水泥穩(wěn)定灰渣碎石的制備及路用性能初探

郭東浩,解建光,曹興國

(1.南京航空航天大學(xué)土木工程系,江蘇南京210016;2.江蘇寧滬高速公路股份有限公司,江蘇南京210049)

在我國,城市生活垃圾增長迅猛,焚燒熱解處理后,仍有16%～24%的質(zhì)量留在了灰渣中[1],灰渣通常含有毒有害污染物[2]。隨著國家對(duì)污染控制力度的加大,隨意堆放或填埋灰渣不僅占用了土地資源而且會(huì)對(duì)人類健康和自然環(huán)境造成不利影響。

在土地資源緊張的地區(qū),填埋場(chǎng)的建設(shè)與土地資源匱乏之間的矛盾越來越突出[3]。同時(shí)這些地區(qū)高速公路的建設(shè)也常常受到填土來源的限制,由于很多地區(qū)已限制開山采石,使高速公路建設(shè)需要的石料也成為日漸稀缺的資源。如果將城市生活垃圾焚燒灰渣應(yīng)用于高速公路路面基層或底基層的無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料,不僅能減少灰渣廢棄產(chǎn)生的土地占用,降低處置費(fèi)用,而且可以變廢為寶,利于建設(shè)節(jié)約型環(huán)保型的公路工程,促進(jìn)公路交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

試驗(yàn)用城市生活垃圾焚燒灰渣替代部分集料,制備了水泥穩(wěn)定灰渣碎石半剛性基層材料,并進(jìn)行了材料強(qiáng)度和收縮性能的試驗(yàn),為灰渣用于高速公路基層提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中選用的水泥為雨花牌復(fù)合硅酸鹽水泥,其各項(xiàng)指標(biāo)見表1所示。生活垃圾焚燒灰渣來源于無錫惠聯(lián)垃圾熱電廠,灰渣中含有大量六方晶系的α-SiO2[4]?；以退槭锢頇z驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 水泥指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

表2 灰渣和碎石檢驗(yàn)結(jié)果

1.2 灰渣級(jí)配調(diào)整

按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)[5]對(duì)灰渣進(jìn)行篩分試驗(yàn),得到灰渣的級(jí)配曲線如圖1所示。

由圖1可以看出,灰渣原始級(jí)配組成超出了規(guī)范中對(duì)高速公路基層水穩(wěn)碎石級(jí)配組成的要求范圍,需要進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)灰渣和碎石的壓碎值以及針片狀顆粒含量綜合考慮,以規(guī)范中值為目標(biāo)級(jí)配,通過計(jì)算確定灰渣的摻入量為31.6%,此時(shí)的級(jí)配曲線如圖2所示,處于規(guī)范中值附近。

圖1 灰渣原始篩分曲線

圖2 調(diào)整后混合料級(jí)配組成曲線

1.3 試驗(yàn)方法

擊實(shí)試驗(yàn)按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 057-1994)[6]中的丙法進(jìn)行,水泥劑量依次取3.0%,3.5%,4.0%,4.5%和5.0%。

水穩(wěn)碎石材料的強(qiáng)度指標(biāo)為飽水抗壓強(qiáng)度,根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 034-2000)[7]中的規(guī)定,抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為:高速公路和一級(jí)公路基層為3～5 MPa。試件尺寸為150 mm×150 mm圓柱體,成型方法按《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ059-1994)進(jìn)行,成型加壓采用靜壓方式,壓力機(jī)型號(hào)為YES-3000A數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)。

水泥穩(wěn)定碎石試件的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件是:將制好的試件脫模稱重后,應(yīng)立即用塑料薄膜包覆,放入養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)生,養(yǎng)護(hù)溫度為25℃±2℃。養(yǎng)生期結(jié)束的前一天(第6天)將去掉薄膜的試件浸泡于水中,在浸水之前,應(yīng)再次稱試件的質(zhì)量,水的深度應(yīng)使水面在試件頂上約2.5 cm,浸水的水溫應(yīng)與養(yǎng)護(hù)溫度相同。將已浸水一晝夜的試件從水中取出,用軟的舊布吸去試件表面的可見自由水,并稱試件的質(zhì)量。前六天養(yǎng)生期間試件水份損失應(yīng)不超過10 g,超過此規(guī)定的試件,應(yīng)予作廢。

水穩(wěn)碎石材料的干縮性能用干縮系數(shù)來評(píng)價(jià),取符合強(qiáng)度要求的配合比進(jìn)行干縮性能試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為:按照擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度和最佳含水量,在500 kN的靜壓下成型尺寸為3 300 mm×100 mm×100 mm的梁試件,每一組配合比成型4個(gè),其中兩個(gè)固定于千分表架上測(cè)量收縮變形,另外兩個(gè)用于測(cè)定失水率。觀測(cè)不同配合比下材料隨著風(fēng)干時(shí)間的增加失水量和收縮變形的變化情況,觀測(cè)持續(xù)到材料含水量不在減小,體積基本保持不變?yōu)橹?。試?yàn)結(jié)果按照下式計(jì)算各種配比下的干縮系數(shù)

式中 :αd為干縮系數(shù);∑Δεdi為累計(jì)干縮變形;∑Δεωi為失水量 。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)水泥穩(wěn)定灰渣碎石和普通水穩(wěn)碎石分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知,灰渣摻量為31.6%時(shí),與普通水泥穩(wěn)定碎石相比,水泥穩(wěn)定灰渣碎石的最佳含水量增大2.7%～2.9%,最大干密度降低0.10～0.13 g?cm-3。

圖3 不同水泥含量下兩種材料的最佳含水量

圖4 不同水泥含量下兩種材料的最大干密度

2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

31.6%灰渣摻量下的水穩(wěn)灰渣碎石和普通水穩(wěn)碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3所示試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于水泥穩(wěn)定灰渣碎石材料,灰渣摻量為31.6%時(shí),水泥摻量增加0.5%,強(qiáng)度增長0.52～0.63 MPa;與普通水穩(wěn)碎石相比,相同水泥摻量下,強(qiáng)度平均降低0.55MPa,如圖5所示。

表3 不同水泥摻量下兩種材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖5 31.6%灰渣摻量的水穩(wěn)灰渣碎石與普通水穩(wěn)碎石強(qiáng)度比較

2.3 干縮試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)水泥含量為4.0%和4.5%的兩種混合料進(jìn)行了干縮試驗(yàn)分析,并進(jìn)行普通水穩(wěn)碎石干縮對(duì)比試驗(yàn)。水泥穩(wěn)定灰渣碎石干縮試驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 水泥穩(wěn)定灰渣碎石累計(jì)失水率隨時(shí)間的變化曲線

圖7 水泥穩(wěn)定灰渣碎石累計(jì)干縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線

對(duì)上面水泥穩(wěn)定灰渣碎石干縮特性曲線分析可以得出以下結(jié)論:4.0%水泥含量下的最大失水率為3.75%,占到最佳含水量的50%;4.5%水泥含量下的最大失水率為4.2%,占到該水泥含量下最佳含水量的54.5%;水泥穩(wěn)定灰渣碎石失水主要發(fā)生在前10天,而且失水的速度較快,到第10天的失水量已達(dá)到最大失水量的81.9%;4.0%水泥含量下,水泥穩(wěn)定灰渣碎石的最大干縮應(yīng)變?yōu)?51.8 μ,平均干縮系數(shù)為40.5 μ?%-1;4.5%水泥含量下的最大干縮應(yīng)變?yōu)?85.8 μ,平均干縮系數(shù)為44.0 μ?%-1。

與普通水穩(wěn)碎石相比,水泥穩(wěn)定灰渣碎石的干縮系數(shù)降低9.2%～11.5%,如圖9所示。這說明,水泥穩(wěn)定灰渣碎石對(duì)失水的敏感性要低于普通水穩(wěn)碎石。

圖8 水泥穩(wěn)定灰渣碎石干縮系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

圖9 兩種材料的干縮系數(shù)比較

3 結(jié)論

(1)灰渣摻量為31.6%時(shí),與普通水泥穩(wěn)定碎石相比,水泥穩(wěn)定灰渣碎石的最佳含水量增大2.7%～2.9%,最大干密度降低0.10～0.13 g?cm-3。

(2)對(duì)于水泥穩(wěn)定灰渣碎石材料,灰渣摻量為31.6%時(shí),水泥含量增加0.5%,強(qiáng)度增長0.52～0.63 MPa;與普通水穩(wěn)碎石相比,相同水泥摻量下,強(qiáng)度平均降低0.55MPa。

(3)4.0%水泥含量下的最大失水率為3.75%,占到最佳含水量的50%;4.5%水泥含量下的最大失水率為4.2%,占到該水泥含量下最佳含水量的54.5%。

(4)水泥穩(wěn)定灰渣碎石失水主要發(fā)生在前10天,而且失水的速度較快,到第10天的失水量已達(dá)到最大失水量的81.9%。

(5)4.0%水泥含量下,水泥穩(wěn)定灰渣碎石的最大干縮應(yīng)變?yōu)?51.8 μ,平均干縮系數(shù)為40.5 μ?%-1;4.5%水泥摻量下的最大干縮應(yīng)變?yōu)?85.8 μ,平均干縮系數(shù)為44.0 μ?%-1。

(6)與普通水穩(wěn)碎石相比,水泥穩(wěn)定灰渣碎石的干縮系數(shù)降低9.2%～11.5%。

[1]KOSSN D S,VANDER SLOOT H A,EIGHMY T T.An approach for estimation of contaminant release during utilization and disposal of municipal waste combustion residues[J].Journal of HazardousMaterials,1996,47(1-3):43-75.

[2]張益.我國生活垃圾處理技術(shù)的現(xiàn)狀和展望[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,2000,8(2):81-84.

[3]張立新.城市垃圾焚燒底灰的綜合利用[J].建材世界,2009,30(3):136-139.

[4]孫路石,等.城市生活垃圾焚燒灰渣的特征[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,37(8):77-79.

[5]JTG E42-2005,公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2005.

[6]JTJ 057-1994,公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,1994.

[7]JTJ 034-2000,公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2000.