無熟料礦渣水泥用于磚混類再生水穩(wěn)材料研究

陳欣慧 王正紅 彭美勛

（湖南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 湖南湘潭 411201）

引言

伴隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，舊城和基礎(chǔ)設(shè)施改造產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。無機建筑垃圾按其主要有效成份分為混凝土類垃圾和主要由廢磚和廢混凝土組成的磚混類垃圾,前者作為集料用于再生混凝土正在推廣之中[1]；后者除了用于回填和生產(chǎn)建筑砌塊外[2,3]，尚未能在其它領(lǐng)域有效再利用。我國公路建設(shè)發(fā)展迅速，對路面基層材料的需求量巨大。高速公路與高等級市政公路的基層通常采用水泥穩(wěn)定碎石，其中的碎石則常采用灰?guī)r破碎的級配碎石。磚混類再生骨料代替天然骨料應(yīng)用于高等級公路基層，將是對磚混類建筑垃圾有效消化和規(guī)模化利用的生要途徑，同時也能節(jié)約天然資源和保護環(huán)境。

研究適應(yīng)再生骨料特性的新型無機結(jié)合料，是將磚混類建筑垃圾應(yīng)用于道路基層水穩(wěn)材料的重要環(huán)節(jié)。樸應(yīng)模[4]研發(fā)了一種無熟料高爐礦渣水泥，其原料為煉鐵高爐礦渣微粉、消石灰和無水石膏，其各齡期抗壓強度與PO42.5水泥相當，而成本明顯低于后者。林宗壽[5]等用礦渣、鋼渣、石膏和石灰石直接磨細制備的無熟料水泥成本更低，而其強度亦達到砌筑水泥的標準。張西玲于2006年研制出一種高摻量礦渣路面基層結(jié)合料，專門用來膠結(jié)水泥穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定碎石，其原料為礦渣、硅酸鹽水泥熟料、燒石膏、消石灰及少量石灰石[6]。該研究者對該水泥材料的路用性能進行了系統(tǒng)研究，證實其具有凝結(jié)時間長，強度與PC32.5相當，但早期收縮小，后期膨脹大，抗收縮開裂等顯著優(yōu)點。蔣建宏用礦渣、消石灰及硬石膏制備的無熟料水泥的強度亦達到PO42.5等級，但其最佳配方中石灰/硬石膏比為3[7]，與樸的最佳配方差異較大。研究表明，這一系列無/少熟料水泥的水化產(chǎn)物中都生成富含結(jié)晶水的鈣礬石和水化碳鋁酸鈣等膨脹性晶體，故而在材料內(nèi)部形成膨脹機制以抵消干縮與溫縮。本研究先分析磚混類再生集料的路用性能，并研制無熟料礦渣水泥來膠結(jié)再生骨料級配碎石，探討其作為再生骨料碎石膠結(jié)料的可行性，為進一步應(yīng)用研究拋磚引玉。

1 實驗

1.1 試驗材料與試劑

磚混類再生集料為拆遷工地上收集的磚混類建筑垃圾破碎而得；天然石灰?guī)r集料為石灰石破碎而得；水泥為湖南坪塘南方水泥有限公司的PC32.5；礦渣粉為華新湘鋼S95礦渣粉，其相關(guān)指標見表1；消石灰和石膏分別用分析純Ca(OH)2和CaSO4·2H2O；實驗用水為澄清的自來水。

表1 礦渣粉指標

1.2 磚混類再生集料路用性質(zhì)測試

經(jīng)破碎加工后的磚混類再生集料與天然石灰?guī)r集料均按0-4.75 mm、4.75-9.5 mm、9.5-19 mm和19-31.5 mm四種規(guī)格分裝，并根據(jù)JTJ 034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》中對高速公路和一級公路所要求的集料級配進行配料。集料的各項路用性能根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》檢測。求取最大干密度及對應(yīng)的最佳含水量時按照JTG E51-2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中T0804-1994的擊實實驗丙法操作，試筒內(nèi)徑15.2 cm，高12.0 cm，分三層錘擊，每層錘擊次數(shù)98次。

1.3 礦渣無熟料水泥膠結(jié)磚混類再生集料水穩(wěn)材料制備及其抗壓強度檢測

無熟料礦渣水泥用礦渣、消石灰與石膏的粉體混合配制。參照JTG E51-2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，求出不同配比不同水泥摻量下，用重型擊實試驗所得最佳含水量摻配靜壓成型試件，試模規(guī)格為Φ150×150的圓柱體,試件從試模內(nèi)脫出后送至相對濕度大于98%,溫度為20℃的標準養(yǎng)護箱恒溫恒濕養(yǎng)生到規(guī)定齡期。養(yǎng)護6 d后浸水24 h,測其7 d無側(cè)限抗壓強度，用9個試件的平均值作為無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果。

2 實驗結(jié)果討論

2.1 磚混類再生集料的路用性質(zhì)

表2 磚混類再生料各組分質(zhì)量分布/%

磚混類建筑垃圾破碎后不同粒級中組分質(zhì)量分布含量見表2。由表2可知，在再生集料中，碎石混凝土相對集中在粗粒級段；而磚瓦類易碎料相對集中在細粒級部分。經(jīng)過級配調(diào)整，本實驗所采用的再生集料和天然石灰?guī)r集料均符合JTJ 034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》對高速公路和一級公路所要求的集料級配范圍（見圖1）。磚混類再生集料與天然石灰石集料的路用性質(zhì)對比結(jié)果見表3。再生集料中含多孔隙且吸水率高的磚瓦，混凝土集料在破碎后裂隙發(fā)育，強度下降。這些均導(dǎo)致其與天然石灰?guī)r集料相比，具有高吸水率、高壓碎值、高液限指數(shù)、較低表觀密度和堆積密度等特點。

圖1 再生料、石灰?guī)r料的級配曲線與路面基層集料標準級配曲線比對圖

表3 磚混類再生集料的路用性能

由圖2可知水泥穩(wěn)定磚混類再生集料所制備的擊實試件的最佳含水量是12.7%，最大干密度是1.840 g/cm3。由圖3可知水泥穩(wěn)定石灰?guī)r集料所制備的擊實試件的最佳含水量是4.8%，最大干密度是2.379 g/cm3。由于再生料所含磚瓦類材料吸水率高，與石灰?guī)r集料相比，其最佳含水量高，最大干密度小。

圖2 4%水泥穩(wěn)定再生集料的含水量與干密度的關(guān)系曲線

圖3 4%水泥穩(wěn)定石灰?guī)r集料的含水量與干密度的關(guān)系曲線

2.2 無熟料礦渣水泥膠結(jié)再生集料碎石的配方優(yōu)化

固定礦渣無熟料水泥的摻量為再生集料的6%，取激發(fā)劑（石膏+消石灰）在該水泥中的質(zhì)量占比為0.37，改變石灰/石膏質(zhì)量比，在最佳含水量條件下制備水泥穩(wěn)定再生集料碎石圓柱試塊，其7天飽水抗壓強度平均值見圖4。由圖4可知，在石灰/石膏比為0.48時，無熟料水泥的抗壓強度最大，達5.3MPa。固定無熟料礦渣水泥的摻量為再生集料的4%，石灰/石膏質(zhì)量比為0.48，改變激發(fā)劑在該水泥中的質(zhì)量占比，在最佳含水量條件下制備水泥穩(wěn)定再生集料碎石圓柱試塊，其7天飽水抗壓強度平均值見圖5。由圖5可知，激發(fā)劑在水泥中的占比0.37是相對優(yōu)化的配比。由此確定激發(fā)劑中石灰/石膏比0.48和激發(fā)劑在無熟料礦渣水泥中的占比0.37是用于穩(wěn)定再生集料碎石層時該水泥相對較優(yōu)的配方。

圖4 石灰/石膏比對礦渣無熟料水泥穩(wěn)定再生碎石抗壓強度的影響

圖5 激發(fā)劑含量對礦渣無熟料水泥穩(wěn)定再生碎石抗壓強度的影響

當水泥摻量同為集料的4%時，運用上述優(yōu)化配方制得的無熟料礦渣水泥膠結(jié)再生集料碎石與用PC32.5水泥制得的試塊的抗壓強度基本相同（見表4），說明所配無熟料水泥的強度等級與PC32.5相當。由表4也可知，水泥摻量相同時，用再生集料制得的水穩(wěn)層的強度遠小于用人工集料者。當無熟料水泥的摻量為6%時，用其穩(wěn)定再生集料碎石的抗壓強度超過高等級公路所需要的5MPa的抗壓強度，而水泥摻量也沒有超過規(guī)范要求上限。這說明就抗壓強度而言，無熟料礦渣水泥適用于膠結(jié)用作高速公路基層的磚混類建筑垃圾再生集料碎石。

表4 無熟料水泥和硅酸鹽水泥穩(wěn)定再生碎石的抗壓強度比較

2.3 無熟料礦渣水泥作為道路基層結(jié)合料的意義

如前文所述，無熟料礦渣水泥由于在水化時生成鈣礬石與水化碳鋁酸鈣而具有膨脹性，能補償后期的干燥收縮。這對于膠結(jié)高含水的磚混類建筑垃圾集料碎石有重要意義，有望以這種新型水泥作為無機結(jié)合料膠結(jié)磚混類建筑垃圾成功鋪筑高速公路及高等級市政公路的基層，為建筑垃圾大規(guī)模有效處置及資源化利用做出重要貢獻。

本無熟料礦渣水泥的原料廉價易得，除礦渣外，石膏還可用脫硫石膏，磷石膏等工業(yè)石膏代替，消石灰也可用電石渣代替，從而使無熟料礦渣水泥可大量消化工業(yè)廢渣且成本遠低于復(fù)合硅酸鹽水泥，其用于水穩(wěn)材料兼具經(jīng)濟與社會雙重效益，有必要通過工程應(yīng)用檢驗其實際效果。

結(jié)語

（1）磚混類再生集料具有高吸水率、高壓碎值、高液限指數(shù)、低堆積密度與表觀密度等不足，導(dǎo)致以其制備道路基層時抗壓強度低，收縮開裂風(fēng)險大。

（2）實驗表明，合理配料的無熟料礦渣水泥用來膠結(jié)再生集料制備道路基層材料時，其摻量與抗壓強度可滿足規(guī)范對高等級公路的要求；基于其膨脹特性，有望成功應(yīng)用于含再生集料的道路基層中。

（3）無熟料礦渣水泥廉價易得，應(yīng)用于道路基層時可大量利用工業(yè)廢渣，兼具良好的經(jīng)濟效益和重大的社會環(huán)境效益，是很有前景的新型路面基層無機結(jié)合料。