水泥(粉煤灰)穩定煤氣化多孔爐渣抗凍性能研究

胡富平 申鐵軍 高 鵬 郭海燕 段 濤

(1.山西路橋建設集團有限公司 晉城 048000； 2.山西路橋集團晉南項目管理有限公司 太原 030000；3.長治市武理工工程技術研究院 長治 046000)

多孔爐渣是經高溫膨化燒結的爐渣，具有孔隙率高、壓碎值大、吸水率高的特點，如鍋爐煤渣、生化垃圾焚燒爐渣、固定床煤氣化爐渣等。相關研究表明[1-2]，盡管多孔爐渣壓碎值高，但可以制備強度滿足要求的水泥穩定類路面基層材料，但目前關于水泥穩定爐渣的抗凍性缺乏研究。《公路工程抗凍設計與施工技術指南》[3]指出：路面半剛性基層混合料的抗凍性能應滿足以下要求：中、重凍區28 d齡期5次凍融循環后殘留抗壓強度比(BDR)不小于50%，輕凍區不小于40%。劉棟等[4]發現采用生活垃圾焚燒爐渣配制的水泥穩定碎石爐渣，當爐渣摻量僅為40%時，混合料凍融5次BDR即由92.4%大幅降低至76.5%。水泥(粉煤灰)穩定煤氣化多孔爐渣中爐渣摻量達90%～100%，混合料含水率高達14%以上，其能否經受季凍區反復凍融尚不明確，基于此，本文將系統研究煤氣化多孔爐渣路面基層材料的抗凍性能。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

煤氣化多孔爐渣(以下簡稱爐渣)取自山西某煤化工廠，原渣經破碎篩分制備成0～5，5～15，15～25 mm 3檔集料；天然集料為石灰巖制備而成，分為0～5，5～10，10～20，20～30 mm 4檔，爐渣集料和天然集料基本性能對比結果見表1。粉煤灰滿足JTG/T F20-2015 《公路路面基層施工技術細則》要求，水泥采用山西“瑞昌”P.S.B.32.5礦渣硅酸鹽水泥，質量合格。試驗用增強抗凍型固化劑產自杭州某公司。

表1 煤氣化爐渣集料與砂石集料物理性質對比

由表1可見，爐渣粗集料、細集料松方密度較天然粗、細集料分別低35%，28%，屬于固廢輕集料[5]；煤氣化爐渣粗、細集料飽和面干吸水率分別為9.5%和11.0%，為天然集料的2～3倍。

1.2 實驗方法

按照JTG E51-2009 《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行重型擊實試驗，求出最大干密度與最佳含水率，以97%的壓實度成型直徑×高度=150 mm×150 mm試件，養護至28 d齡期后進行凍融試驗，標準無機結合料凍融循環試驗以-18 ℃溫度下氣凍16 h后在20 ℃溫度下水融8 h為1個凍融循環，采用凍融質量損失和BDR表征材料抗凍性，為模擬更長時間凍融環境，本文設置了凍融循環次數分別為5，10，15次。

2 抗凍性能研究

2.1 配合比

因水泥(粉煤灰)穩定爐渣密度低，相同水泥劑量下單位體積實際水泥用量較水泥穩定碎石低33%，為屏蔽水泥用量對抗凍性影響，固定水泥穩定爐渣、水泥粉煤灰穩定爐渣，以及水泥穩定碎石水泥用量均為96 kg/m3，對應水泥穩定碎石的水泥劑量為4%。表2為配合比、表3為擊實結果和28 d無側限抗壓強度。

表2 配合比

表3 擊實結果和28 d無側限抗壓強度

由表1、表3可見，爐渣吸水率高，配制的水泥(粉煤灰)穩定爐渣最佳含水率最高達16.3%，為水泥穩定碎石的3.4倍；爐渣壓碎值高導致水泥穩定爐渣強度低于水泥穩定碎石，但通過級配優化、摻入粉煤灰、添加增強固化劑等方式，可配制出28 d無側限抗壓強度分別為4.2，5.1 MPa的水泥穩定爐渣和水泥粉煤灰穩定爐渣。

2.2 質量損失

不同凍融循環次數下，水泥穩定爐渣、水泥粉煤灰穩定爐渣，以及水泥穩定碎石的累計質量損失見圖1。

圖1 累計質量損失隨凍融次數變化趨勢

由圖1可見，碎石和爐渣基層材料在經歷15次凍融循環后累計質量損失最大值僅為0.36%。具體來看，3種基層材料累計質量損失隨齡期呈先負增長、再正增加、再負增長的波形變化趨勢。這是因為凍融次數為3～5次時，試件完整無凍融剝落掉渣現象發生，但試件內部孔隙在凍脹應力作用下發生擴張、又在毛細管壓力作用下吸水從而導致試件質量的增加[6]；隨著凍融次數繼續增加，試件出現凍融剝落破壞現象，因而試件質量損失率正增長，同時這種破壞提高了試件內部的微裂縫和孔徑，使得吸水引起的質量增加再次超過脫落質量，表現為累計質量損失率的負增長。2種作用強弱交替，因而試件的累計質量損失率隨凍融次數呈波形變化。

2.3 強度損失

不同凍融循環次數下，水泥穩定爐渣、水泥粉煤灰穩定爐渣和水泥穩定碎石的抗壓強度損失見圖2。

圖2 凍融殘留抗壓強度比與凍融次數關系

由圖2可見，隨著凍融循環次數的增加，水泥穩定爐渣、水泥粉煤灰穩定爐渣、水泥穩定碎石的BDR均呈下降趨勢，這是因為半剛性基層本質上是一種弱黏結的干硬性材料，結合料未形成流動性漿體，孔隙率較高，當自由水遇冷結冰體積膨脹就會引起內部結構破壞，產生微裂縫，宏觀上表現為抗壓強度的降低，循環次數越多，損傷越嚴重，強度降低程度也就越大[7]。

各類材料不同凍融循環次數的BDR均呈水泥粉煤灰穩定爐渣最大，水泥穩定爐渣次之，水泥穩定碎石最差的規律。從標準凍融試驗(5次循環)BDR來看，水泥穩定碎石BDR為87.3%，而水泥穩定爐渣和水泥粉煤灰穩定爐渣BDR分別可達94.1%和97.7%。可見，水泥(粉煤灰)穩定爐渣的抗凍性完全滿足《公路工程抗凍設計與施工技術指南》對路面基層抗凍性相關要求。

水泥(粉煤灰)穩定爐渣雖含水率高，抗凍性卻不受影響。主要有以下幾點原因：①由于添加了具有增強作用的固化劑，加之爐渣吸水特性為基層材料提供了良好的內養生條件，促進了水泥的水化程度, 使水泥與集料的界面更加密實[8]，水泥(粉煤灰)穩定爐渣28 d無側限抗壓強度已達4.2 MPa，本身對凍脹應力的抵抗力較強。②大部分自由水集中在爐渣顆粒的微小孔隙內，而非膠結料當中，爐渣集料壓碎值雖高但內部孔隙水結冰并不會破壞集料本身強度；③爐渣輕集料具有較低的彈性模量和多孔結構，可緩沖結冰時產生的膨脹應力[9]，對凍脹破壞具有更強的抵御能力；④粉煤灰具有填充、密實和活性作用[10]，因而水泥粉煤灰穩定爐渣具有更高的強度和更優的抗凍性。

3 工程試驗抗凍性觀測

為研究爐渣路面基層材料的抗凍性能，在山西省某旅游公路鋪筑了水泥粉煤灰穩定爐渣試驗段，配合比見表4。

表4 試驗路施工配合比

考慮到計量誤差，施工時水泥用量較設計值提高1%，對應體積用量從96 kg/m3提高至112 kg/m3。試驗段鋪筑時正值冬季，最高溫度僅5 ℃，覆膜養生后進行持續觀測，并在首次過冬7，30，60，90 d，以及第二年冬季到來(360 d齡期)和結束(450 d齡期)時分別鉆取了芯樣，部分芯樣見圖3，各齡期芯樣強度見表5。

圖3 季凍后鉆芯取樣外觀及抗壓強度

表5 不同齡期鉆芯取樣強度檢測

工程試驗路段在基層覆膜狀態下，經歷冬季最低-17 ℃的冰凍，加之晝夜溫差10 ℃以上的反復溫降溫升，春季消融后表面未出現大面積松散顆粒、下沉、裂縫等病害；從取芯情況看，芯樣沒有出現端頭松散現象，所有芯樣可完整取出，且上、下端平整，側壁光滑，基本無孔洞，保持了很好的完整性。90 d齡期芯樣抗壓強度較7 d芯樣強度提高95%，養生12個月經歷第二次冬季強度仍有增長，表明爐渣路面基層材料不存在抗凍性不良等問題。

4 結論

1) 由于爐渣的多孔吸水特性，水泥穩定爐渣、水泥粉煤灰穩定爐渣最佳含水率高達14%，但自由水主要集中于集料孔隙中，為基層材料提供了良好的內養生作用，使得爐渣路面基層材料界面強度較高，而且多孔結構起到了緩沖凍脹應力的作用，因而水泥(粉煤灰)穩定爐渣具有較好的抵抗凍融質量損失和強度損失的性能。

2) 水泥穩定爐渣、水泥粉煤灰穩定爐渣5次凍融循環后BDR分別為94.1%和97.7%，超過水泥穩定碎石，滿足相關規范BDR不低于50%的要求。

3) 季凍區水泥粉煤灰穩定爐渣試鋪段，經歷2次最低氣溫達-17 ℃的冬季冰凍，未發生任何凍脹破壞現象，不同齡期鉆芯取樣完整，強度增長正常，充分表明爐渣路面基層具有良好的抗凍性。