煤氣化渣水泥穩(wěn)定碎石基層材料性能研究

盛燕萍，冀欣，徐剛，路再紅，胡玲，陳華鑫

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710064；2.交通鋪面材料教育部工程研究中心,陜西 西安 710064；3.包頭交通投資集團(tuán)，內(nèi)蒙古 包頭 014030；4.內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

煤炭是我國主要的能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)煤炭高效清潔利用的重要途徑是煤氣化技術(shù)[1-2]。煤氣化每年產(chǎn)生的廢渣量達(dá)85萬t，占產(chǎn)渣總量的95%[3]。煤氣化渣中含有豐富的SiO2和Al2O3，其與硅酸鹽水泥熟料的主要化學(xué)組成相同，具有較好的水化活性和火山灰活性[4]。公路建設(shè)采用的半剛性基層材料需要用到大量的硅酸鹽水泥[5-8]，如果將煤氣化渣取代部分水泥熟料用于道路基層材料中，將十分具有研究價(jià)值。本文在前期研究確定出水泥中摻入球磨后煤氣化渣最佳摻量的基礎(chǔ)上，對(duì)其水泥穩(wěn)定碎石基層材料在不同養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和收縮特性等性能研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

集料，選用陜西省禮泉縣石料廠產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，其技術(shù)指標(biāo)見表1，級(jí)配見表2；硅酸鹽水泥PC32.5，密度為3.14 g/cm3，其化學(xué)組成和技術(shù)指標(biāo)分別見表3和表4；球磨后的煤氣化渣粒度分布和物理指標(biāo)分別見表5和表6，化學(xué)成分見表7。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of aggregate

表2 集料級(jí)配Table 2 Aggregate gradation

表3 水泥化學(xué)組成Table 3 Chemical composition of clinker

表4 水泥技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical index of cement

表5 煤氣化渣粒度分布Table 5 Particle size distribution of coal gasification slag

表6 煤氣化渣物理指標(biāo)Table 6 Physical indexes of coal gasification slag

表7 煤氣化渣化學(xué)組成Table 7 Chemical composition of coal gasification slag

PM4L行星式球磨機(jī)；BT-9300ST激光粒度分析儀；S-4800掃描電子顯微鏡；D8 ADVANCE X射線衍射儀；1800ASF(E) X射線熒光光譜儀；TYE-300B壓力試驗(yàn)機(jī)；DKZ-5000電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)；SGC-350X水泥干縮試驗(yàn)箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，煤氣化渣球磨后摻量為20%時(shí)，煤氣化渣水泥砂漿綜合性能最佳。本文首選取3%,4%,5%,6%,7%等5組煤氣化渣水泥摻量，以及選取4%,5.5%,6%,6.5%,7%等5組含水量，按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—09)[9]進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定出最佳煤氣化渣水泥摻量，進(jìn)而根據(jù)最佳煤氣化渣水泥摻量和最佳含水率成型半剛性基層試件。對(duì)在不同養(yǎng)護(hù)溫度及變溫條件下養(yǎng)護(hù)的煤氣化渣水泥基層試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、收縮特性等性能測試。同時(shí)，采用掃描電鏡(SEM)和X-射線衍射儀(XRD)分析煤氣化渣對(duì)水泥水化的作用機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥用量確定

含水量與干密度的關(guān)系見圖1。最佳含水率最大干密度的不同煤氣化渣水泥用量的穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖2。

圖1 含水量-干密度曲線圖Fig.1 Moisture content-dry density curve

圖2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of compressive strength

由圖1可知，煤氣化渣水泥基層混合料最佳含水量與最大干密度均隨煤氣化渣水泥摻量的增加而呈現(xiàn)上升趨勢，一方面主要是因?yàn)槊簹饣鄵搅吭龃髸?huì)使其水化程度增大，煤氣化渣水泥水化需要消耗一定數(shù)量的水。另一方面，煤氣化渣相對(duì)水泥來說，具有更高的吸水率和大的比表面積，相同質(zhì)量的煤氣化渣和水泥，煤氣化渣會(huì)吸收更多的水分，從而導(dǎo)致混合料最佳含水量有所增加。煤氣化渣水泥摻量增加，混合料密實(shí)度有所增加，從而使得最大干密度有所增加。

由圖2可知，隨著煤氣化渣水泥用量的增加，各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有所增加，但強(qiáng)度增長幅度較小；當(dāng)水泥用量大于5%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增漲幅度相對(duì)有所減緩。當(dāng)煤氣化渣水泥用量為5%,6%,7%時(shí)，滿足規(guī)范JTGT F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[10]輕交通中高速公路和一級(jí)公路的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度3～5 MPa。考慮到煤氣化渣水泥摻量增多會(huì)影響基層材料的收縮和加大成本，所以推薦煤氣化渣水泥用量為5%。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)膠凝材料穩(wěn)定碎石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，以5%的煤氣化渣水泥劑量和6.14%的含水率成型半剛性基層試件。在不同養(yǎng)護(hù)溫度和相對(duì)濕度在95%以上的條件下對(duì)試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，分別測試3，7，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度并與PC32.5水泥比較，結(jié)果見圖3。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)溫度下抗壓強(qiáng)度隨齡期變化圖Fig.3 Diagram of compressive strength changing with age at different curing temperatures(a) PC32.5水泥碎石;(b) 煤氣化渣水泥碎石

由圖3可知，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長而不斷增加，前期增長速度較快，后期增長速度逐漸趨于平緩；養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)膠凝體系穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較為顯著，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的降低，膠凝體系穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度有所減小。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度下，對(duì)照組3,7,28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)組高約3.78%,2.20%,5.46%。與7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比，煤氣化渣水泥和PC32.5水泥28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長幅度分別為60.99%,66.13%。可知，煤氣化渣水泥與PC32.5水泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長幅度較為一致，但強(qiáng)度略低于PC32.5水泥，這是由于適宜的養(yǎng)護(hù)溫度會(huì)促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，煤氣化渣中低含量的CaO一定程度上會(huì)對(duì)基層抗壓強(qiáng)度造成影響；煤氣化渣殘?zhí)剂枯^多且活性不高，會(huì)對(duì)礦物相的聚合起到阻礙作用，進(jìn)而影響水化的進(jìn)行；另外，煤氣化渣吸水會(huì)阻礙煤氣化渣水泥水化，使整體結(jié)構(gòu)疏松多孔，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。但煤氣化渣水泥穩(wěn)定碎石在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下能夠達(dá)到規(guī)范中的基層強(qiáng)度要求，可以推薦煤氣化渣水泥用于道路基層。

2.3 劈裂強(qiáng)度

煤氣化渣水泥碎石劈裂強(qiáng)度測試結(jié)果見圖4。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)溫度下劈裂強(qiáng)度隨齡期變化圖Fig.4 Diagram of splitting strength changing with age at different curing temperatures(a)PC32.5水泥碎石;(b)煤氣化渣水泥碎石

由圖4可知，劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相似。從3～7 d齡期期間，試驗(yàn)組和對(duì)照組劈裂強(qiáng)度增長速度均較快，7～28 d齡期之間，試驗(yàn)組的劈裂強(qiáng)度與對(duì)照組的劈裂強(qiáng)度增長速率均趨于平緩。煤氣化渣水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度略低于PC32.5水泥穩(wěn)定碎石。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度下3,7,28 d煤氣化渣水泥碎石劈裂強(qiáng)度比PC32.5水泥碎石小14.8%,7.31%,10.52%。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為5，0，-5 ℃時(shí)， 28 d試驗(yàn)組劈裂強(qiáng)度比對(duì)照組小8.57%,8.69%,11.72%。分析其原因與抗壓強(qiáng)度相似，煤氣化渣CaO含量少；另外，煤氣化渣中有害成分SO3和Na2O+K2O含量較高，SO3和Na2O+K2O都會(huì)引起水泥石膨脹，使混凝土結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；養(yǎng)護(hù)后期煤氣化渣中高含量的SiO2和Al2O3被水化產(chǎn)物Ca(OH)2激發(fā)，發(fā)生火山灰效應(yīng),使混凝土結(jié)構(gòu)變致密，劈裂強(qiáng)度相對(duì)前期增幅明顯。

2.4 收縮特性

水泥穩(wěn)定類基層材料的另一主要問題是收縮開裂[11-13]。將梁式收縮試件100 mm×100 mm×400 mm保濕養(yǎng)護(hù)7 d，用千分表分別測試試件不同溫度和齡期下的干縮值，結(jié)果見圖5。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)溫度下收縮應(yīng)變隨齡期的變化圖Fig.5 Diagram of shrinkage strain changing with age at different curing temperatures(a)PC32.5水泥碎石;(b)煤氣化渣水泥碎石

由圖5可知，PC32.5水泥穩(wěn)定碎石干縮值均大于煤氣化渣水泥穩(wěn)定碎石。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，前期煤氣化渣水泥穩(wěn)定碎石的收縮應(yīng)變大幅度增長，后期增長趨于緩和；-5 ℃和20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，試驗(yàn)組7,28 d收縮應(yīng)變比對(duì)照組低6.10%,7.56%和9.14%,10.42%。常溫條件下，水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)小，其中水分子蒸發(fā)和內(nèi)部水化作用增強(qiáng)，收縮應(yīng)變有所降低；0 ℃以下，混凝土內(nèi)部的毛細(xì)水和自由水結(jié)冰遏制了結(jié)合水的形成，并且水分子結(jié)冰會(huì)使試件產(chǎn)生一定膨脹，收縮程度會(huì)相應(yīng)減小。分析原因：煤氣化渣水泥水化過程中，體系中的自由水逐漸減少，煤氣化渣中未參與反應(yīng)的水分子由于滲透壓而進(jìn)入到水泥體系中，與未水化的水泥顆粒繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)，生成更多的水化產(chǎn)物使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)；球磨后的煤氣化渣細(xì)度很小，代替部分集料填充到毛細(xì)孔中細(xì)化了孔結(jié)構(gòu)，降低了孔與孔間的連通性；在堿性條件下不僅可以激發(fā)煤氣化渣的火山灰效應(yīng)，而且會(huì)對(duì)煤氣化渣表面微小非晶態(tài)礦物腐蝕，這都有利于收縮性能的改善。綜上可知，含煤氣化渣水泥材料的抗裂性能優(yōu)于PC32.5水泥材料，將其用在水泥穩(wěn)定碎石材料中更有利于提高基層材料抗裂性能。

2.5 煤氣化渣改善水泥漿體性能的作用機(jī)理

2.5.1 煤氣化渣對(duì)水泥漿體水化產(chǎn)物的影響 將煤氣化渣和無水乙醇終止水化的7,28 d齡期煤氣化渣水泥凈漿和PC32.5水泥凈漿試件破碎，通過研缽研磨至一定的細(xì)度，然后進(jìn)行XRD試驗(yàn)測試，煤氣化渣XRD圖譜見圖6，煤氣化渣水泥和PC32.5水泥XRD圖譜見圖7。

圖6 煤氣化渣的XRD圖Fig.6 XRD pattern of coal gasification slag

圖7 煤氣化渣水泥和PC32.5水泥XRD圖譜Fig.7 XRD pattern of coal gasification slag cementand PC32.5 cement(a)7 d水化;(b)28 d水化

由圖6可知，煤氣化渣中含有少量的衍射峰，衍射峰以“饅頭峰”為主。衍射角20～30°處峰主要是煤氣化渣在高溫高壓下熔融聚合形成的非晶態(tài)玻璃體礦渣。晶體相以石英為主，莫來石、鈣長石和方解石較少。煤氣化渣水泥熟料發(fā)生水化反應(yīng)后，煤氣化渣水泥水化產(chǎn)物衍射峰變得清晰獨(dú)立，原先的石英峰消失。

由圖7a可知，將煤氣化渣摻入水泥，對(duì)水泥水化體系的物相組成幾乎沒有影響，但會(huì)影響水化產(chǎn)物的總量。7 d齡期煤氣化渣水泥中Ca(OH)2主峰強(qiáng)度明顯弱于PC32.5水泥，C2S和C3S衍射峰強(qiáng)度明顯強(qiáng)于PC32.5水泥，煤氣化渣水泥水化反應(yīng)較慢。這主要由于煤氣化渣部分代替水泥熟料，熟料礦物含量減少，造成水化速率緩慢和水化產(chǎn)物含量降低。另外，煤氣化渣中的殘?zhí)家矔?huì)阻礙礦物相的合成。

由圖7b可知，煤氣化渣水泥Ca(OH)2主峰強(qiáng)度較7 d齡期明顯增強(qiáng)，C2S和C3S衍射峰強(qiáng)度較 7 d 齡期明顯減弱，說明煤氣化渣水泥在此階段礦物C2S和C3S發(fā)生大量水化，生成了水化產(chǎn)物 Ca(OH)2。煤氣化渣水泥水化產(chǎn)物衍射峰強(qiáng)度與PC32.5水泥相當(dāng)，幾乎一致。這主要是由于煤氣化渣具有較高的火山灰效應(yīng)，在水化后期被激發(fā)，加快了其水化反應(yīng)速率，使水化產(chǎn)物含量與PC32.5水泥水化產(chǎn)物含量相當(dāng)。

2.5.2 煤氣化渣對(duì)水泥漿體微觀形貌的影響 對(duì)煤氣化渣和7,28 d齡期的煤氣化渣水泥和PC32.5水泥漿體進(jìn)行掃描電鏡(SEM)測試，結(jié)果見圖8～圖10。

圖8 不同放大倍數(shù)下的煤氣化渣SEM圖Fig.8 SEM images of coal gasification slag at different magnification times

圖9 煤氣化渣水泥和PC32.5水泥水化7 d時(shí)SEM圖片F(xiàn)ig.9 SEM images of coal gasification slag cement and PC32.5 cement hydrated for 7 d(a)煤氣化渣水泥;(b) PC32.5水泥

圖10 煤氣化渣水泥和PC32.5水泥水化28 d時(shí)SEM圖片F(xiàn)ig.10 SEM images of coal gasification slag cement and PC32.5 cement hydrated for 28 d(a)煤氣化渣水泥;(b) PC32.5水泥

由圖8可知，煤氣化渣顆粒呈緊密堆積狀態(tài)，含有層片狀、管狀和球狀微結(jié)構(gòu)，表面致密，幾乎觀察不到孔隙存在。微小非晶態(tài)礦物質(zhì)滲透其中，表面覆蓋有非晶態(tài)絮狀物質(zhì)，顆粒粒徑尺寸分布范圍較寬，部分小顆粒物質(zhì)有明顯的熔融團(tuán)聚現(xiàn)象。呈絮狀無定形狀態(tài)的主要是煤氣化渣中的殘?zhí)迹軤詈颓驙铑w粒是煤氣化渣高溫下礦物相熔融聚合形成的熔融體。殘?zhí)嫉拇嬖跁?huì)阻礙礦物相的熔融聚合，使礦物相不能團(tuán)聚為大球狀顆粒，圖8中小球狀和三角狀的玻璃體均受到了殘?zhí)嫉挠绊懀@會(huì)造成煤氣化渣水泥水化產(chǎn)物強(qiáng)度降低。

由圖9可知，煤氣化渣水泥水化反應(yīng)速率比PC32.5水泥略慢。7 d齡期的PC32.5水泥，其板塊狀的C-S-H凝膠和六方板狀的Ca(OH)2晶體結(jié)構(gòu)明顯。圓球狀的煤氣化渣顆粒表面附著針棒狀鈣礬石以及大小規(guī)則不一的球狀C3S，水化產(chǎn)物已有雛形，棱角尚不明顯，表面較為粗糙且不平整。PC32.5水泥表面則相對(duì)平整，水化產(chǎn)物輪廓清晰，但它們體系空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)均初步形成，水化產(chǎn)物交聯(lián)作用加強(qiáng)。7 d齡期煤氣化渣火山灰效應(yīng)尚未被激發(fā)，同時(shí)受到CaO含量和殘?zhí)己康挠绊懀簹饣嗨徛Ａ硗猓徊糠置簹饣嗫赡鼙凰a(chǎn)物包裹沒有發(fā)生水化反應(yīng)，造成水化產(chǎn)物的數(shù)量較少。

由圖10可知，煤氣化渣水泥漿體水化產(chǎn)物呈無定型棉素狀，針棒狀鈣礬石明顯，水化產(chǎn)物相互交錯(cuò)，表面平整連接緊密，幾乎沒有孔洞和裂縫的存在。煤氣化渣中部分含殘?zhí)剂慷嗟谋砻嫠磻?yīng)進(jìn)行緩慢，幾乎沒有水化產(chǎn)物生成。在水化后期階段，體系Ca+離子濃度升高，煤氣化渣火山灰效應(yīng)被激發(fā)，加快了水化反應(yīng)進(jìn)程，促進(jìn)了水化產(chǎn)物生成。未水化的煤氣化渣顆粒填充了孔隙和毛細(xì)孔，硬化了漿體的孔結(jié)構(gòu)和密實(shí)度。圖10(a)與(b)相比，PC32.5水泥漿體結(jié)構(gòu)表面略密實(shí)緊湊，與煤氣化渣水泥漿體微觀形貌相差不大。

3 結(jié)論

(1)高含量SiO2和Al2O3的煤氣化渣可部分取代水泥中的礦物成分用于道路基層材料。另外，煤氣化渣中玻璃相含量高使其具有較高的火山灰效應(yīng)，有利于水化產(chǎn)物后期強(qiáng)度的增長。

(2)煤氣化渣水泥基層材料抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度略低于PC32.5水泥基層材料，但滿足道路基層的使用要求。煤氣化渣中的殘?zhí)紩?huì)導(dǎo)致其水泥基層強(qiáng)度下降。

(3)含煤氣化渣水泥膠凝材料的抗裂性能優(yōu)于PC32.5水泥膠凝材料，能有效避免基層在低溫和變溫環(huán)境中干縮開裂。將煤氣化渣水泥應(yīng)用在穩(wěn)定碎石材料中，可改善基層的抗裂性能。