徐 瑞,黃 偉,張 麗,張耄耋,唐 剛

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,馬鞍山 243032)

0 引 言

隨著國(guó)家環(huán)保整治力度的加大,開(kāi)采天然砂石料的管控政策逐漸趨嚴(yán),傳統(tǒng)道路基層水泥穩(wěn)定碎石價(jià)格日漸攀升,因此研發(fā)性能優(yōu)異的水泥穩(wěn)定碎石替代材料成為道路工程研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。有學(xué)者就土體固化、鋼渣固廢資源利用等技術(shù)于道路基層應(yīng)用開(kāi)展了研究,發(fā)現(xiàn)采用土壤固化劑固化素土,其力學(xué)性能指標(biāo)可達(dá)到底基層甚至基層的要求[1-3];采用鋼渣制備道路基層,可有效發(fā)揮鋼渣潛在的膠凝特性,實(shí)現(xiàn)較高的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)[4-5]。樊慧平[6]對(duì)固化劑穩(wěn)定土基層的研究表明,添加固化劑對(duì)基層的抗收縮性、抗凍性均有所提高。王清洲等[7]對(duì)摻加鋼渣的半剛性基層材料進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)鋼渣水化微膨脹的特性能夠改善基層的干縮性能。吳旻等[8]發(fā)現(xiàn)二灰鋼渣穩(wěn)定土基層干縮的重要原因是材料的失水,并且認(rèn)為鋼渣中f-CaO遇水反應(yīng)能夠產(chǎn)生微膨脹,從而可以減小二灰鋼渣土的干縮系數(shù)。徐曉云[9]研究發(fā)現(xiàn)鋼渣穩(wěn)定土由于鋼渣的膨脹,隨著鋼渣含量增加其干縮系數(shù)逐漸減小。Li等[10]研究發(fā)現(xiàn)土體經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后孔隙比增大。楊林等[11]對(duì)固化劑固化石灰土基層進(jìn)行凍融后發(fā)現(xiàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量均降低,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大損失率不超過(guò)50%。從上述的研究成果來(lái)看,相比水泥穩(wěn)定碎石基層[12-13],以素土為主要集料制備的基層干縮更大、抗凍性更差,而鋼渣的膨脹性亦對(duì)基層干縮有影響。

將未經(jīng)陳化的鋼渣與素土混拌并復(fù)摻礦渣微粉、水泥、離子型土壤固化劑制備鋼渣混合土(steel slag mixed soil, SSMS)基層材料,開(kāi)展了力學(xué)性能和體積安定性試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)鋼渣與土質(zhì)量比為1∶1,外摻占鋼渣質(zhì)量40%的礦渣微粉時(shí)SSMS性能成本達(dá)到最優(yōu),7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)7.19 MPa,持續(xù)90 d高溫水浴測(cè)試體積膨脹率不超過(guò)0.25%,表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能和體積安定性能[14-15]。但是SSMS的主要材料為素土與鋼渣,在環(huán)境作用下的響應(yīng)特性尚不明確,因此有必要開(kāi)展SSMS干縮及抗凍性能研究,并與其他半剛性基層進(jìn)行對(duì)比,為促進(jìn)SSMS的工程應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)主要的原材料有素土、鋼渣、礦渣微粉、土壤固化劑和水泥。素土選自安徽省馬鞍山市某建筑工地的回填土,其液限WL為44.6%,塑限WP為22.1%,塑性指數(shù)IP為22.5,屬于低液限黏土,在使用前先進(jìn)行干燥破碎。鋼渣選用馬鞍山鋼鐵股份公司產(chǎn)出的未經(jīng)陳化的轉(zhuǎn)爐熱悶渣,取經(jīng)4.75 mm標(biāo)準(zhǔn)篩的篩下料。礦渣微粉選用馬鋼嘉華新型建材公司的S95級(jí)高爐礦渣微粉,其表觀密度為2 900 kg/m3,比表面積為400 m2/kg。采用X-射線熒光光譜(XRF)對(duì)鋼渣、礦渣微粉化學(xué)成分及含量進(jìn)行分析,相關(guān)結(jié)果列于表1。土壤固化劑采用國(guó)產(chǎn)易孚森離子型液體土壤固化劑,以1∶200(質(zhì)量比)用水稀釋后使用,凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)比108.3%,抗壓強(qiáng)度比149.2%,水穩(wěn)定性系數(shù)比115.2%,各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足《土壤外加劑》(CJ/T 486—2015)中對(duì)土壤固化外加劑的要求。水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,比表面積為360 m2/kg,初凝時(shí)間為171 min,終凝時(shí)間為262 min,各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)要求。

表1 試驗(yàn)原材料的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of raw materials

1.2 試驗(yàn)方案

基于SSMS力學(xué)性能和體積安定性研究[14-15]得到的優(yōu)選配合比,取鋼渣質(zhì)量與土和鋼渣的總質(zhì)量之比(簡(jiǎn)稱(chēng)鋼渣占比)、水泥摻量、固化劑摻量為影響因素,共設(shè)計(jì)10組配合比開(kāi)展SSMS干縮和凍融單因素影響試驗(yàn),配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。表中3#配合比為SSMS優(yōu)選配合比,各配合比中礦渣微粉摻量均按鋼渣質(zhì)量的40%取用,并通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得各組最佳含水率和最大干密度。

表2 試件配合比設(shè)計(jì)Table 2 Mix ratio design of specimens

干縮試件為細(xì)粒土小梁試件,尺寸為50 mm×50 mm×200 mm,采用反力框架靜力壓實(shí)成型。依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[16]進(jìn)行試驗(yàn),將試件放置在自由滾動(dòng)的玻璃棒上,兩端安裝千分表對(duì)其收縮量進(jìn)行測(cè)量。干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)計(jì)算分別見(jiàn)式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中:l為干縮試件長(zhǎng)度,10-3mm;Δl為干縮量,10-3mm;εi為干縮應(yīng)變,單位長(zhǎng)度的干縮量,10-6;Δω為失水率,失水量與試件干重的比值,%;αi為干縮系數(shù),10-6。

凍融循環(huán)試驗(yàn)依據(jù)規(guī)程[16]中的凍融試驗(yàn)方法進(jìn)行試件制備及養(yǎng)護(hù),為考慮凍融期間強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)的影響,各配合比均設(shè)有凍融組與標(biāo)養(yǎng)組。凍融組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d后分別凍融2、4、6、8 次循環(huán),測(cè)定試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;標(biāo)養(yǎng)組則分別測(cè)得28 d及對(duì)應(yīng)凍融組n次凍融循環(huán)同齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。凍融循環(huán)試驗(yàn)采用凍融質(zhì)量損失率Wn和凍融殘留強(qiáng)度比BDR表征SSMS的抗凍性能,分別按式(3)和式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

(4)

式中:Wn為n次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率,%;m0為凍融循環(huán)前試件的質(zhì)量,g;mn為n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量,g;BDR為n次凍融循環(huán)后的凍融殘留強(qiáng)度比,%;RDC為經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,MPa;Rc為與凍融組同齡期的標(biāo)養(yǎng)組試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 干縮性能

2.1.1 鋼渣占比、水泥摻量的影響

1)鋼渣占比與失水率、干縮應(yīng)變的關(guān)系

分別測(cè)定不同鋼渣占比SSMS失水率和干縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化,繪制相關(guān)曲線如圖1(a)、(b)所示。從圖1(a)可以看出,各配合比試件的失水率隨時(shí)間的變化規(guī)律相似,初期增加較快,12 d后趨緩;且與鋼渣占比有關(guān),鋼渣占比高,則試件最佳含水率低、水化反應(yīng)需求的水分多,因而試件失水率低,與吳旻等[8]研究發(fā)現(xiàn)二灰鋼渣土最佳含水率高,則最大失水率大的特點(diǎn)相似。從圖1(b)可以看出,各配合比試件曲線規(guī)律基本一致,初期增幅較小,而后加快,至12 d時(shí)增幅趨緩;圖1(b)中的曲線存在拐點(diǎn),究其原因是試件早期可產(chǎn)生一定的膨脹[14],能抵消部分干縮;鋼渣占比高的試件素土占比較低,且受混合料中f-CaO、f-MgO膨脹影響[17-18]及鋼渣骨料效應(yīng)的共同作用,干縮應(yīng)變的增幅相對(duì)較慢,干縮應(yīng)變值也相對(duì)較小。

圖1 不同鋼渣占比SSMS的失水率、干縮應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線Fig.1 Curves of water loss rate, dry shrinkage strain for SSMS varies with different steel slag proportion

2)水泥摻量與失水率、干縮應(yīng)變的關(guān)系

分別測(cè)定不同水泥摻量SSMS失水率和干縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化,繪制相關(guān)曲線如圖2(a)、(b)所示。由圖2(a)可以看出,試件失水率隨時(shí)間呈單調(diào)增長(zhǎng),12 d后趨于穩(wěn)定,且隨著水泥摻量的增加,試件失水率增大。圖2(b)與圖1(b)圖形趨勢(shì)相似,各水泥摻量下試件干縮應(yīng)變初期增幅較小,而后加快,至8～12 d時(shí)增幅趨緩,且隨著水泥摻量的增加,曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間提前,干縮應(yīng)變?cè)龃?。分析可?水泥摻量的增加需要消耗更多的水分參與水化反應(yīng),并生成更多的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠,而C-S-H凝膠顆粒層間吸附水在濕度下降時(shí)會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)[19],因此兩者共同作用是導(dǎo)致SSMS干縮的主要原因。

圖2 不同水泥摻量SSMS的失水率、干縮應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Curves of water loss rate, dry shrinkage strain for SSMS varies with different cement dosage

3)干縮系數(shù)

從上述分析可知,不同鋼渣占比和水泥摻量SSMS的干縮應(yīng)變和失水率均在12 d后基本趨于穩(wěn)定,故取28 d干縮應(yīng)變和失水率,按式(2)計(jì)算得到28 d干縮系數(shù),繪制鋼渣占比、水泥摻量與28 d干縮系數(shù)的柱狀圖如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出,28 d干縮系數(shù)隨鋼渣占比的增大而減小,隨著水泥摻量的增大而增大,表明SSMS的干縮性能與鋼渣占比成正比,與水泥摻量成反比。采用多項(xiàng)式擬合法,分別得到28 d干縮系數(shù)與鋼渣占比、水泥摻量的關(guān)系如式(5)和式(6)所示。式(5)和式(6)的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.982 2、0.988 4,說(shuō)明公式擬合度較高。

圖3 不同鋼渣占比SSMS的28 d干縮系數(shù)Fig.3 28 d dry shrinkage coefficient for SSMS with different steel slag proportion

圖4 不同水泥摻量SSMS的28 d干縮系數(shù)Fig.4 28 d dry shrinkage coefficient for SSMS with different cement dosage

(5)

(6)

式中:Y為28 d干縮系數(shù),10-6;X1為鋼渣的占比,%;X2為水泥的摻量,%。

2.1.2 土壤固化劑的影響

取表2中3#(優(yōu)選)與10#(未摻土壤固化劑)配合比開(kāi)展SSMS干縮試驗(yàn),討論土壤固化劑對(duì)干縮性能的影響。試驗(yàn)測(cè)得的28 d干縮應(yīng)變、失水率和干縮系數(shù)見(jiàn)表3。對(duì)比表3數(shù)據(jù)可知,相比10#配合比試件,3#配合比試件28 d干縮應(yīng)變、失水率及干縮系數(shù)分別減小了11.2%、9.0%、2.0%,可知土壤固化劑的添加能夠降低SSMS干縮應(yīng)變和最終失水率,但對(duì)其干縮系數(shù)的影響相對(duì)較小。這主要是由于離子型土壤固化劑能夠改善土-水界面特性,使素土顆粒由親水轉(zhuǎn)為憎水,有效降低了團(tuán)聚體顆粒表面吸附的結(jié)合水膜厚度,因而使得干縮過(guò)程中干縮應(yīng)變、失水率均有減小,而干縮系數(shù)則略有減小[20]。

表3 土壤固化劑對(duì)SSMS干縮性能的影響Table 3 Effect of soil curing agent on drying shrinkage performance of SSMS

2.1.3 干縮性能對(duì)比分析

取表2中3#配合比(鋼渣占比50%、水泥摻量5%)與王艷等[12]研究的水泥穩(wěn)定碎石(中值級(jí)配、水泥摻量5%),樊慧平[6]研究的石灰穩(wěn)定固化土(石灰摻量4%)、水泥石灰穩(wěn)定固化土(水泥摻量4%、石灰摻量3%)進(jìn)行干縮性能比較,相關(guān)結(jié)果見(jiàn)表4。從表中可以看出水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石干縮系數(shù)最小,而其余3種材料因摻有素土,整體呈土基材料的高干縮性,干縮系數(shù)較水泥穩(wěn)定碎石呈數(shù)量級(jí)增大,其中SSMS的干縮系數(shù)較石灰穩(wěn)定固化土大,較水泥石灰穩(wěn)定固化土小,表明鋼渣混合土可以作為道路基層材料用于實(shí)際工程。

表4 不同基層材料干縮系數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of drying shrinkage coefficient for different base materials

2.2 抗凍性能

2.2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

以3#優(yōu)選配合比試件為基準(zhǔn),選取表2中6個(gè)配合比開(kāi)展凍融循環(huán)對(duì)比試驗(yàn),分析鋼渣占比、水泥摻量和土壤固化劑摻量對(duì)SSMS的抗凍性能影響,各配合比凍融組和標(biāo)養(yǎng)組無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Unconfined compressive strength of test results

2.2.2 凍融質(zhì)量損失率與凍融殘留強(qiáng)度比

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制各配合比的SSMS質(zhì)量損失率Wn和凍融殘留強(qiáng)度比BDR隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖5和圖6所示。從圖5、6中可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,不同配合比SSMS的Wn均呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)的趨勢(shì),而B(niǎo)DR則呈單調(diào)降低的趨勢(shì)。圖6中BDR值3#配合比試件降幅最小,8次凍融循環(huán)BDR值為96.1%,表明其受凍融循環(huán)作用的影響最小,抗凍性能最佳,與優(yōu)選配合比的SSMS 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大[15]的研究結(jié)論相吻合;未摻加水泥的6#配合比試件降幅最大,8次凍融循環(huán)BDR值僅為77.7%,表明水泥對(duì)SSMS的抗凍性影響更為顯著,與影響水泥穩(wěn)定碎石抗凍性能的規(guī)律相同[21]。對(duì)比圖5和圖6中的1#、3#、5#配合比試件,發(fā)現(xiàn)鋼渣占比對(duì)試件Wn、BDR影響有差異,隨著鋼渣占比增大,試件Wn的增幅減小,BDR則先增后減。對(duì)比圖5和圖6中3#、6#和8#配合比試件,可知增加水泥摻量,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,Wn增幅、BDR降幅均減小。對(duì)比圖5和圖6中3#、10#配合比試件,未摻入固化劑的10#試件Wn增幅稍有增加,而B(niǎo)DR下降幅度較大,這是由于離子型固化劑可減小顆粒團(tuán)聚體吸附的水層厚度,因而降低了凍融循環(huán)中水分對(duì)材料的不利作用[22]。

圖5 Wn-凍融循環(huán)次數(shù)曲線Fig.5 Curves of Wn and freeze-thaw cycle times

圖6 BDR-凍融循環(huán)次數(shù)曲線Fig.6 Curves of BDR and freeze-thaw cycle times

2.2.3 凍融微觀結(jié)構(gòu)分析

選取1#、3#、6#配合比8次凍融循環(huán)的試件為凍融組,與其同齡期標(biāo)養(yǎng)試件為標(biāo)養(yǎng)組,進(jìn)行SEM微觀結(jié)構(gòu)分析,標(biāo)養(yǎng)組和凍融組微觀結(jié)構(gòu)形貌如圖7(a)、(b)所示。分析可知,1#配合比試件因鋼渣占比較低,鋼渣中f-CaO含量也相對(duì)較低,與礦渣微粉水化反應(yīng)的生成物相對(duì)較少,水化產(chǎn)物不足以完全填充鋼渣與素土顆粒團(tuán)聚體間隙;6#配合比試件因缺少水泥提供的堿性環(huán)境,鋼渣與礦渣微粉的水化反應(yīng)不能充分激發(fā),故而顆粒間孔隙結(jié)構(gòu)較為明顯;而3#優(yōu)選配合比試件由于有大量水化產(chǎn)物填充于團(tuán)聚體顆粒間,形成化學(xué)膠結(jié)和骨架構(gòu)建的雙重效應(yīng),顆粒間連接成片形成板狀,結(jié)構(gòu)較1#、6#配合比試件更為緊密,具體見(jiàn)圖7(a),微觀結(jié)構(gòu)形貌表現(xiàn)與表5中抗壓強(qiáng)度3#配合比試件最高、6#配合比試件最低的狀況相對(duì)應(yīng)。

圖7 微觀結(jié)構(gòu)形貌Fig.7 Microstructure morphology of samples

比較圖7(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)8次凍融循環(huán)試驗(yàn),凍融組試件團(tuán)聚體顆粒間孔隙水分歷經(jīng)反復(fù)凍融,對(duì)素土和鋼渣顆粒形成擠壓,迫使顆粒發(fā)生位移甚至形變,一定程度上破壞了顆粒間水化生成物的黏結(jié)效能,降低了結(jié)構(gòu)的整體性,并且這種破壞現(xiàn)象隨試件凍融前孔隙發(fā)育度呈正相關(guān)。孔隙發(fā)育度高,孔隙水凍脹效應(yīng)強(qiáng),更易破壞水化產(chǎn)物與鋼渣、素土顆粒的膠結(jié)作用及其顆粒間的連接作用,孔隙發(fā)育更為明顯,結(jié)構(gòu)密實(shí)度下降更多[23]。體現(xiàn)在圖7中各凍融組試件較標(biāo)養(yǎng)組均出現(xiàn)不同程度的結(jié)構(gòu)損傷,比較而言,3#配合比試件結(jié)構(gòu)密實(shí)度最好,凍融作用下結(jié)構(gòu)損傷相對(duì)較小,6#配合比試件結(jié)構(gòu)孔隙發(fā)育較明顯,凍融作用下結(jié)構(gòu)損傷更大,很好地印證了凍融循環(huán)試驗(yàn)中兩者凍融殘留強(qiáng)度比BDR值的變化差異。

2.2.4 抗凍性能對(duì)比分析

以BDR為指標(biāo),取表2中8#配合比(鋼渣占比50%、水泥摻量3%)與李建忠等[13]研究的水泥穩(wěn)定碎石(集料級(jí)配分形維數(shù)2.371,水泥摻量4%),樊慧平[6]研究的石灰穩(wěn)定固化土(石灰摻量4%)、水泥石灰穩(wěn)定固化土(水泥摻量4%、石灰摻量3%)進(jìn)行抗凍性能比較,相關(guān)結(jié)果見(jiàn)表6。從表中可以看出水泥穩(wěn)定碎石的BDR高于石灰穩(wěn)定固化土和水泥石灰穩(wěn)定固化土,而SSMS的BDR則略高于水泥穩(wěn)定碎石,表明SSMS的抗凍性可達(dá)到甚至超過(guò)水泥穩(wěn)定碎石,這主要是因?yàn)榈V渣微粉能提高SSMS的后期強(qiáng)度[15],其28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相較水泥穩(wěn)定碎石[24]更高,因而其抗凍性能也較好。

表6 不同基層材料抗凍性能對(duì)比Table 6 Comparison of frost resistance for different base materials

3 結(jié) 論

1)合適的鋼渣占比既能抑制鋼渣混合土的干縮,又可實(shí)現(xiàn)較好的抗凍性能;水泥摻量的增加不利于鋼渣混合土的干縮性能,但有利于提高其抗凍性能;土壤固化劑的摻入能改善鋼渣混合土的干縮和抗凍性能。

2)凍融微觀結(jié)構(gòu)分析表明凍融循環(huán)會(huì)使鋼渣混合土出現(xiàn)不同程度的孔隙結(jié)構(gòu),而優(yōu)選配合比的鋼渣混合土8次凍融循環(huán)后整體性最好。

3)對(duì)比不同半剛性基層,鋼渣混合土的干縮系數(shù)較水泥石灰穩(wěn)定固化土小,凍融殘留強(qiáng)度比相對(duì)水泥穩(wěn)定碎石略高,表明鋼渣混合土在實(shí)際工程中具有較大的應(yīng)用潛力。