楊維榮，葉 偉，楊 波

(1.黔東南州交通工程質(zhì)量監(jiān)督處， 貴州 天柱 556000； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 400060)

重晶石礦渣在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用研究

楊維榮1，葉 偉2，楊 波2

(1.黔東南州交通工程質(zhì)量監(jiān)督處， 貴州 天柱 556000； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 400060)

通過對重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石基層級配和路用性能的研究，成功將重晶石礦渣作為細集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石混合料中。重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓性能、抗拉性能及抗干縮性能均與常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石混合料基本相當(dāng)，從而為貴州省重晶石礦渣的廢物利用尋找到一條新的出路。

重晶石礦渣；水泥穩(wěn)定碎石；配合比；路用性能

重晶石指主要成分為鋇(Ba)的硫酸鹽礦物，是化工產(chǎn)業(yè)的重要原料。重晶石經(jīng)煅燒后產(chǎn)生的礦渣，除鋇類化合物含量最高外，鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、銅(Cu)、汞(Hg)等重金屬化合物含量也較高[1]。如果重晶石礦渣處理不當(dāng)，就可能對周邊土壤和水源造成污染。貴州省重晶石礦儲量豐富，占全國總儲量的60%，然而，如何利用重晶石礦渣則一直缺乏有效途徑，造成貴州省天柱縣等重晶石產(chǎn)區(qū)礦渣堆積，不僅占用了土地，而且還污染了周邊環(huán)境。為此，有必要對重晶石礦渣作為細集料的水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比[2]及路用性能進行試驗研究，使重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的技術(shù)性能和環(huán)保性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。其目的一方面是解決重晶石礦渣的無害化處理問題；另一方面，希望能夠變廢為寶，為重晶石礦渣的廢物利用尋找到一條新的出路。

1 原材料

1.1 重晶石礦渣

1.1.1 篩分結(jié)果

重晶石礦渣的表觀為一種灰白色細小顆粒，如圖1所示。為了判定重晶石礦渣遇水后是否會發(fā)生水解，從而改變礦渣強度和級配，筆者將重晶石礦渣分別浸水1、3、7 d，干燥處理后分別對其進行了篩分試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

圖1 重晶石礦渣表觀

孔徑/mm平均通過率/%干篩浸水1d后干篩浸水3d后干篩浸水7d后干篩9.5100.0100.0100.0100.04.7599.498.699.699.22.3688.288.389.989.11.1867.367.668.467.40.654.355.756.555.50.326.829.028.627.60.1526.126.828.328.20.07520.923.222.120.5

試驗結(jié)果表明，浸水后重晶石礦渣級配未發(fā)生明顯變化，各篩孔通過率平均差值在2%左右，說明重晶石礦渣遇水干燥后級配相對穩(wěn)定。

1.1.2 物理性質(zhì)

根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》的規(guī)定，將重晶石礦渣作為細集料進行相應(yīng)的物理性能檢測，檢測結(jié)果如表2所示。

表2 重晶石礦渣物理性能指標

檢測結(jié)果表明，重晶石礦渣物理性能基本滿足使用要求。

1.1.3 環(huán)保性能

重晶石礦渣屬于工業(yè)廢料。經(jīng)檢測，重晶石礦渣除了含有較高鋇類化合物外，還含有其他有毒重金屬元素化合物[3]。本文參照SY/T 6240—1996《重晶石化學(xué)成分分析方法》對重晶石礦渣原樣的浸出毒性進行分析，檢測結(jié)果如表3所示。

表3 重晶石礦渣中重金屬濃度 mg/L

注：濃度限值為GB 5085.3—2007《鑒別危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》規(guī)定的限值。

由表3可以看出，重晶石礦渣浸出液中重金屬離子析出濃度除鋅(Zn)、銅(Cu)在規(guī)定的限制范圍之內(nèi)外，其余重金屬離子析出濃度均超標。因此，重晶石礦渣大量不合理堆放可能會對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成不容忽視的污染。

1.2 粗細集料及水泥

選用石灰?guī)r碎石作為集料[4]，水泥選用P.O 32.5普通硅酸鹽水泥。石灰?guī)r碎石物理指標如表4所示。

表4 碎石物理指標

2 配合比設(shè)計

2.1 級配設(shè)計

本文研究的重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石基層的目標應(yīng)用范圍主要為貴州省2級及2級以下等級公路。因此，根據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細則》中對水泥穩(wěn)定碎石級配范圍的規(guī)定，本文采用C-C-1懸浮密實型級配[5]作為重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石基層的級配控制范圍，如表5所示。試驗時，將重晶石礦渣作為細集料參與水泥穩(wěn)定碎石的級配合成，并以級配控制范圍中值為目標級配，分別進行礦渣摻量為0%、10%、20%、30%(占集料重質(zhì)量的百分比)的級配合成試驗。不同礦渣摻量下水泥穩(wěn)定碎石級配合成曲線如圖2所示。

圖2 不同礦渣摻量下水泥穩(wěn)定碎石級配合成曲線

2.2 最佳含水量確定

試驗采用32.5號普通硅酸鹽水泥，摻量為4%[6]。按照合成級配，分別對重晶石礦渣摻量為0%、10%、20%、30%的混合料以不同含水量進行重型擊實試驗，以測定重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料在不同礦渣摻量下的最大干密度和最佳含水量。不同重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干密度與含水量關(guān)系曲線如圖3所示，最大干密度如表5所示。圖3中，x為含水量；y為干密度。

圖3 不同重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料干密度與含水量關(guān)系曲線

重晶石礦渣摻量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水量/%02.2294.7102.2857.5202.2709.8302.26412.3

由表5可知，隨著重晶石礦渣摻量增加，混合料最大干密度減小，最佳含水量增大。其主要原因為重晶石礦渣粒徑小，比表面積大，吸水率高所致。

2.3 礦渣摻量確定

本文采用3.5 MPa作為重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石基層7 d無側(cè)限抗壓強度標準[7]。同時，根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，按照不同重晶石礦渣摻量所對應(yīng)的最佳含水量成型重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度圓柱形試件，每組礦渣摻量各成型7個試件，完成7 d標準養(yǎng)生后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同重晶石礦渣摻量水泥穩(wěn)定碎石試件7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

由表6可知，隨著重晶石礦渣的摻入，水泥穩(wěn)定碎石試件7 d無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)?shù)V渣摻量為30%時，其強度達不到3.5 MPa的技術(shù)要求。同時，10%和20%重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石試件其7 d無側(cè)限抗壓強度相差不大，且均能達到3.5 MPa的技術(shù)要求。因此，為提高重晶石礦渣的利用率，本文在保證強度達標的前提下采用了較高的礦渣摻量，將20%作為重晶石礦渣摻量上限，并以此進行路用性能研究。

3 路用性能檢測試驗

3.1 抗拉性能

一般而言，水泥穩(wěn)定碎石材料的抗拉性能相對抗壓性能要弱一些，如果抗拉強度不足則可能造成水泥穩(wěn)定碎石基層開裂，從而影響路面使用壽命。為此，本文對20%重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石以及未摻重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石進行7 d和28 d標準養(yǎng)生條件下的對比劈裂強度試驗，試驗結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出，重晶石礦渣摻量為20%的水泥穩(wěn)定碎石與未摻重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石相比較，其7 d和28 d劈裂強度基本相同，無明顯變化，表明20%重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料能夠滿足2級及以下公路對基層抗拉性能的要求。

3.2 干縮性能

由于重晶石礦渣總體偏細，比表面積大，從而導(dǎo)致重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水量明顯增加，并可能由此增加基層出現(xiàn)干縮裂縫[8]的風(fēng)險。為此，本文按照JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料試驗規(guī)程》規(guī)定的試驗方法，對20%重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石和未摻重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石進行干縮性能對比試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。

表7 重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度試驗結(jié)果

圖4 不同重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石干縮性能對比試驗結(jié)果

由圖4可以看出，摻20%重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石其干縮曲線與未摻重晶石礦渣的常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石的干縮曲線形狀類似，均為前15 d干縮速率較快，15 d后逐漸趨于穩(wěn)定。對2種水泥穩(wěn)定碎石混合料干縮變形的絕對值進行了比較，發(fā)現(xiàn)摻20%重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石在變形穩(wěn)定后其累計干縮變形僅高出未摻重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石6.7%。由此可見，雖然摻20%重晶石礦渣的水泥穩(wěn)定碎石干縮變形略大，但兩者差異并不顯著，可以通過適當(dāng)調(diào)整施工工藝加以控制。

3.3 環(huán)保性能

由表3可知，重晶石礦渣原樣浸出液中鋅(Zn)、銅(Cu)濃度值滿足環(huán)保要求，其他4種重金屬離子超標。因此，本文重點對重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料(重晶石礦渣摻量為20%)中的鉛(Pb)、鎘(Cd)、鋇(Ba)、汞(Hg)4種重金屬離子的浸出濃度進行檢測分析，檢測結(jié)果如表8所示。

表8 重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石(礦渣摻量20%)浸出毒性檢測結(jié)果

由表8可知，重晶石礦渣中的重金屬離子經(jīng)過水泥固化穩(wěn)定以后，重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石浸出物的重金屬含量已滿足環(huán)保要求。因此，在道路建設(shè)中采用重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石基層可以有效避免重晶石礦渣對環(huán)境的污染。

4 結(jié)論

本文以重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石為研究對象，對其配合比和路用性能進行了重點研究，并得到如下結(jié)論：

1) 重晶石礦渣浸水前后干篩級配比較穩(wěn)定，且物理性能指標滿足技術(shù)規(guī)范要求，可作為水泥穩(wěn)定碎石細集料使用。

2) 在保證抗壓強度的前提下，可將20%(相對集料總質(zhì)量)作為重晶石礦渣在水泥穩(wěn)定碎石混合料中的摻量上限。

3) 采用20%重晶石礦渣摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料其抗拉性能與常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石基本相當(dāng)，干縮變形僅增加6.7%，表明礦渣對水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能沒有影響，干縮性能總體可控。

4) 重晶石礦渣浸出物中的重金屬離子含量明顯超過國家環(huán)保要求，但經(jīng)水泥固化穩(wěn)定后，重晶石礦渣水泥穩(wěn)定混合料浸出物中重金屬離子含量大幅減少，不僅滿足國家環(huán)保規(guī)范要求，而且還有效解決了重晶石礦渣的污染問題。

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Application of Barite Slag in Cement Stabilized Macadam Base

YANG Weirong1,YE Wei2,YANG Bo2

In this paper,barite slag,as a fine aggregate,was successfully applied to the cement stabilized gravel mixture by studying the gradation and road performance of the barite stabilized macadam base. The barite slag cement stabilized macadam mixture has similar compressive property,tensile properties and anti-shrinkage properties of common cement-stabilized gravel mixture,which found a new way for the utilization of barite slag in Guizhou Province.

barite slag; cement stabilized gravel; mixing ratio; road performance

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.002

貴州省交通運輸廳科技項目(2015-121-048)

2016-09-06

楊維榮(1965-)，男， 貴州省凱里市人，大專，高工。

1009-6477(2016)06-0005-05

U416.21

A