白糖與木質(zhì)素磺酸鈉改善水泥穩(wěn)定再生集料性能的研究

萬暑，歐陽添資，吳超凡，張繼森

（湖南云中再生科技股份有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

作為路面基層主要材料的水泥穩(wěn)定粒料與一般的混凝土存在較大差異。首先是水泥穩(wěn)定碎石中水泥摻量較少，一般為5%左右；另外，由于路面結(jié)構(gòu)層施工是反復(fù)碾壓成型，因此水泥穩(wěn)定碎石不宜過濕。已有的用于混凝土生產(chǎn)的外加劑摻量和組合不一定適用于水泥穩(wěn)定粒料的生產(chǎn)，所以開發(fā)適用于水泥穩(wěn)定粒料生成的外加劑十分必要。路面的施工大多在氣溫較高的時節(jié)，并且施工運距較長，因此用于水泥穩(wěn)定碎石生產(chǎn)的水泥初凝時間不應(yīng)過短，一般要大于3 h，而使用緩凝型的水泥成本過高，且靈活度較差。

近年來關(guān)于建筑垃圾用于道路工程的研究越來越多[1-3]，而大部分研究是將建筑垃圾作為道路基層和墊層材料[4]。由建筑垃圾破碎而生產(chǎn)的再生集料吸水率一般較大，如將再生集料運用于水泥穩(wěn)定材料的生產(chǎn)，水泥穩(wěn)定再生集料生產(chǎn)后，在運輸途中再生集料不斷吸水，集料表面富余的水較少，極易造成混合料的工作性能下降較快，且混合料中水泥水化不完全，進一步影響混合料碾壓成型后的強度。因此研究出一種適用于水泥穩(wěn)定再生集料的緩凝減水劑，是解決上述問題的有效途徑。

當(dāng)前關(guān)于緩凝劑和減水劑用于水泥穩(wěn)定粒類材料的研究甚少。周明凱等[5]研究了緩凝劑對水泥穩(wěn)定粒料土性能的影響，實驗發(fā)現(xiàn)，緩凝劑可以延長水泥穩(wěn)定粒料的延時碾壓時間，適量緩凝劑對水泥穩(wěn)定粒料土強度沒有影響。黃煜鑌等[6]研究了減水劑對水泥穩(wěn)定碎石物理力學(xué)性能的影響，研究得出減水劑能提高水泥穩(wěn)定碎石的強度，但提高幅度較??；并且在減水劑和水泥適應(yīng)性較好條件下，一定量的減水劑摻入能減少水泥穩(wěn)定碎石的收縮量。溫興水[7]通過實驗也得出了類似的結(jié)論。

目前用于混凝土中的緩凝劑有糖類、羥基羧酸類、木質(zhì)素磺酸鹽類等[8-9]，由于糖類原料來源廣、價格低廉，常被用作緩凝劑使用[10]。另外，水泥穩(wěn)定粒類材料的生產(chǎn)用水量較少，攪拌時間短，水泥較難完全水化，減水劑具有減少混凝土中水的摻量，使水泥能充分發(fā)生水化反應(yīng)，從而提高材料的整體性能。減水劑種類包括木質(zhì)素磺酸鹽、萘磺酸鹽、聚羧酸系高效減水劑等[9]。其中木質(zhì)素磺酸鹽價格便宜，使用較廣泛[11]。綜上所述，將工業(yè)白糖與木質(zhì)素磺酸鹽進行復(fù)配，開發(fā)一種適用于水泥穩(wěn)定再生集料生產(chǎn)的緩凝減水劑具有可行性。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：湖南南方P·C32.5水泥，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 P·C32.5水泥的化學(xué)成分 %

集料：由建筑垃圾破碎而成，一種為混凝土再生集料，另一種是磚混再生集料，2種都包括0～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～19 mm 和 19～26.5 mm 四檔。按照 JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》規(guī)定的相關(guān)試驗方法，測得集料技術(shù)性能如表2所示。

表2 再生集料的技術(shù)指標(biāo)

白糖：江蘇蘇州新生輝化工有限公司生產(chǎn)的工業(yè)白糖，粒徑0.8～2.5mm，蔗糖含量≥99.8%，不溶于水雜質(zhì)含量60mg/kg；木質(zhì)素磺酸鈉：北京地區(qū)慕湖建材銷售有限責(zé)任公司供應(yīng)，木質(zhì)素磺酸鈉含量48%，含水量2%，水不溶物含量1.2%；水：自來水。

1.2 性能測試方法

（1）水泥標(biāo)準稠度與凝結(jié)時間

研究不同白糖和木質(zhì)素磺酸鈉摻量條件下，水泥的標(biāo)準稠度和凝結(jié)時間，確定其最佳摻量。參照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》進行測試。

（2）水泥砂漿流動度與減水率：參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》進行測試，控制基準砂漿的流動度為（180±5）mm。

（3）無側(cè)限抗壓強度

①材料組成設(shè)計

集料篩分試驗：將2種集料共8檔進行水洗篩分，得出各檔集料的篩分數(shù)據(jù)。

級配合成：試驗用含建筑垃圾水泥穩(wěn)定再生集料路面基層材料，集料級配采用JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》規(guī)范中骨架密實型混合料的級配范圍，將2種集料進行級配合成，結(jié)果如表3所示。

表3 合成級配

擊實試驗：對于最大干密度和最佳含水量的測試，參照JTG E51—2015《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，采用重型擊實的方法。水泥摻量為3%～6%。得到不同集料條件下的最大干密度和最佳含水量，如表4所示。

表4 水泥穩(wěn)定再生集料的擊實試驗結(jié)果

②無側(cè)限抗壓強度試驗方法

試驗測量7 d無側(cè)限抗壓強度，并做延時試驗，延時成型時間為2 h、4 h和6 h。無側(cè)限抗壓強度測試參照JTG E51—2015中的T0805—1994進行。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 外加劑摻量對水泥凝結(jié)時間的影響

水泥的凝結(jié)時間對水泥穩(wěn)定粒類材料的強度影響很大，水泥穩(wěn)定粒類材料在水泥初凝后才進行碾壓，極易造成水泥穩(wěn)定碎石初期強度破壞，從而導(dǎo)致路面基層強度較低、路面開裂等問題。白糖與木質(zhì)素磺酸鈉具有緩凝減水的作用，其摻量（按占水泥質(zhì)量計）對水泥凝結(jié)時間的影響見表5。

表5 白糖和木質(zhì)素磺酸鈉摻量對水泥凝結(jié)時間的影響

由表5可見，未摻外加劑的水泥初凝達到3 h以上，但不能滿足運距較遠的路面工程施工要求。白糖的摻入能顯著延長水泥的凝結(jié)時間，隨著白糖摻量的增大，水泥初凝與終凝時間不斷延長。木質(zhì)素磺酸鈉也具有一定的緩凝效果，但較白糖而言，緩凝效果弱些。白糖與木質(zhì)素磺酸鈉復(fù)配對水泥的緩凝效果較好，木質(zhì)素磺酸鈉的摻入并不影響白糖的緩凝效果，相反有提升白糖緩凝效果的作用。木質(zhì)素磺酸鈉中也有糖分的存在，糖分的存在是木質(zhì)素磺酸鈉有一定緩凝作用的原因。當(dāng)單摻白糖的量到0.05%時，水泥的初凝時間達到425 min。由于水泥初凝時間過長，水泥穩(wěn)定粒類路面基層強度增長較慢，也會影響路面后續(xù)工序的施工。故白糖的摻量宜在0.03%左右最佳。

2.2 外加劑摻量對水泥砂漿流動度的影響

表6為不同白糖和木質(zhì)素磺酸鈉摻量條件下，水泥砂漿流動度為（180±5）mm時的需水量及減水率。

表6 水泥砂漿流動度為180 mm時的需水量和減水率

由表6可見，水泥砂漿的減水率隨木質(zhì)素磺酸鈉摻量的增加而變大。當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈉單摻量達到0.5%時，試件的減水率僅為7.9%，這說明當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈉摻量達到一定程度后，繼續(xù)增加摻量對水泥減水效果增加不明顯。白糖也具有一定的減水效果，但比木質(zhì)素磺酸鈉的效果弱。但白糖的加入能增強木質(zhì)素磺酸鈉的減水作用。

從表5可知，白糖摻量為0.03%時，水泥的凝結(jié)時間最符合路面材料施工需要。因此后續(xù)試驗將對白糖摻量為0.03%，木質(zhì)素磺酸鈉摻量為0.1%、0.3%、0.5%的復(fù)配組合進行研究。圖1為外加劑摻量對水泥砂漿流動度的影響。

由圖1可見：未摻外加劑的砂漿流動度在1 h后已小于150 mm，2 h時只有135 mm左右。而摻外加劑的砂漿2 h流動度均大于150 mm，并且大部分在160 mm以上。這說明外加劑的摻入能有效延長砂漿的工作時間，并且隨木質(zhì)素磺酸鈉摻量增加，砂漿工作時間不斷延長。主要原因是白糖和木質(zhì)素磺酸鈉的摻入能延緩水泥水化反應(yīng)，使水泥砂漿形成初始強度的時間滯后，并且木質(zhì)素磺酸鈉摻入使砂漿的保水性更好。

圖1 外加劑摻量對水泥砂漿流動度的影響

2.3 外加劑對水泥穩(wěn)定再生集料無側(cè)限抗壓強度的影響

為了驗證上述白糖和木質(zhì)素磺酸鈉復(fù)配摻量對水泥穩(wěn)定再生集料性能改善效果，本研究進行了7 d無側(cè)限抗壓強度試驗，水泥摻量分別為3%、4%、5%和6%。同時集料的含泥量影響減水劑的減水效果，由于磚混再生集料的含泥量大于混凝土再生集料，因此本試驗還對比了不同集料條件下緩凝減水劑的效果。

不同水泥摻量條件下水泥穩(wěn)定再生集料7 d無側(cè)限抗壓強度見圖2。

圖2 不同水泥摻量條件下水泥穩(wěn)定再生集料的7 d無側(cè)限抗壓強度

由圖2可見：

（1）當(dāng)所用集料為磚混再生集料或混凝土再生集料時，試件的7 d無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律大致相似，這說明混合料含泥量并不影響木質(zhì)素磺酸鈉和白糖對水泥穩(wěn)定再生集料性能提高效果。

（2）隨水泥摻量的增加，水泥穩(wěn)定再生集料試件7 d強度逐漸增加。木質(zhì)素磺酸鈉和白糖摻入也能提高試件的強度，當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈉摻量為0.1%時，隨水泥摻量的增加，木質(zhì)素磺酸鈉對水泥穩(wěn)定再生集料強度提高效果逐漸減弱。當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈉摻量為0.5%時，木質(zhì)素磺酸鈉對高水泥摻量的水泥穩(wěn)定再生集料強度提高效果顯著。

圖3為水泥穩(wěn)定再生集料延時成型的7 d無側(cè)限抗壓強度。

圖3 水泥穩(wěn)定再生集料延時成型7 d無側(cè)限抗壓強度

由圖3可知，未摻外加劑的水泥穩(wěn)定再生集料試件的強度隨延時成型的時間延長而顯著下降；摻白糖的試件在延時成型時間6 h以內(nèi)強度降幅較小，能滿足路面工程施工需要；摻混凝土再生集料試件與摻磚混再生集料試件延時成型7 d無側(cè)現(xiàn)抗壓強度變化規(guī)律差異不大。

3 結(jié)論

（1）白糖緩凝效果較好，當(dāng)摻量0.03%時，水泥的凝結(jié)時間能夠充分滿足水泥穩(wěn)定粒料生產(chǎn)、運輸和施工需要。

（2）木質(zhì)素磺酸鈉兼具減水和緩凝作用，但緩凝效果一般。

（3）白糖和木質(zhì)素磺酸鈉復(fù)配對水泥穩(wěn)定再生集料的無側(cè)限抗壓強度提高效果明顯，隨水泥摻量增加，高木質(zhì)素磺酸鈉摻量的增強效果更明顯。