢，有著良好的應(yīng)用前景。

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