固廢基膠凝劑穩定材料基層性能試驗研究

李永偉 師瑩琨

（山東高速股份有限公司，山東 濟南 250000）

1 引言

目前，我國道路工程建設面臨著長距離運輸成本增加、砂礫開采破壞環境等問題，因此，尋找強度高、耐久性好、環保性能好的新型路面材料成為道路工程領域亟待解決的重要課題，其中固體廢物再利用是道路工程建設的重要發展方向。

針對固體廢物再利用問題，中國礦業大學姜振泉等人通過對煤矸石顆粒級配和壓密性、壓實性能試驗研究發現：通過適量增加煤矸石中細小顆粒的含量，可改變煤矸石的顆粒級配性能，進而提高煤矸石的固結性能；包慧明等人在基質瀝青中加入赤泥作為穩定材料制備赤泥穩定瀝青，分析了不同剪切速率、摻量對赤泥穩定瀝青黏度的影響，并用掃描電鏡等觀測赤泥與瀝青之間的微觀狀態變化；劉晶磊研究了土凝巖穩定的鹽漬土在不同含鹽率和養護齡期條件下的擊實試驗、無側限抗壓強度等試驗值的變化規律。H. Zhang等人以赤泥作為填料制備多孔瀝青并進行路面性能試驗，認為穩定瀝青具有良好的抗車轍和抗老化能力。

本文通過綜合利用鋼渣、粉煤灰、赤泥、煤矸石等工業固廢研制多源固廢協同增強機理下的基層穩定材料，為該膠凝材料在公路工程建設中的推廣應用及相關工程應用技術規程的編制提供數據支持和理論依據。

2 原材料的選定

2.1 土石材料和固廢基膠凝劑

對于無機結合料固廢基膠凝劑穩定（底）基層，土壤類型、固廢基膠凝劑性質種類和施工工藝的不同都會影響穩定基層的性能。本文選用山東地區常見的黏土、砂土、風化砂和碎石4 種典型土石材料，根據選定材料的化學成分分析，分別配置相應的固廢基膠凝劑（配比不同）進行試驗。使用的膠凝材料是由化學激發高硅鈣鋁含量的固廢材料制備而成，主要成分是燒結赤泥微粉、粉煤灰、煅燒煤矸石微粉以及由硅酸鈉、三萜皂苷、聚合硫酸鋁、氟硅酸鎂、氫氧化鈉等組成的復合激發劑，特性見表1。

表1 固廢基膠凝劑性能指標

2.2 水泥穩定碎石材料

為了對比固廢基膠凝劑穩定碎石和水泥穩定碎石材料的性能差異，選取相同集料、相同級配的碎石材料進行試驗。水泥選用基層常用的P·C32.5 型 號，細度1.5%、密度3 000kg/m2、比表面積387.6m2/kg、標準稠度用水量29%、初凝時間260min、終凝時間310min、3d 抗折強度3.39MPa、28d 抗 折強 度8.05MPa、3d 抗 壓強 度11.52MPa、28d 抗壓強度49.32MPa。

3 試驗

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTGE 51-2009）規定，將黏土、砂土、風化砂、碎石4種典型材料摻加不同比例的固廢基膠凝劑，根據擊實試驗所得的最大干密度和最優含水量制備成型標準試件，進行7d 標準養生無側限抗壓強度測試，確定固廢基膠凝劑的最佳摻量。

3.1 擊實試驗

表2 給出了不同摻量的固廢基膠凝劑、水泥穩定不同類型土體的擊實試驗結果。

表2 擊實試驗結果

由表2 可以看出，最佳含水量隨著膠凝材料摻量的增加而變化不大，最大干密度隨著膠凝材料摻量的增加而略有增加，這是由于膠凝材料的密度比黏土、砂土、風化砂的密度大。對比膠凝材料穩定碎石與水泥穩定碎石的最佳含水量和最大干密度結果可知，在摻量為6%時，兩者的結果相差很小。

3.2 無側限抗壓強度試驗

對瀝青路面基層而言，無側限抗壓強度指標是體現路用性能最重要的指標之一，表明了試樣置于不受側向限制的條件下所能承受的強度值。首先測試了固廢基膠凝劑穩定黏土、砂土、風化砂、碎石與水泥穩定碎石混合路面材料的7d 無側限抗壓強度，試驗結果見表3，并分析了其與固廢基膠凝劑摻量的相關性，如圖1 所示。

表3 不同膠凝材料摻量7d 無側限抗壓強度試驗結果

圖1 固化劑穩定4 種典型路用材料的無側限抗壓強度與摻量相關性

結果發現，對于同一種原材料，隨著固廢基膠凝劑摻量的增加，無側限抗壓強度呈明顯增長趨勢，其中固廢基膠凝劑穩定碎石的強度值明顯高于其他3 種材料，表明固廢基膠凝劑摻量對無側限抗壓強度起決定作用。

根據工程經驗，基層取7d 標準養護無側限抗壓強度值3.5～4.5MPa、底基層取2.5～3.0MPa 為宜，據此確定了每種混合材料作為基層或底基層中固廢基膠凝材料的最佳摻量，固廢基膠凝劑穩定黏土基層膠凝材料最佳摻量10%、底基層最佳摻量8%；固廢基膠凝劑穩定砂土基層膠凝材料最佳摻量10%、底基層最佳摻量8%；固廢基膠凝劑穩定風化砂基層膠凝材料最佳摻量7%、底基層最佳摻量5%；固廢基膠凝劑穩定碎石基層膠凝材料最佳摻量5.5%；水泥穩定碎石基層膠凝材料最佳摻量5%。

針對試驗得出的最佳固廢基膠凝劑摻量的不同混合材料試件，分別考察了無側限抗壓強度隨養護齡期的變化規律，如圖2 所示。結果顯示，隨著養護齡期的增加，4 種穩定材料的無側限抗壓強度均呈明顯增長趨勢。固廢基膠凝劑穩定砂土材料強度增長相對緩慢，而固廢基膠凝劑穩定風化砂和固廢基膠凝劑穩定黏土材料強度增長趨勢相近。

對于穩定碎石，固廢基膠凝劑穩定碎石后期強度增長（14～28d）明顯優于水泥穩定碎石。

圖2 各種穩定材料無側限抗壓強度隨養護齡期的變化

4 結語

（1）最佳含水量與膠凝材料摻量關系不大，最大干密度隨著膠凝材料摻量的增加略有增加。當摻量為6%時，固廢基膠凝劑穩定碎石與水泥穩定碎石的最佳含水量和最大干密度幾乎相同。（2）黏土與黏土的膠凝劑最佳摻量為8%～10%、風化砂的膠凝劑最佳摻量為5%～7%、穩定碎石的膠凝劑最佳摻量為5.5%。（3）隨著固廢基膠凝摻量的增加，各種穩定材料的無側限抗壓強度呈線性增長；在膠凝材料摻量一定的情況下，各種穩定材料的無側限抗壓強度隨齡期的增長而增大。