路用水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料性能試驗(yàn)研究

朱俊樸

中山翠亨新區(qū)工程項(xiàng)目建設(shè)事務(wù)中心，廣東 中山 528400

水泥穩(wěn)定碎石因具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、整體性與抗凍脹性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于公路基層、鐵路路橋過渡段與寒區(qū)鐵路路基材料中［1-3］。我國(guó)稻殼每年產(chǎn)量高達(dá)4 500萬t［4］，常用的焚燒處理方法對(duì)生態(tài)環(huán)境影響大。稻殼焚燒后產(chǎn)生的稻殼灰價(jià)廉，且具有較強(qiáng)的火山灰活性，非晶質(zhì)SiO2含量高達(dá)90%。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)稻殼灰水泥基材料和性能進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究。汪知文等［5］介紹了稻殼灰的理化性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)制備工藝及其對(duì)水泥混凝土各項(xiàng)性能的影響，闡述了稻殼灰在水泥混凝土中的工作機(jī)理；龔建清等［6］發(fā)現(xiàn)稻殼灰取代硅灰比例達(dá)到100%時(shí)，試件28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別比基準(zhǔn)組提高15.4%和16.0%；馬嘉琛等［7］研究發(fā)現(xiàn)粒徑7～10μm的細(xì)粒稻殼灰可縮短水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間，替代率5%時(shí)可提高水泥抗折及抗壓強(qiáng)度；王佳雷等［8］研究發(fā)現(xiàn)水泥-石灰石粉-稻殼灰復(fù)合料試件抗壓強(qiáng)度隨著稻殼灰摻量增加先增大后減小，替代率10%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高；Gemma［9］發(fā)現(xiàn)稻殼灰可以降低混凝土滲透系數(shù)，替代率20%時(shí)混凝土滲透系數(shù)最低。Khan等［10］發(fā)現(xiàn)摻入稻殼灰的混凝土呈現(xiàn)出較好的抗氯離子滲透性能。王維紅、Givi等［11-12］發(fā)現(xiàn)稻殼灰與其他礦物料復(fù)摻適當(dāng)替代水泥能在一定程度上改善水泥混凝土的強(qiáng)度及耐久性能。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)稻殼水泥基材料的研究主要集中在材料本身性能改善方面，關(guān)于稻殼灰應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石混合料基層時(shí)，其對(duì)強(qiáng)度及耐久性能的影響鮮有研究，而水泥穩(wěn)定碎石在鐵路、公路路基與基床中應(yīng)用廣泛。本文采用稻殼灰替代水泥，替代率分別為0、20%、40%、60%、80%。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度等強(qiáng)度試驗(yàn)和抗凍性能、抗干縮性能、抗溫縮性能等耐久性能試驗(yàn)，對(duì)不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料性能變化規(guī)律進(jìn)行探究。

1 試驗(yàn)原材料

水泥為P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其基本性能指標(biāo)符合TJ E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》要求。集料為表面粗糙干燥的石灰石，其性能指標(biāo)符合JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》要求。稻殼灰為普通稻殼經(jīng)鍋爐房焚燒后所得，見圖1。

圖1 稻殼灰樣品

通過X射線衍射法對(duì)稻殼灰元素組成進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。可知，稻殼灰主要由碳、氧、硅元素以SiO2晶體形式存在。這三種元素質(zhì)量占比接近95.7%。

表1 稻殼灰元素含量 %

采用掃描電鏡法對(duì)粉磨后的稻殼灰微觀形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2。可見稻殼灰主要存在兩種形態(tài)。一種稻殼灰呈棱角分明的碎片狀，粒徑小于5μm；另一種稻殼灰因相互吸附聚攏成球狀顆粒。大量微小球狀顆粒使得稻殼灰比表面積達(dá)到50～100 m2∕g，這可能是稻殼灰具有高火山灰活性的原因之一［13］。

圖2 稻殼灰掃描電鏡圖像

2 水泥-稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料配合比

水泥用量太高將降低混合料的收縮性能，太低又影響其強(qiáng)度。參考JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，試驗(yàn)時(shí)水泥質(zhì)量取全部集料總質(zhì)量的5.0%。集料采用JTG F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》推薦的級(jí)配中值，見表2。篩孔尺寸單位為mm。

表2 集料級(jí)配

3 擊實(shí)試驗(yàn)

通過擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料的最優(yōu)含水率及最大干密度，結(jié)果見表3。其中：配合比為水泥、稻殼灰和集料三種組分的質(zhì)量百分比。可知，稻殼灰取代部分水泥對(duì)混合料最大干密度幾乎無影響，但能明顯提升其最優(yōu)含水率。

表3 水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

4 水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度試驗(yàn)

試件分為?150 mm×150 mm（高）圓柱形及400 mm（長(zhǎng)）×100 mm（寬）×100 mm（高）梁式兩種，采用靜力壓實(shí)法成型。按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》要求進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、抗壓回彈模量試驗(yàn)。按照J(rèn)TG D50—2017對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析。

4.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同替代率下試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線見圖3。可知：①同一齡期下水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓強(qiáng)度隨稻殼灰替代率增加而降低，四種替代率混合料的抗壓強(qiáng)度與齡期均成正相關(guān)。②未摻稻殼灰時(shí)180 d齡期混合料抗壓強(qiáng)度比7 d齡期增長(zhǎng)42.2%，替代率為20%、40%、60%、80%時(shí)混合料抗壓強(qiáng)度依次增長(zhǎng)46.7%、49.5%、89.1%、261.0%。增長(zhǎng)率越大，說明早期強(qiáng)度越低，強(qiáng)度形成所需時(shí)間越長(zhǎng)。這是由于稻殼灰替代率的增加使混合料最優(yōu)含水率增大，進(jìn)而影響到混合料的水化反應(yīng)，延緩了早期強(qiáng)度的形成時(shí)間。③規(guī)范中高速公路或一級(jí)公路無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度參考值為4.0～6.0 MPa。稻殼灰替代率為20%時(shí)混合料抗壓強(qiáng)度（4.22 MPa）滿足要求，說明稻殼灰替代水泥后，混合料抗壓強(qiáng)度雖有降低，但替代率不大時(shí)仍能滿足規(guī)范要求。

圖3 不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線

4.2 劈裂強(qiáng)度

不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料的劈裂強(qiáng)度隨齡期變化曲線見圖4。可知：①在同一齡期下混合料劈裂強(qiáng)度隨稻殼灰替代率增加而下降。這是由于抗劈裂破壞能力主要與集料之間的黏結(jié)力有關(guān)，稻殼灰的替代延緩了試件強(qiáng)度的形成時(shí)間。②不同替代率混合料劈裂強(qiáng)度均隨齡期增長(zhǎng)而逐漸增大。規(guī)范中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料90 d劈裂強(qiáng)度參考值為0.4～0.6 MPa，替代率20%時(shí)混合料劈裂強(qiáng)度（0.56 MPa）滿足規(guī)范要求。③稻殼灰替代率為0、20%、40%、60%、80%時(shí)混合料90 d劈裂強(qiáng)度分別占最大劈裂強(qiáng)度的95.9%、88.9%、83.0%、83.3%、72.2%。

圖4 不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料劈裂強(qiáng)度隨齡期變化曲線

4.3 彎拉強(qiáng)度

不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料90 d齡期彎拉強(qiáng)度見表4。可知：①混合料彎拉強(qiáng)度隨稻殼灰替代率增加而降低。替代率20%時(shí)混合料彎拉強(qiáng)度比不替代時(shí)僅下降6.5%。替代率40%時(shí)混合料彎拉強(qiáng)度比替代率20%時(shí)下降22.3%。這是由于與劈裂強(qiáng)度一樣，彎拉強(qiáng)度也取決于集料之間的黏結(jié)力。稻殼灰替代率增加，水泥含量降低，導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)減少，進(jìn)而減弱了混合料內(nèi)部的黏結(jié)力。②稻殼灰替代率40%的混合料彎拉強(qiáng)度為1.22 MPa，滿足規(guī)范要求的0.9～1.5 MPa。

表4 不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料90 d齡期彎拉強(qiáng)度

4.4 抗壓回彈模量

不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料90 d齡期抗壓回彈模量見表5。可知：①混合料抗壓回彈模量隨稻殼灰替代率增加而降低。這是由于混合料抗壓回彈模量除受集料顆粒間黏結(jié)力影響外，還受水泥用量影響。稻殼灰替代率增大使混合料水泥用量降低，導(dǎo)致抗壓回彈模量降低。②規(guī)范中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料抗壓回彈模量參考值為1 300～1 700 MPa。替代率不超過40%時(shí)，混合料抗壓回彈模量滿足規(guī)范要求。

表5 不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料90 d齡期抗壓回彈模量

5 水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料耐久性能試驗(yàn)

混合料耐久性能試驗(yàn)試件尺寸與強(qiáng)度試件尺寸一致。按照J(rèn)TG E51—2009進(jìn)行抗凍性能、抗干縮性能和抗溫縮性能試驗(yàn)，并按照J(rèn)TG D50—2017對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析。

5.1 抗凍性能

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的抗凍性能用凍融殘留抗壓強(qiáng)度比（試件N次凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度和未凍融試件的抗壓強(qiáng)度之比）來表征。其值越大，混合料的抗凍融破壞能力越強(qiáng)。

不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料經(jīng)5次凍融循環(huán)后殘留抗壓強(qiáng)度比見表6。可知：①混合料殘留抗壓強(qiáng)度比隨稻殼灰替代率增加而降低。這是由于稻殼灰的摻入使得水泥水化產(chǎn)物減少，膠結(jié)作用減弱，水泥漿體在凍融循環(huán)作用下更易損傷，與骨料剝離。②替代率60%時(shí)混合料殘留抗壓強(qiáng)度比68.5%，滿足大于等于65%（中凍區(qū)）的規(guī)范要求。說明稻殼灰替代率較高時(shí)混合料抗凍性能依然較好，稻殼灰在寒區(qū)路基材料中使用價(jià)值較高。

表6 不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料殘留抗壓強(qiáng)度比

5.2 抗干縮性能

抗干縮性能表征無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料抵抗失水后尺寸收縮的性能，以干縮量、干縮系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)衡量。干縮量為試件在一定時(shí)間內(nèi)單向尺寸的變化量。干縮系數(shù)為干縮應(yīng)變與失水量的比值，干縮系數(shù)越大混合料失水收縮程度越高。

不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料的累計(jì)失水率和累計(jì)干縮量見圖5，各試件的平均干縮系數(shù)見表7。

表7 不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料平均干縮系數(shù)

圖5 不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料累計(jì)失水率、累計(jì)干縮量隨齡期變化曲線

由圖5和表7可知：①混合料累計(jì)失水率和累計(jì)干縮量隨試件齡期增長(zhǎng)而逐漸增大，20 d時(shí)累計(jì)失水率已基本穩(wěn)定，190 h時(shí)累計(jì)干縮量才趨于穩(wěn)定。②混合料平均干縮系數(shù)與稻殼灰替代率成正相關(guān)，替代率20%時(shí)混合料平均干縮系數(shù)比不替代時(shí)小，說明抗干縮性能有所改善，而替代率超過20%后干縮系數(shù)會(huì)逐漸增大。可能是由于替代率20%時(shí)，稻殼灰與水泥反應(yīng)生成致密且收縮應(yīng)變較小的漿體。

5.3 抗溫縮性能

抗溫縮性能通過溫縮試驗(yàn)測(cè)定，溫縮性能為環(huán)境溫度降低時(shí)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料尺寸收縮性能，用溫縮系數(shù)衡量。溫縮系數(shù)越大，混合料降溫后收縮程度越高。溫縮試驗(yàn)溫度從50℃逐級(jí)降至-20℃，分7個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間溫差10℃。

不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料平均溫縮系數(shù)見表8。可知：①平均溫縮系數(shù)隨替代率增加而增大，但增幅不大，說明稻殼灰對(duì)于寒區(qū)路基材料抗溫縮性能影響較小。②替代率由20%增至80%時(shí)混合料平均溫縮系數(shù)增長(zhǎng)了29.2%。這是由于稻殼灰密度遠(yuǎn)小于水泥，水泥與稻殼灰結(jié)合后水化時(shí)總體積增大，水化物的溫縮導(dǎo)致了混合料整體的溫縮。

表8 不同替代率下水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料平均溫縮系數(shù)

6 結(jié)論

1）稻殼灰替代率的增加在一定程度上削弱了水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度。替代率20%時(shí)混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、90 d劈裂強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求；替代率40%時(shí)90 d彎拉強(qiáng)度、抗壓回彈模量均滿足規(guī)范要求。

2）稻殼灰替代率60%時(shí)水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料的抗凍性能滿足規(guī)范要求。替代率20%時(shí)有利于抗干縮，但替代率繼續(xù)增加對(duì)抗干縮性能、抗溫縮性能均不利，應(yīng)用時(shí)需特別注意。

3）稻殼灰替代率為20%時(shí)，水泥稻殼灰穩(wěn)定碎石混合料各項(xiàng)性能除彎拉強(qiáng)度比規(guī)范參考值稍高外，其他指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。建議通過調(diào)整混合料配合比、提高養(yǎng)生溫度、增加養(yǎng)生時(shí)間等方式改善其彎拉強(qiáng)度。