項陽國

(湖南省高速公路集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410003)

0 引言

城市改造產(chǎn)生大量拆除類建筑垃圾，目前以填埋為主，不僅占用大量土地，還會對環(huán)境造成污染[1]。我國目前面臨著石灰石資源枯竭的問題，因此將建筑垃圾破碎成一定粒徑范圍的骨料用于路面基層是非常具有研究意義的[2]。但破碎建筑垃圾生產(chǎn)的再生骨料雜質(zhì)含量較多，且骨料強(qiáng)度比天然石灰石低，如果直接用于基層中，基層的強(qiáng)度將難以保證。堿激發(fā)水泥強(qiáng)度比硅酸鹽水泥高，且堿激發(fā)水泥原料是礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢料，開發(fā)適用于路面材料的堿激發(fā)水泥具有廣闊前景[3-4]。

本文研究了以礦渣為主要膠凝材料的堿激發(fā)礦渣水泥的性能，并將其應(yīng)用于再生骨料水穩(wěn)基層中。

1 試驗原材料及材料組成設(shè)計

1.1 試驗原材料

1) 水泥：采用湖南南方的P·C32.5級水泥，密度為3150kg/m3，各項性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2) 礦渣：采自湖南湘潭某鐵廠，白色，密度為2950kg/m3。水泥和礦渣的化學(xué)成分見表1。

3) 石膏：產(chǎn)自湖南湘潭，白色，密度為2910kg/m3。

表1 水泥與礦渣的化學(xué)成分%材料種類SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OSO3水泥22.51 5.323.7863.122.560.710.192.02礦渣33.0013.910.8239.1110.041.91—0.16

4) 化學(xué)藥品：本研究中采用的堿激發(fā)劑為學(xué)分純氫氧化鈉和水玻璃，通過向水玻璃中加入氫氧化鈉改變原水玻璃中SiO2和Na2O的比例，配置成不同模數(shù)的水玻璃。氫氧化鈉純度為99%±1%，水玻璃的化學(xué)成分見表2。

表2 水玻璃的化學(xué)成分編號Na2O/%SiO2/%模數(shù)含水率/%水玻璃8.326.53.365.2

5) 水：采用普通自來水。

6) 集料：采用建筑垃圾破碎集料，一種為混凝土塊破碎集料，另一種是磚混集料，見圖1。2種都包括0～4.75、4.75～9.5、9.5～19、19～26.5mm這4檔粒徑。按照《公路工程集料試驗規(guī)程》測量集料性質(zhì)指標(biāo)，見表3。

表3 再生集料技術(shù)指標(biāo)集料種類表觀密度/ (g·cm-3)毛體積密度/ (g·cm-3)表干密度/ (g·cm-3)壓碎值/%針片狀/%含泥量/%磚渣含量/%19～26.5 mm2.632.352.4523.77.42.40混凝土塊破碎集料9.5～19 mm 2.632.322.4424.26.82.704.75～9.5 mm 2.642.312.4229.58.57.500～4.75 mm2.61————8.4019～26.5 mm2.562.102.2829.19.40.121.2磚混集料9.5～19 mm 2.532.042.2431.810.61.328.74.75～9.5 mm 2.582.082.2234.310.34.723.60～4.75 mm2.58————10.7—

a)混凝土塊破碎集料

b)磚混集料

1.2 材料組成設(shè)計

本研究中含建筑垃圾水泥穩(wěn)定碎石路面基層材料的集料級配參考JTG D50—2019規(guī)范中骨架密實型混合料，將2種集料進(jìn)行級配合成，結(jié)果如表4所示。

表4 級配合成通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%31.526.519.09.54.752.360.60.075上限10010090685038227下限100906745291880混凝土塊破碎集料98.293.979.750.332.924.213.64.5磚混集料99.594.279.14935.326.715.24.9

采用重型擊實的方法進(jìn)行最大干密度和最佳含水量的測定，試驗方法參照J(rèn)TG E51—2019規(guī)程。分別測定水泥摻量為3%、4%、5%、6%集料的最大干密度和最佳含水率，結(jié)果如表5所示。

表5 水泥穩(wěn)定再生集料的最大干密度和最佳含水量水泥摻量/%混凝土塊破碎集料磚混集料最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)310.042.01914.021.843410.152.02614.111.857510.232.03114.241.871610.322.03814.331.880

2 試驗結(jié)果分析

2.1 凝結(jié)時間

通過正交試驗，分析了水泥與礦渣比例、石膏摻量、堿激發(fā)劑參數(shù)對水泥凝結(jié)時間的影響，試驗結(jié)果見表6。由表6可知，純水泥試件的初凝時間為231 min，不能滿足運(yùn)距較遠(yuǎn)道路水穩(wěn)基層施工的要求(初凝時間>360 min，終凝時間≤720 min)。石膏的摻入能有效提高純水泥試件的初凝時間。當(dāng)膠凝材料中水泥∶礦渣為40∶60時，不摻入石膏的試件初凝時間都較短，隨著石膏的摻入，試件的凝結(jié)時間逐漸延長。堿激發(fā)膠凝材料試件凝結(jié)時間隨水泥摻量的減小而增加，隨堿和水玻璃濃度模數(shù)的增加而減小。對比不同石膏摻量試件的凝結(jié)時間可得，4%石膏摻量的試件凝結(jié)時間過長，且石膏的摻入會降低水泥試件的強(qiáng)度。因此，石膏摻量為水泥摻量2%時最適宜。

表6 堿激發(fā)膠凝材料凝結(jié)時間膠凝材料組成水泥/%礦渣/%石膏/%堿激發(fā)劑凝結(jié)時間/min堿濃度/%水玻璃模數(shù)初凝終凝膠凝材料組成水泥/%礦渣/%石膏/%堿激發(fā)劑凝結(jié)時間/min堿濃度/%水玻璃模數(shù)初凝終凝1000000231286100010038745010002006247021000400>720>7204060010.52222764060011183219406000.50.5253324406000.512152654060210.53303834060211294329406020.50.5356458406020.513123644060410.55015594060411466506406040.50.5494562406040.514725242080010.52773032080011235287208000.50.5290363208000.512833222080210.54454962080211362421208020.50.5487587208020.514254792080410.5>720>7202080411>720>720208040.50.5>720>720208040.51>720>7200100010.5>720>7200100011447509010000.50.5>720>720010000.51>720>720

2.2 水泥砂漿強(qiáng)度

通過正交試驗，分析了水泥與礦渣比例、石膏摻量、堿激發(fā)劑參數(shù)對水泥砂漿強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果見表7。由表7可知，對于純水泥砂漿試件，石膏的摻入會明顯降低試件抗壓、抗折強(qiáng)度。砂漿試件的抗壓、抗折強(qiáng)度隨水泥摻量的降低而減小，隨堿摻量的增加而增大，隨模數(shù)的增大而小幅度增長。堿濃度1%、水玻璃模數(shù)0.5的堿激發(fā)劑與堿濃度0.5%、水玻璃模數(shù)0.5的堿激發(fā)劑相比，水玻璃和氫氧化鈉用量高出一倍，但砂漿強(qiáng)度并沒有大幅度增加；堿濃度0.5%、水玻璃模數(shù)1的堿激發(fā)劑與堿濃度0.5%、水玻璃模數(shù)0.5的堿激發(fā)劑相比，水玻璃和氫氧化鈉的總體用量也高出不少，但砂漿強(qiáng)度的影響效果一般。綜合考慮成本和強(qiáng)度影響效果，堿濃度0.5%、模數(shù)0.5的堿激發(fā)劑最適宜。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

通過正交試驗，分析了水泥與礦渣比例、石膏摻量、堿激發(fā)劑參數(shù)對水泥穩(wěn)定再生集料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果見表8和圖2。由表8可得，膠凝材料組分為40%水泥、60%礦渣時，水穩(wěn)試件強(qiáng)度在各膠凝材料摻量下都是最大的；且膠凝材料摻量為3%和4%時，水穩(wěn)試件強(qiáng)度提高幅度較大；膠凝材料組分為20%水泥、80%礦渣時，除膠凝材料摻量3%外，水穩(wěn)試件強(qiáng)度基本沒有提高。由圖2可知，膠凝材料為純水泥時，水穩(wěn)試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膠凝材料摻量的增加而逐漸增大，其它3組水穩(wěn)試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨膠凝材料摻量的增加而先增大后趨于穩(wěn)定。

表7 堿激發(fā)膠凝材料砂漿強(qiáng)度膠凝材料組成水泥/%礦渣/%石膏/%堿激發(fā)劑砂漿強(qiáng)度堿濃度/%水玻璃模數(shù)3 d抗壓強(qiáng)度/MPa28 d抗壓強(qiáng)度/MPa3 d抗折強(qiáng)度/MPa28 d抗折強(qiáng)度/MPa10000003.217.55.733.810002002.814.74.827.410004002.19.34.518.64060210.53.920.56.236.140602114.321.76.738.3406020.50.53.518.66.135.4406020.513.519.46.436.92080210.53.718.05.735.520802114.219.96.636.2208020.50.52.915.55.532.6208020.513.217.96.135.4010000.50.53.114.55.529.601000113.516.95.833.7010000.50.52.413.24.928.5010000.512.513.55.330.4

表8 堿激發(fā)膠凝材料穩(wěn)定再生混凝土集料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度膠凝材料組成水泥/%礦渣/%石膏/%堿激發(fā)劑不同膠凝材料摻量的抗壓強(qiáng)度/MPa堿濃度/%水玻璃模數(shù)3%4%5%6%10000002.64.24.75.1406020.50.53.84.95.05.1208020.50.53.54.44.54.7010000.50.53.54.04.64.5

圖2 堿激發(fā)膠凝材料穩(wěn)定再生混凝土集料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3 結(jié)論

1) 石膏的摻入能有效延長PC水泥的凝結(jié)時間，但同時也會降低PC水泥試件的強(qiáng)度。在一定堿濃度和水玻璃模數(shù)范圍內(nèi)，堿激發(fā)膠凝材料凝結(jié)時間隨堿摻量和模數(shù)的增加而減小。

2) 水穩(wěn)試件強(qiáng)度隨膠凝材料摻量的增加而持續(xù)增大，而對于一定堿濃度和水玻璃模數(shù)的堿激發(fā)膠凝材料水穩(wěn)試件，強(qiáng)度隨膠凝材料摻量的增加而先增大后趨于穩(wěn)定。

3) 推薦石膏摻量2%、堿濃度0.5%、水玻璃模數(shù)0.5的堿激發(fā)膠凝材料作為水穩(wěn)材料，強(qiáng)度和凝結(jié)時間都滿足水穩(wěn)基層材料的施工技術(shù)要求。