摻飛灰水泥穩定碎石收縮性能研究

肖晶晶

(重慶市智翔鋪道技術工程有限公司,重慶 400067)

水泥穩定碎石因其具有整體性好、強度高、抗凍性好以過經濟性好等優點,廣泛應用于各等級公路基層和底基層[1]。截止到2022年底,全國公路里程535.48萬km,高速公路通車里程達17.73萬km[2]。其中90%以上的高速公路都是采用的水泥穩定碎石基層材料[3]。根據《交通強國建設綱要》,未來還將建設大量公路交通基礎設施,消耗大量水泥穩定碎石材料。但是,由于水泥穩定碎石材料自身的特性,其在強度形成以及后期服役過程中容易發生收縮開裂。水泥穩定碎石材料由于內部溫度變化和水分散失,會產生收縮應力,當收縮應力超過了材料自身的黏結力時,在基層中便產生了溫度收縮裂縫和干燥收縮裂縫[4-5]。瀝青路面在重復交通荷載作用下,裂縫會逐漸向上延伸到面層形成反射裂縫。影響路面的穩定性與整體性,使得路面結構整體性降低,服役性能和壽命均下降。同時路表自然環境中的水分極易通過裂縫向下侵入,極易引發其他病害,如雨水沖刷基層或路基,導致承載力下降[6]。針對這些問題,研究人員通過調整級配,選擇骨架嵌擠結構,或者采用振動攪拌、振動壓實、添加外摻劑等措施來改善水泥穩定碎石的抗裂性能[7-9]。但是由于試驗條件限制和其他不可控因素,所得結果盡管在總的趨勢上相一致,仍存在差異性與不確定性,特別是針對一些當地特有材料的研究和一些極端天氣下的研究,其差異性更加顯著。

隨著國家經濟發展,人民生活水平提高,生活垃圾產量激增。據統計,我國城鄉生活垃圾年產量超過兩億噸[10]。“垃圾圍城”已經成為一個棘手的問題。目前垃圾的處理方式主要有填埋、焚燒。城市垃圾焚燒會產生底渣和飛灰。每噸垃圾焚燒后產生的飛灰大約為30 kg～200 kg[11]。飛灰的處理方式主要是通過水泥固化技術、玻璃化/熔融固化技術、化學藥劑穩定法等技術處理后再進行填埋[12]。雖然以上方式能夠有效處理飛灰中的各種有害物質,但是飛灰填埋占用了大量的土地資源,而且飛灰浸出液還可能存在泄漏的風險,造成環境污染。因此,如何實現飛灰的資源化利用是目前面臨的重大問題。作為垃圾焚燒廠的廢料,飛灰近年來在道路工程材料中的應用得到了廣泛關注。研究發現飛灰摻入到瀝青混合料中,能夠有效增強抗車轍變形能力,提高瀝青混合料的路用性能,并給出了飛灰的建議摻量為礦粉質量的25%～50%[13-14]。摻飛灰水泥穩定碎石的無側限抗壓強度隨著飛灰摻量的增加而減小[15]。當飛灰的摻量為水泥劑量的25%時,水泥穩定碎石7 d無側限抗壓強度、劈裂強度和抗壓回彈模量均能滿足規范的要求,并且摻25%的飛灰水泥穩定碎石的抗凍性良好。飛灰經過水洗處理后,能夠有效去除其中的堿性物質、可溶性硫酸鹽及氯化物。因此水洗后的飛灰摻入水泥穩定碎石中,混合料表現出了更優異的性能[16]。綜上,在水泥穩定碎石中摻入適量的飛灰對強度影響較小,并且能夠起到固廢利用、節能減排的作用。

目前,仍缺少摻入飛灰對水泥穩定碎石抗裂性能的影響的研究。因此,本文進行不同飛灰摻量的水泥穩定碎石的收縮性能研究,進行溫度收縮試驗以及干燥收縮試驗,探究飛灰對水泥穩定碎石的影響規律。這將節約飛灰在處理過程中消耗的土地資源和資金,促進廢棄物的高效利用及綠色交通的發展。

1 材料與試驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥采用的是重慶海螺水泥有限責任公司生產的P.O42.5水泥。測試水泥凝結時間、標準稠度用水量和膠砂強度等指標,結果如表1所示。試驗結果均滿足JTG 3420—2020公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程的要求。

表1 水泥試驗結果

1.1.2 集料

集料采用石灰巖,對其針片狀顆粒含量、表觀密度、軟石含量等指標進行檢測。技術指標均滿足JTG E42—2005公路工程集料試驗規程要求,具體試驗結果如表2所示。水泥穩定碎石級配曲線如圖1所示。

表2 石灰巖的性能指標

1.1.3 飛灰

飛灰由重慶某垃圾焚燒發電廠提供,其外觀呈現為灰色顆粒,粒徑大小不一。將飛灰研磨成粉末,使其100%通過0.075 mm篩。經測試飛灰中水的質量分數為1.32%,表觀密度為2.64 g/cm3,燒失量為3.4%。

1.2 試件制備

水泥劑量占水泥穩定碎石混合料的4.5%為定值。飛灰的摻量為集料質量的1%～4%。飛灰摻入混合料中會占據一部分空隙,增加了其中細集料的含量,可能會導致混合料級配失衡。因此在摻入飛灰的同時適當減少0 mm～0.15 mm細集料的用量。采用振動攪拌機對混合料進行拌和。為了使集料分布均勻,首先將集料倒入攪拌機中拌和20 s,之后按照設計的用水量倒入部分水,潤濕集料表面。然后倒入水泥和剩余的水,再攪拌2 min。按照JTG E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程中的振動擊實試驗方法確定不同飛灰摻量的水泥穩定碎石材料的最大干密度和最佳含水率,振動擊實時間為90 s。飛灰的具體摻量、不同混合料的簡稱以及擊實試驗結果如表3所示。

表3 不同飛灰摻量的水泥穩定碎石的擊實試驗結果

采用規范(JTG E51—2009)中振動壓實成型法制備100 mm×100 mm×400 mm中梁試件,振動壓實時間為120 s。成型試件時,混合料分2次倒入模具中,每次用鐵棒輕輕均勻插實。試件壓實成型1 d后進行脫模,用塑料袋包裹然后放入溫度為20 ℃、濕度不小于95%的標準養護室中進行養生。

1.3 試驗方法

1.3.1 溫度收縮試驗

按照規范試件養生7 d,測試前一天將其浸泡在(20±1) ℃的水中。試件浸水1 d后取出,擦去表面水分放入105 ℃烘箱中10 h～12 h烘干至恒重。待其冷卻后測量試件原始長度L0。試驗在可程式恒溫恒濕箱內進行,溫度范圍為-20 ℃～60 ℃。試驗開始時先將溫度升至60 ℃,10 ℃為一個梯度,逐級降溫,降溫速率為0.5 ℃/min。當溫度達到觀測點時恒溫3 h,恒溫結束前五分鐘測量試件的變形量。根據試驗數據按規范的公式計算溫度收縮應變和溫度收縮系數[17]。

1.3.2 干燥收縮試驗

試件養護7 d并在最后1 d浸水。浸水后測量試件的初始長度L0和初始質量m0。然后將試件放在干縮室內,用千分表測量收縮量。干縮室內溫度為20 ℃,濕度為60%。開始試驗后的7 d內每天記錄試件的收縮量與質量變化,7 d以后每兩天記錄一次直至試驗結束。試驗結束后將試件放入烘箱中加熱至質量不變,為mp。根據數據按規范計算試驗結果。

2 結果與分析

2.1 溫度收縮

不同飛灰摻量的水泥穩定碎石的溫度收縮試驗結果如圖2—圖4所示。由圖2可以看出,不同飛灰摻量的水泥穩定碎石累計溫度收縮應變隨時間的推移而增加。溫度收縮試驗結束,CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的累計收縮應變分別為1 350.18 με,1 263.12 με,1 472.45 με,1 535.84 με和1 662.27 με。其中CSM-FA1的溫度收縮應變略小于CSM,降低了6.45%。隨著飛灰摻量的增加,溫度收縮應變也隨之增加。飛灰摻量從2%增加到4%,累計溫度收縮應變相應增加了9.06%～23.11%。說明水泥穩定碎石中摻入少量的飛灰可以提高其抗溫度收縮性能。但是摻量過大,反而對水泥穩定碎石的收縮性能不利。從圖3可以看出,水泥穩定碎石試件在不同溫度區間內溫度收縮系數變化趨勢大致一致。混合料的溫度收縮系數整體隨溫度減小而逐漸降低,在0 ℃～20 ℃范圍內達到最低,隨后有小幅度的增加。隨著飛灰摻量增加,各溫度區間的收縮系數均增大。在各個溫度區間,五種混合料中CSM-FA1的溫度收縮系數小于CSM,CSM-FA4的溫度收縮系數最大。

在圖4中,CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的平均溫度收縮系數分別為16.88 με/℃,15.79 με/℃,18.40 με/℃,19.19 με/℃和20.78 με/℃。飛灰的加入對混合料試件平均溫度收縮系數影響顯著。其中,CSM-FA1的平均溫度收縮系數最小。相比于CSM,CSM-FA1的平均溫度收縮系數降低了6.46%。當飛灰摻量增加時,混合料的平均溫度收縮系數隨著增大。相比于CSM,CSM-FA4的平均溫度收縮系數提高幅度最大為23.1%。

由此可見,摻入適量的飛灰對水泥穩定碎石的抗溫度收縮性能有一定的改善作用。水泥穩定碎石中摻入少量飛灰并替換部分細集料后,混合料的干密度減小。在試驗中隨著溫度下降,混合料內部產生的溫度收縮變形只能在相對較小的組成空間內發生位移,所以就表現為具有較小的溫度收縮系數。隨著飛灰摻量的增長,飛灰發生火山灰反應產生了更多的膠結物。膠結物的溫度收縮變形增加了混合料總體收縮。因此當飛灰摻量超過1%時,混合料的溫度收縮系數明顯增大。

2.2 干燥收縮

干燥收縮的試驗數據結果如圖5—圖7所示。圖5為混合料的失水率變化情況,所有的試件的失水率都隨著時間的推移而增大。試件在前10 d的失水率增加比較明顯,后期失水率則增長較緩。CSM,CSM-FA1和CSM-FA2的累計失水率變化情況較為接近。隨著飛灰摻入的比例進一步增加,累計失水率也隨之增加。這可能是由于飛灰的比表面積大,吸水性較強,混合料的最佳含水率提高。所以混合料摻入飛灰攪拌之后,需要更多的水分,水分散失也更多更快。

不同混合料的干縮應變變化情況如圖6所示。隨著時間的推移,混合料的累計干縮應變逐漸增大,后期趨于穩定。干縮試驗結束,CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的累計收縮應變分別為194.5 με,180.4 με,253.57 με,309.79 με和402.36 με。從試驗結果可以看出,CSM-FA1的累計干縮應變減小,相比于CSM減小了7.25%。這可能是因為飛灰的加入,改善了水泥穩定碎石內部膠體結構,孔隙結構分布更加均勻,從而減少了毛細水的遷移。摻入少量飛灰之后消耗了更多用于水泥水化的水,因此收縮應變減小。但是隨著飛灰摻量的進一步增大,收縮應變增加,特別是早期收縮增加明顯。CSM-FA4的累計收縮應變增加了約1.07倍。說明飛灰摻量過多,對于水泥穩定碎石的抗收縮性能極為不利。少量的飛灰可以改善混合料的孔隙結構,但是飛灰摻量增大,火山灰反應緩慢導致大部分水分并沒有被消耗。增加飛灰摻量的同時也增加了混合料的拌和用水量,試件中的自由水增加,水分蒸發增大,導致試件收縮增加。飛灰比表面積大,導致混合料的吸附水和層間水增多,在后期水分的蒸發作用較強,因此混合料的收縮相對增大。

摻加飛灰對平均干縮系數影響較大。累計干縮系數變化趨勢與干縮應變類似,隨著時間的推移干縮系數增加,但逐漸趨于穩定。CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的平均收縮系數分別為62.32,58.04,81.06,96.33和117.42。CSM-FA1平均干縮系數最低,相比于CSM降低了6.87%。隨著飛灰摻量增加到2%,3%,4%時,平均干縮系數明顯增大。

3 結論

通過對不同摻量的飛灰水泥穩定碎石進行溫度收縮試驗和干燥收縮試驗,得出以下結論:1)飛灰可以改善水泥穩定碎石的溫度收縮性能。當飛灰的摻量為集料的1%時,水泥穩定碎石不同溫度區間內的溫度收縮應變和溫度收縮系數降低。隨著飛灰的摻量的增加,溫度收縮系數和溫度收縮應變增大。2)摻入飛灰可以提升水泥穩定碎石的抗干縮性能。在水泥穩定碎石中摻入1%的飛灰,可以改善水泥穩定碎石混合料的孔隙結構,使得混合料的結構更加均勻,從而降低水泥穩定碎石的干縮變形。3)考慮水泥穩定碎石的性能,推薦飛灰的摻量為1%,其平均溫度收縮系數和平均干縮系數均最小。