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        堿渣摻量對不同齡期下半剛性再生基層力學性能研究

        2021-05-20 02:30:24肖慶一封仕杰孫立東陳向偉
        關鍵詞:堿渣側限抗壓

        肖慶一,封仕杰,孫立東,陳向偉

        (1.河北工業(yè)大學 土木與交通學院,天津 300401;2.河北省土木工程技術研究中心,天津 300401;3.天津市交通工程綠色材料技術工程中心,天津 300401)

        0 引 言

        舊路結構再生技術,是將需要翻修或廢棄的道路結構材料,經(jīng)過翻挖、回收、破碎、篩分、摻加專用再生劑或無機、有機新結合料,重新拌和形成的達到規(guī)范路用性能標準的再生混合料,且用于鋪筑路面面層或基層的整套技術[1]。舊路結構再生對環(huán)境保護、自然資源的循環(huán)利用、能源的可持續(xù)發(fā)展有重要的研究價值。與傳統(tǒng)的道路工程維修養(yǎng)護方案相比,舊路結構再生技術可以回收瀝青、礦物材料等自然資源,在保護環(huán)境的同時可以降低工程成本40%左右、減少填料、保持道路原有幾何形狀、縮短工期、減少因鋪筑造成交通延誤等原因造成的損失。所以近年來,舊路結構再生技術受到廣泛關注[2]。

        國外已有的研究中,荷蘭對廢舊二灰穩(wěn)定碎石材料再生研究和應用最早。2001年荷蘭政府對廢舊二灰穩(wěn)定碎石材料的回收量高達1 500萬噸,回收率高達90%[3]。日本由于國土面積較小,資源相對匱乏,對廢舊材料研究較早且較為完善。上世紀七十年代,日本就已經(jīng)頒布了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》,同時在日本各大城市建起了廢舊材料處理及再生利用的工廠[4]。近年來,美國、韓國和歐洲一些發(fā)達國家對廢舊道路基層材料的再生研究主要體現(xiàn)在對再生骨料和再生二灰穩(wěn)定碎石的基本性能方面[5]。我國對廢舊基層材料的研究起步較晚,2008年我國頒布實施的《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》對廢舊瀝青混合料和廢舊半剛性基層材料的再利用起到了良好的指導作用。天津制堿廠早在上世紀八十年代就與天津建筑設計研究院等單位合作,對堿渣替代黃土作為建筑的填墊材料進行試驗,研究發(fā)現(xiàn)在堿渣中摻入粉煤灰及黃土可以達到目標強度,作為填墊材料使用[6];侯永利等[7]對堿渣摻入瀝青混合料后的性能進行試驗,研究發(fā)現(xiàn)堿渣在瀝青混合料中的分散效果良好,可以改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗剝落性能;孫冰等[8]在淤泥土中摻入堿渣并輔以水泥和廢舊混凝土等進行改性,發(fā)現(xiàn)改性后的淤泥土強度高、性能好、可滿足路基填土的要求等。

        筆者結合現(xiàn)有研究成果,以堿渣、石灰、粉煤灰、半剛性基層銑刨料為原材料,制備二灰-堿渣穩(wěn)定半剛性再生基層并研究其路用性能,旨在為廢舊半剛性基層材料在我國道路工程中的應用,提供一定參考價值和理論依據(jù)。

        1 試驗原材料及方法

        1.1 原材料

        1.1.1 石 灰

        試驗使用天津某白灰廠生產(chǎn)的消石灰,其相關技術參數(shù)見表1。

        表1 消石灰檢測結果

        鈣鎂石灰中MgO含量大于4%為鎂質(zhì)消石灰,MgO含量小于等于4%為鈣質(zhì)消石灰。經(jīng)過測試可以看出,試驗所用石灰屬于I級鎂質(zhì)消石灰。

        1.1.2 粉煤灰

        試驗使用的粉煤灰由天津某粉煤灰廠提供,其技術指標見表2。

        表2 粉煤灰測試結果

        經(jīng)過測試可以看出,試驗所用的粉煤灰滿足規(guī)范的各項技術要求,可以使用。

        1.1.3 堿 渣

        試驗使用的堿渣由河北省唐山市某制堿廠提供,其化學組分見表3。

        表3 堿渣的化學組分

        由表3可以看出,堿渣的主要化學組分為CaCO3、CaO、Ca(OH)2、CaSO4、CaCl2等,含水率為50%~70%的情況下平均pH=12.6。試驗用堿渣烘干磨細后,顆粒直徑控制在小于等于0.075 mm方孔篩備用,其平均粒徑為19.65 μm,比表面積為423 m2/kg。

        1.1.4 舊 料

        試驗使用的舊料為團唐公路路面大修工程中產(chǎn)生的基層銑刨料,其技術指標見表4。

        表4 舊料測試結果

        1.2 試驗方法

        首先,依照表5給出的配合比做成φ150 mm×h150 mm的圓柱型試件,放到溫度為20±2 ℃、相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護[9],如圖1。按JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行齡期為7、28、90、180 d的無側限抗壓強度試驗和室內(nèi)抗壓回彈模量試驗,研究不同配合比下二灰-堿渣穩(wěn)定再生基層的力學性能。

        表5 石灰、粉煤灰、堿渣和舊料的不同配比

        圖1 試驗所需的標準試件

        2 測試結果分析

        2.1 無側限抗壓強度試驗結果與分析

        二灰-堿渣再生半剛性基層材料的無側限抗壓強度試驗結果如表6。

        表6 二灰-堿渣再生半剛性基層材料的無側限抗壓強度試驗結果

        根據(jù)表6中的試驗結果可以看出,二灰-堿渣再生半剛性基層材料前期的無側限抗壓強度比二灰再生半剛性基層材料的無側限抗壓強度大,但是隨著養(yǎng)護齡期的增長,最終二灰-堿渣再生半剛性基層材料的無側限抗壓強度小于二灰再生半剛性基層材料的無側限抗壓強度。筆者從堿渣摻量對無側限抗壓強度的影響和養(yǎng)護齡期對無側限抗壓強度的影響兩個方面對二灰-堿渣再生半剛性基層材料無側限抗壓強度的變化規(guī)律進行總結分析。

        2.1.1 堿渣摻量對二灰-堿渣再生半剛性基層材料無側限抗壓強度的影響

        堿渣摻量對二灰-堿渣再生半剛性基層材料無側限抗壓強度的影響如圖2。

        圖2 堿渣摻量與二灰-堿渣再生半剛性基層無側限抗壓強度的關系

        根據(jù)表6和圖2可以看出,養(yǎng)護齡期在28 d之前,隨著堿渣摻量從0增加至5%,無側限抗壓強度不斷增大,且在堿渣摻量3% 時增長量最大。當養(yǎng)護齡期達到90 d之后,隨著堿渣摻量從0增加至5%,無側限抗壓強度呈現(xiàn)負增長的趨勢。這是由于,堿渣中含有大量的CaCO3,隨著堿渣摻量在一定范圍內(nèi)的增加,整體CaCO3的含量增加,CaCO3生成的纖維狀及晶簇狀的文石和方解石可以融合在膠結物之中增加試件的強度。隨著養(yǎng)護齡期的增加,參與化學反應的CaO含量減少,導致與粉煤灰生成的膠結物含量下降,且堿渣含量越多,石灰含量越少,因此,養(yǎng)護后期無側限抗壓強度隨著堿渣的增加呈負增長趨勢。

        2.1.2 養(yǎng)護齡期對二灰-堿渣再生半剛性基層材料無側限抗壓強度的影響

        養(yǎng)護齡期對二灰-堿渣再生半剛性基層材料無側限抗壓強度的影響如圖3。

        根據(jù)表6和圖3可以看出,在相同的堿渣摻量下,隨著養(yǎng)護齡期7~180 d的變化,無側限抗壓強度不斷增大。此外,在各個堿渣摻量下,養(yǎng)護前28 d,試件的無側限抗壓強度增長較快,養(yǎng)護28~180 d的過程中,無側限抗壓強度的增長速度逐漸變緩。并且,堿渣摻量越高,試件的無側限抗壓強度前期增長越快,最終強度均小于不摻堿渣的無側限抗壓強度。這是由于,堿渣中含有大量的CaCO3,CaCO3是文石和方解石的主要組成部分,化學膠結物間纖維狀及晶簇狀的文石和方解石可以增加試件的前期強度。由于堿渣的增加,石灰含量減少,石灰中CaO含量下降,隨著時間的推移,CaO與粉煤灰反應生成膠結物含量降低,其后期強度也趨于穩(wěn)定,且小于不摻堿渣的無側限抗壓強度。

        圖3 養(yǎng)護齡期與二灰-堿渣再生半剛性基層無側限抗壓強度的關系

        2.2 抗壓回彈模量試驗結果與分析

        抗壓回彈模量是路基或路面在荷載作用下產(chǎn)生的應力與其相應的回彈應變的比值,是我國半剛性基層材料力學性能的重要指標之一[10]。路面基層的抗壓回彈模量應與其剛度相匹配,不宜太大或太小[11]。影響半剛性材料抗壓回彈模量的因素很多,比如,級配、壓實度、舊料用量和結合料含量等等[12]。

        再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量試驗結果如表7。

        表7 再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量試驗結果

        根據(jù)表7可以看出,不同堿渣摻量下二灰-堿渣再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量均隨著齡期的增長而增大。28 d前二灰-堿渣再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量隨著堿渣的增加而增大;28 d后隨著堿渣的增加二灰-堿渣再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量先增加再減小,最終小于不摻加堿渣的半剛性再生基層材料的抗壓回彈模量。

        2.2.1 堿渣摻量對二灰-堿渣再生半剛性基層材料抗壓回彈模量的影響

        堿渣摻量對二灰-堿渣再生半剛性基層材料抗壓回彈模量的影響見圖4。

        根據(jù)表7和圖4可以看出,與無側限抗壓強度有類似的變化趨勢。養(yǎng)護齡期在28 d之前,隨著堿渣摻量從0增加至5%,抗壓回彈模量不斷增大,且在堿渣摻量3% 時增長量最大。7 d的養(yǎng)護齡期下抗壓回彈模量增加量為71 MPa;28 d的養(yǎng)護齡期下抗壓回彈模量的增加量為47 MPa。當養(yǎng)護齡期達到90 d之后,隨著堿渣摻量從0增加至5%,抗壓回彈模量呈現(xiàn)負增長的趨勢。

        圖4 堿渣摻量與二灰-堿渣再生半剛性基層抗壓回彈模量的關系

        2.2.2 養(yǎng)護齡期對二灰-堿渣再生半剛性基層材料抗壓回彈模量的影響

        養(yǎng)護齡期對二灰-堿渣再生半剛性基層材料抗壓回彈模量的影響如圖5。

        根據(jù)表7和圖5可以看出,不同堿渣摻量下的二灰-堿渣再生半剛性基層隨著養(yǎng)護齡期7~180 d的變化,抗壓回彈模量不斷增大。從增長量看,不同堿渣摻量的再生材料均在28 d前抗壓回彈模量增長量最大;整個養(yǎng)護期間不摻加堿渣的再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量增長量大于摻加堿渣的再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量增長量。從增長率看,不同堿渣摻量的再生半剛性基層材料前28 d的增長率均超過28 MPa/d,遠大于28 d后的6 MPa/d 及90 d后的2 MPa/d;3% 堿渣摻量以內(nèi)的再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量增長率均大于1 MPa/d;整個養(yǎng)護齡期內(nèi),摻加堿渣的再生半剛性基層材料增長率均小于不摻加堿渣的再生半剛性基層材料增長率,且5% 堿渣摻量的再生半剛性基層材料的增長率最小。

        圖5 不同再生材料抗壓回彈模量隨齡期變化曲線

        2.3 無側限抗壓強度與抗壓回彈模量的關系

        通過2.1、2.2節(jié)的分析可以看出,二灰-堿渣再生半剛性基層材料的無側限抗壓強度與對應的抗壓回彈模量有著相似的變化規(guī)律。為了深入研究無側限抗壓強度與抗壓回彈模量之間的關系(表8),對原始試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,擬合方程及其參數(shù)如式(1):

        y=a+bx

        (1)

        根據(jù)表8可以看出,不同堿渣摻量再生半剛性基層材料的無側限抗壓強度與抗壓回彈模量均相關性良好,且相關性系數(shù)R2均大于0.9。表明二灰-堿渣再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量與無側限抗壓強度有著相同的變化趨勢,在已知無側限抗壓強度的情況下可以通過擬合得到的方程來預測對應的抗壓回彈模量值。

        表8 不同再生材料無側限抗壓強度與抗壓回彈模量關系的相關數(shù)值

        2.4 堿渣摻量對無側限抗壓強度與抗壓回彈模量的影響

        為了得到堿渣摻量每增加 1% 對不同齡期下再生混合料無側限抗壓強度與抗壓回彈模量的影響關系,對堿渣摻量與無側限抗壓強度和抗壓回彈模量進行擬合,得到的結果如圖6~圖9。

        圖6 7 d下堿渣摻量與無側限抗壓強度和抗壓回彈模量的擬合

        圖7 28 d下堿渣摻量與無側限抗壓強度和抗壓回彈模量的擬合

        圖8 90 d下堿渣摻量與無側限抗壓強度和抗壓回彈模量的擬合

        圖9 180 d下堿渣摻量與無側限抗壓強度和抗壓回彈模量的擬合

        由圖6~圖9可以看出,不同堿渣摻量對再生半剛性基層材料的無側限抗壓強度與抗壓回彈模量均有著良好的相關性,且相關性系數(shù)R2均大于0.9。表明可以對不同齡期下二灰-堿渣再生半剛性基層材料的無側限抗壓強度與抗壓回彈模量隨著堿渣代替石灰摻量的增加進行預測,有利于工程實踐中對堿渣摻量進行控制。

        3 強度形成原理分析

        3.1 機理分析

        結合試驗以及相關文獻的研究,可以從骨料的相互嵌擠作用和石灰、堿渣、粉煤灰的化學反應等角度對二灰-堿渣穩(wěn)定半剛性再生基層的再生機理進行分析。

        3.1.1 骨料的相互嵌擠作用

        骨料含量較少時分散在石灰堿渣粉煤灰結合料中,起到一定的增強作用但是效果并不明顯。隨著骨料含量的增加,骨料逐漸相互嵌擠摩擦,形成骨架,石灰堿渣粉煤灰結合料填充在骨料中間將石灰粉煤灰與骨料粘結成為一個整體,強度大幅度提高。隨著骨料含量不斷增加,石灰堿渣粉煤灰結合料含量下降,不能很好地填充到骨料形成的骨架中間,使石灰堿渣粉煤灰與骨料粘結能力下降,強度再次減小。

        3.1.2 石灰粉煤灰的化學反應

        消石灰主要由Ca(OH)2組成,加水后可溶解并產(chǎn)生電解:

        Ca(OH)2=Ca2++2OH-

        (2)

        電解反應生成OH-離子,使混合料液相呈現(xiàn)堿性環(huán)境,為其他反應提供必備的環(huán)境。

        在堿性環(huán)境下,Ca(OH)2與空氣以及粉煤灰中的CO2發(fā)生碳化反應:

        Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

        (3)

        該反應生成堅硬的CaCO3晶體,與粉煤灰相互膠結,提高粉煤灰固化性能的同時提高了整體的強度和穩(wěn)定性。

        由于混合料中水分不足,Ca(OH)2不能完全溶解,部分飽和Ca(OH)2在石灰粉煤灰環(huán)境下膠結并逐漸結晶:

        Ca(OH)2+nH2O→Ca(OH)2·nH2

        (4)

        同時,Ca(OH)2膠體與粉煤灰玻璃體表面的SiO2、Al2O3逐漸反應生成硅酸鈣和鋁酸鈣的復合物,它們相互咬合并形成網(wǎng)狀結構,使石灰粉煤灰結合料的粘結能力增強。

        mCa(OH)2+SiO2+nH2O→mCaO·SiO2·(m+n)H2O

        (5)

        yCa(OH)2+Al2O3+nH2O→yCaO·Al2O3·(y+n)H2O

        (6)

        3.1.3 摻入堿渣后的化學反應

        堿渣中的CaCO3以方解石和文石等礦物結構存在,具有較強的吸水能力,混合料整體的水分減小,溶液的pH值相對變大,堿性增強,可以加快激活粉煤灰中SiO2、Al2O3的活性,生成N—A—S—H結構。同時CaCO3質(zhì)地堅硬,可以作為細骨料顆粒填充孔隙,增加強度,改善穩(wěn)定性。堿渣中的CaSO4具有一定的微膨脹性能,可以很好的改善混合料的抗收縮性能。溶液中大量Ca2+的存在可以與粉煤灰反應生成C—S—H凝膠產(chǎn)物,為N—A—S—H的形成提供形核位置,且CaCl2和Ca(OH)2的存在可以減小混合料內(nèi)部孔隙的連通性,增加結合物的質(zhì)量,使其很好地覆蓋在骨料顆粒表面,從而改善混合料的整體性,提高整體強度。

        n(SiO2·Al2O3)+nSiO2+4nH2O→(—Si—O—Al—O—Si—O)

        (7)

        3.2 XRD試驗分析

        為了更好地確定摻加堿渣后混合料內(nèi)部成分的變化,分析了成分變化對強度形成的影響程度。對未摻加堿渣和堿渣代替石灰摻量為3%的二灰-堿渣穩(wěn)定半剛性再生基層混合料養(yǎng)護7 d和90 d的試樣進行XRD試驗,試驗結果如圖10~1圖13。

        圖10 7 d下未摻加堿渣的XRD衍射譜

        圖11 7 d下堿渣摻量3% 的XRD衍射譜

        圖12 90 d下未摻加堿渣的XRD衍射譜

        圖13 90 d下堿渣摻量3% 的XRD衍射譜

        從圖10~1圖13的衍射譜可以看出,未摻加堿渣與摻加堿渣的再生基層混合料在7 d和90 d齡期下的主要物質(zhì)均為CaCO3、Ca(OH)2、CaMg(CO3)2、SiO2。但是,養(yǎng)護7 d的情況下,摻加堿渣后的生成物多了Al2Si3O5(OH)4·2H2O,該物質(zhì)是高嶺石和莫來石的成分。此外摻加堿渣后的CaCO3含量增多,因此養(yǎng)護前期摻加堿渣后再生基層的力學性能有所提高。當養(yǎng)護齡期到90 d時,CaCO3、Ca(OH)2、CaMg(CO3)2、SiO2等主要物質(zhì)的生成量增加,且有如Al6Si2O13等新物質(zhì)的生成,因此隨著齡期的增長,再生基層的力學強度不斷增大。未摻加堿渣的再生基層生成物含量比摻加堿渣后生成物含量多,故養(yǎng)護后期未摻加堿渣的再生基層力學性能更好。

        4 結 論

        1)在養(yǎng)護齡期的前28 d,隨著堿渣摻量的增加,二灰-堿渣穩(wěn)定半剛性再生基層的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量均不斷增大,且在堿渣摻量小于3%時,增加量較大,超過3%增加量趨于平緩;在養(yǎng)護齡期超過28 d后,隨著堿渣摻量的增加,無側限抗壓強度和抗壓回彈模量逐漸減小,且在堿渣摻量超過3%時,減小量增大,最終小于不摻堿渣的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量。因此堿渣代替石灰的最佳摻量范圍為1%~3%。

        2)二灰-堿渣穩(wěn)定半剛性再生基層的抗壓回彈模量和無側限抗壓強度隨著堿渣摻量和養(yǎng)護齡期的變化呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。在得到無側限抗壓強度或抗壓回彈模量后,可以通過擬合得出的方程對另一值進行預測。堿渣摻量的增加對再生基層的力學強度的影響呈二次曲線關系,工程中可根據(jù)堿渣摻量對力學性能進行預測,以達到最佳效果。

        3)骨料間的相互嵌擠對二灰穩(wěn)定半剛性再生基層骨架結構影響較大,直接影響其力學性能和抗收縮性能的強弱。石灰、堿渣與粉煤灰反應所形成的Ca(OH)2·H2O、CaO·Al2O3·H2O和CaO·SiO2·H2O等復合物互相咬合形成有一定粘結強度的膠凝化合物,可以使骨料與結合料整體粘結,力學性能和抗收縮性能均有較大的提高。

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