水泥穩(wěn)定爐渣碎石的強度性能

劉 棟，李立寒，崔華杰

（同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

生活垃圾焚燒爐渣（以下均簡稱為爐渣）是生活垃圾焚燒發(fā)電廠的燒結物，其產量約為垃圾質量的20%.目前，國內爐渣多采用堆置或填埋措施處理，這帶來管理和環(huán)境上的問題.經適當處理并滿足一定要求［1］的爐渣可作為集料用于道路工程材料，如水泥混凝土、瀝青混合料、路基回填或基層材料等［2］.有關研究表明：爐渣的主要化學組成為SiO2，CaO，Al2O3及Fe2O3，一般占到爐渣總質量的60%～70%［3］；爐渣具有明顯區(qū)別于天然石料的特性，其強度、密度較低，孔隙率較高［3］；由于爐渣經過水淬處理，其在急冷過程中產生的礦物成分處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，因此爐渣在堆放過程中會發(fā)生諸如氧化、分解、沉淀、碳化、酸堿中和等反應，礦物學特性會發(fā)生改變，產生黏土礦物新生物等［4］；爐渣是一種水硬性材料，含有水泥熟料礦物，如C2S，C3A 和C4AF，可用作礦物摻合料或原材料生產水泥［5］.

國內對爐渣資源化利用的研究剛剛起步.文獻［6］從爐渣的物理特性、化學組成上證明了其代替集料的可行性；文獻［7］研究了用于路基回填爐渣的土工性質，結果表明爐渣熟化時間對其土工性質存在影響；文獻［8］測試了水泥穩(wěn)定爐渣碎石的強度，但未對其強度性能的影響因素作深入探討.綜上，爐渣作為一種新型的廢舊材料其基本性能還有待研究；爐渣對水泥穩(wěn)定碎石強度性能的影響研究還不充分.為此，本文采用爐渣集料（BAA）替代部分天然集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試件，通過無側限抗壓強度試驗和劈裂試驗測試試件強度性能，探討爐渣集料熟化時間和粒徑、混合料養(yǎng)生齡期和養(yǎng)生溫度、水泥用量對水泥穩(wěn)定爐渣碎石強度性能的影響，并比較水泥穩(wěn)定爐渣碎石強度性能與普通水泥穩(wěn)定碎石的差異.

1 試驗材料

1.1 原材料

爐渣集料產自上海市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠.爐渣集料的熟化條件為：室內，25～30 ℃，通風，攤鋪厚度25cm，定時翻動.將爐渣集料篩分為細粒徑部分（0～9.5mm）與粗粒徑部分（9.5～19.5mm及19.5～31.5mm）.爐渣集料基本性能見表1.

水泥采用江蘇太倉海螺牌32.5級復合硅酸鹽水泥.天然集料采用石灰?guī)r碎石，其公稱最大粒徑為26.5mm，基本性能見表1.

表1 集料的基本性能Table 1 Basic properties of aggregates

1.2 混合料

未篩分爐渣集料的級配見表2.石灰?guī)r集料逐級篩分后，按照表2混合料級配，分別與0～9.5mm，9.5～19.5mm 及19.5～31.5mm 粒徑爐渣集料混合，其中爐渣集料的替代量分別為28%（質量分數，下同），35%和17%，相應水泥穩(wěn)定爐渣碎石混合料代號分別為SWLZ－X，SWLZ－Z和SWLZ－C.普通水泥穩(wěn)定碎石混合料代號為SWSS.水泥用量除特別說明外，均采用4.5%（以占礦質混合料質量分數計）.

表2 爐渣集料及混合料級配Table 2 Gradations of BAA and mixture

2 試驗方法

2.1 試件制備與養(yǎng)生

采用擊實試驗確定不同混合料的最佳含水量和最大干密度.以最大干密度的98%壓實成型φ100×100mm 圓柱體試件.試件成型后用塑料薄膜包裹，除特殊說明外，在溫度為25℃、相對濕度為95%的環(huán)境下養(yǎng)生至規(guī)定齡期.

2.2 試驗方法與試驗方案

爐渣集料壓碎值試驗按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》中的T0350—2005 進行.水泥穩(wěn)定爐渣碎石擊實試驗、無側限抗壓強度試驗和劈裂試驗依據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行.試驗數據均采用4～5個試件的平均值.

采用不同熟化時間的0～9.5mm 爐渣集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試件，通過無側限抗壓強度試驗研究試件7d無側限抗壓強度隨爐渣集料熟化時間的變化.采用熟化時間為60d的3組不同粒徑爐渣集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試件，然后養(yǎng)生至不同齡期，再通過無側限抗壓強度試驗及劈裂試驗研究試件無側限抗壓強度和劈裂強度隨養(yǎng)生齡期的變化.采用熟化60d的0～9.5mm 爐渣集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試件，其中水泥用量分別為3.5%，4.5%及5.5%，然后通過無側限抗壓強度試驗及劈裂試驗研究水泥用量對試件7d無側限抗壓強度和劈裂強度的影響.采用熟化60d的0～9.5mm 爐渣集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試件，然后分別在10，25℃下養(yǎng)生，通過無側限抗壓強度試驗及劈裂試驗研究養(yǎng)生溫度對養(yǎng)生7d試件無側限抗壓強度和劈裂強度的影響.

3 試驗結果與分析

3.1 爐渣集料熟化時間對無側限抗壓強度的影響

水泥穩(wěn)定爐渣碎石（SWLZ－X）7d無側限抗壓強度與爐渣集料熟化時間的關系見圖1.由圖1 可見，隨爐渣集料熟化時間的延長，水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側限抗壓強度增大；當爐渣集料熟化時間為30d時，水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側限抗壓強度可達到4.0MPa.

圖1 SWLZ－X無側限抗壓強度與爐渣集料熟化時間的關系Fig.1 Relationship between unconfined compressive strength of SWLZ－X and weathering time of BAA

爐渣集料壓碎值（質量分數）隨其熟化時間的變化見圖2.由圖2可見，不同粒徑爐渣集料壓碎值均在30d內急劇降低，30d之后變化趨緩.這是因為爐渣集料熟化過程中形成新生礦物，如方解石（CaCO3）、鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）等［4］，并且新生礦物填充到爐渣的孔隙中，使得其強度得到提高，壓碎值降低.由于爐渣礦物成分的變化主要發(fā)生在前30d內，因此爐渣壓碎值在前30d內急劇降低.

圖2 不同粒徑爐渣集料壓碎值隨熟化時間的變化Fig.2 Crushing value（by mass）of different sizes of BAA changing with weathering time

水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側限抗壓強度與爐渣集料壓碎值之間的關系見圖3.由圖3可見，水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側限抗壓強度隨著爐渣集料壓碎值的降低而增大，表明爐渣集料強度越高則水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側限抗壓強度越高.

圖3 水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側限抗壓強度與爐渣集料壓碎值的關系Fig.3 Relationship between 7dunconfined compressive strength of cement stabilized aggregate containing BAA and crushing value（by mass）of BAA

依據水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側限抗壓強度隨爐渣集料熟化時間增長規(guī)律和JTG D50—2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》中對水泥穩(wěn)定碎石7d無側限抗壓強度要求（不低于4.0MPa），爐渣集料熟化時間應在30d以上.

3.2 養(yǎng)生齡期對強度的影響

水泥穩(wěn)定爐渣碎石無側限抗壓強度、劈裂強度隨養(yǎng)生齡期的變化分別見圖4，5.

圖4 無側限抗壓強度隨養(yǎng)生齡期的變化Fig.4 Unconfined compressive strength changing with curing time

圖5 劈裂強度隨養(yǎng)生齡期的變化Fig.5 Splitting strength changing with curing time

由圖4可見，隨養(yǎng)生齡期延長，水泥穩(wěn)定爐渣碎石無側限抗壓強度增大.SWLZ－X 前期（28d之前）無側限抗壓強度與SWSS無明顯差異，而后期（28d之后）無側限抗壓強度增長放緩，至90d時SWLZX 無側限抗壓強度為SWSS的90%左右.SWLZ－Z，SWLZ－C的7d無側限抗壓強度均小于4.0 MPa，分別為SWLZ－X 的79%，50%，表明替代碎石的爐渣集料粒徑越大，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d無側限抗壓強度越低.

水泥穩(wěn)定爐渣碎石早期無側限抗壓強度主要由粗集料形成的嵌擠結構提供，而粗粒徑爐渣集料的強度較低，承受外部荷載時容易發(fā)生破壞.爐渣集料的粒徑越大，強度越低，所能抵抗外部荷載的能力越小，相應水泥穩(wěn)定爐渣碎石的早期無側限抗壓強度越低.

由圖5可見：（1）隨養(yǎng)生齡期延長，水泥穩(wěn)定爐渣碎石劈裂強度增大.（2）SWLZ－X 的劈裂強度大于SWSS.這一方面是因為爐渣集料表面比碎石粗糙，有較多孔隙，在混合料拌和過程中，水泥漿滲入爐渣集料表面，提高了爐渣集料與水泥石的黏結力；另一方面爐渣中活性物質在養(yǎng)生過程中發(fā)生水化反應，較水泥穩(wěn)定碎石生成更多的水化產物，造成水泥石的強度較高，且爐渣集料粒徑越小活性物質含量越高［9］，同時爐渣集料粒徑越小，比表面積越大，反應活性也越高，因此劈裂試驗過程中使爐渣集料顆粒與水泥石界面或水泥石破壞需要更大的力.

3.3 水泥用量對強度的影響

不同水泥用量下SWSS 和SWLZ－X 的強度見表3.由表3可見，與水泥穩(wěn)定碎石相似，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d無側限抗壓強度及劈裂強度均隨水泥用量的增加呈增大趨勢.

表3 不同水泥用量下SWSS和SWLZ－X的強度Table 3 Strengths of SWSS and SWLZ－X with different cement contents（by mass）

JTG D50—2006規(guī)范推薦水泥穩(wěn)定碎石的水泥用量一般為3.0%～5.5%，最大不超過6.0%.在此水泥用量范圍內，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d無側限抗壓強度可滿足JTG D50—2006規(guī)范中特重交通基層強度要求（3.5～4.5MPa），因此水泥穩(wěn)定爐渣碎石的水泥用量可采用與普通水泥穩(wěn)定碎石相同的范圍.

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d劈裂強度在3.5%水泥用量時與水泥穩(wěn)定碎石相差不大，在4.5%時較高，在5.5%時則略低，這是因為爐渣集料活性物質及水泥的水化反應發(fā)生均存在最佳含水量，且兩者之間又相互影響的緣故.

3.4 養(yǎng)生溫度對強度的影響

不同養(yǎng)生溫度下SWSS 和SWLZ－X 的強度見表4.由表4可見，養(yǎng)生溫度較高時水泥穩(wěn)定碎石和水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d無側限抗壓強度及劈裂強度均較高；對于7d無側限抗壓強度，10℃較25℃條件下，水泥穩(wěn)定碎石降低32%，水泥穩(wěn)定爐渣碎石降低12%；對于7d劈裂強度，10℃較25℃條件下，水泥穩(wěn)定碎石降低3%，水泥穩(wěn)定爐渣碎石降低43%.表明養(yǎng)生溫度對水泥穩(wěn)定碎石的7d無側限抗壓強度和水泥穩(wěn)定爐渣碎石的7d劈裂強度影響較大.因此，為保證水泥穩(wěn)定爐渣碎石強度的形成，應在養(yǎng)生過程中保證合理的養(yǎng)生溫度.

表4 不同養(yǎng)生溫度下SWSS和SWLZ－X的強度Table 4 Strengths of SWSS and SWLZ－X with different curing temperatures

4 結論

（1）水泥穩(wěn)定爐渣碎石（SWLZ－X）7d無側限抗壓強度隨爐渣集料熟化時間延長而增大，且主要發(fā)生在熟化前30d內.隨著爐渣集料壓碎值降低，水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側限抗壓強度提高.摻熟化30d爐渣集料的水泥穩(wěn)定碎石（SWLZ－X）7d無側限抗壓強度可達到4.0MPa.

（2）水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側限抗壓強度和劈裂強度隨養(yǎng)生齡期的延長而提高.養(yǎng)生28d后，水泥穩(wěn)定爐渣碎石（SWLZ－X）的無側限抗壓強度增長較水泥穩(wěn)定碎石緩慢.水泥穩(wěn)定爐渣碎石（SWLZX）的劈裂強度高于水泥穩(wěn)定碎石.

（3）爐渣集料的粒徑越小，其強度越高，水泥穩(wěn)定爐渣碎石7d無側限抗壓強度越高.

（4）與水泥穩(wěn)定碎石相似，隨著水泥用量的增加、養(yǎng)生溫度的提高，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的強度性能提高.

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