水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石混合料的收縮試驗

張軒碩， 嚴(yán)鵬飛， 丁永發(fā)， 李盛， 李宏波,2,3*

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 銀川 750021； 2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心， 銀川 750021； 3.寧夏土木工程防震減災(zāi)工程技術(shù)研究中心， 銀川 750021)

目前，中國工業(yè)固廢年產(chǎn)量約33億t，累計堆存量高達(dá)600億t[1]。煤炭工業(yè)是寧夏五大支柱產(chǎn)業(yè)之一，在煤炭高產(chǎn)的同時也產(chǎn)生了大量工業(yè)固廢。截至2020年底，寧夏全年產(chǎn)生的粉煤灰、爐渣和煤矸石已經(jīng)超過2 000萬t，其綜合利用率為31.7%[2]。大量堆積的工業(yè)固廢不僅污染空氣環(huán)境、危害水土，而且占用了大量的土地資源。

利用工業(yè)固廢配制半剛性路面基層混合料可降低對天然砂石的開采，既保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，又具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[3-4]。半剛性基層混合料在濕度和溫度變化時會產(chǎn)生收縮裂縫，在可變荷載和溫度荷載反復(fù)作用下，這種裂縫會向瀝青面層延伸產(chǎn)生反射裂縫，不僅破壞了路面結(jié)構(gòu)，而且嚴(yán)重縮短了路面的使用壽命[5-6]，故對基層混合料的收縮性能研究具有重要意義。

近年來，中外學(xué)者針對基層混合料的收縮性能展開了深入研究。張互助等[7-8]認(rèn)為水泥穩(wěn)定煤矸石中水泥用量為5%～6%時，混合料的抗收縮性能最佳。李智等[9]研究了細(xì)、中和粗級配情況下水泥穩(wěn)定碎石的收縮性能，發(fā)現(xiàn)干縮系數(shù)與溫縮系數(shù)均隨水泥劑量的增加而增大?；拭竦萚10]認(rèn)為煤矸石混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度對導(dǎo)熱性能起決定作用，導(dǎo)熱系數(shù)隨煤矸石摻量的增加而降低。王晴等[11]研究了煤矸石混凝土的收縮性能。孫仕偉等[12]、李宏波等[13]研究了粉煤灰水泥穩(wěn)定碎石的路用性能。崔正龍等[14]對天然碎石混凝土和煤矸石粗骨料混凝土的干燥收縮性能進(jìn)行對比，結(jié)果表明自然煤矸石混凝土干燥收縮值比普通混凝土干燥收縮值小。李永靖等[15-16]、周明凱等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在煤矸石骨料混凝土中適當(dāng)摻入粉煤灰可改善其干燥收縮性能。蘇躍宏等[18]認(rèn)為低溫時水泥穩(wěn)定煤矸石溫縮應(yīng)變較大，水泥摻量5%時抗溫縮性能最優(yōu)。顧云等[19]通過煤矸石混凝土收縮性能試驗，發(fā)現(xiàn)煤矸石混凝土比普通混凝土的干縮應(yīng)變小。劉棟等[20]采用爐渣集料替代水泥穩(wěn)定碎石中天然石料，研究了爐渣摻量對水泥穩(wěn)定碎石收縮性能的影響，試驗結(jié)果表明隨著爐渣集料摻量的增加，干縮系數(shù)呈降低趨勢，爐渣替代率為20%～30%時混合料的路用性能較好。

從上述研究可以看出，針對單摻煤矸石混合料和單摻爐渣混合料收縮試驗研究較多，但關(guān)于不同復(fù)摻種類、配比對基層混合料收縮性能的影響研究報道不多。基于此，選用0～4.75 mm粒徑爐渣按照不同比例替代同粒徑煤矸石及摻入不同量的水泥，開展對水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石基層混合料的收縮性能研究，明晰爐渣和水泥對該基層混合料收縮性能的影響規(guī)律，旨在為水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石混合料工程應(yīng)用中提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

粉煤灰來自寧夏銀川市西夏區(qū)熱電廠，爐渣和煤矸石來自寧夏寧東1#渣場，水泥為賽馬牌42.5級普通硅酸鹽水泥。對爐渣、粉煤灰和煤矸石進(jìn)行了XRF檢測，檢測結(jié)果如表1所示。爐渣、粉煤灰和煤矸石的主要組成成分是SiO2和Al2O3，含量占總質(zhì)量的70%以上，化學(xué)性質(zhì)均相對穩(wěn)定，參見文獻(xiàn)[21]可知，適宜作為道路基層的填筑材料。

對0～4.75 mm粒徑的爐渣及四檔粒徑級配煤矸石進(jìn)行壓碎值、表觀密度、堆積密度和吸水率試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

1.2 試驗方案

將爐渣通過4.75 mm的方孔篩進(jìn)行篩分，用其替代0～4.75 mm粒徑的煤矸石。煤矸石級配按照《城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》(CJJ1—2008)相關(guān)要求，設(shè)計的試驗配合比方案如表3所示。

表2 爐渣和級配煤矸石的基本性能Table 2 Basic properties of slag and graded coal gangue

表3 混合料的配合比Table 3 Mix ratio of mixture

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合材料穩(wěn)定試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)進(jìn)行溫縮和干縮試驗。試驗采用直徑為100 mm，高為200 mm的圓柱形試件代替梁試件進(jìn)行溫縮和干縮規(guī)律探索性試驗。試件采用靜壓法成型，壓實系數(shù)為0.98，試件成型后待水泥達(dá)到初凝時間后進(jìn)行脫模，并用塑料薄膜包裹，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至不同齡期。

2 溫縮試驗

2.1 試驗方法

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至6 d，飽水24 h后，將試件放入105 ℃的烘箱中烘12 h至恒量，將烘干后的試件置于干燥室冷卻至常溫。貼應(yīng)變片前對試件表面中心位置用砂輪機(jī)進(jìn)行磨平，粘貼豎向、環(huán)向應(yīng)變片和溫度補償片，并將引線接入靜態(tài)應(yīng)變儀的接口。試驗從高溫開始，溫度控制在60～-20 ℃，每一級的溫度間隔為10 ℃，降溫速率為1 ℃/min，每級溫度恒溫3 h，每個配比進(jìn)行3個平行試驗，結(jié)果取平均值。溫縮試驗如圖1所示。

2.2 溫縮試驗結(jié)果分析

8組不同配比溫縮試驗，測得的豎向和環(huán)向溫縮系數(shù)結(jié)果如圖2所示，總溫縮應(yīng)變與爐渣替代率的變化關(guān)系如圖3(a)所示，總溫縮應(yīng)變與水泥摻量的變化關(guān)系如圖3(b)所示。

由圖2可見，不同配比試件的溫縮系數(shù)變化趨勢基本相同，溫縮系數(shù)隨著試驗溫度的降低而逐漸增大。當(dāng)溫度為-10～-20 ℃時，試件5-LZ-100的豎向溫縮系數(shù)和環(huán)向溫縮系數(shù)達(dá)到最大值分別為10.9 με/℃和5.4 με/℃。隨著爐渣替代率的提高，豎向和環(huán)向溫縮系數(shù)呈增加趨勢；隨著水泥摻量的提高，豎向和環(huán)向溫縮系數(shù)呈降低趨勢。原因是混合料的溫縮應(yīng)變與材料(爐渣、煤矸石、水泥、粉煤灰及其反應(yīng)生成物)的溫縮系數(shù)和彈性模量有

圖1 溫縮試驗Fig.1 Temperature shrinkage test

關(guān)。爐渣的彈性模量低于煤矸石，隨著爐渣替代率的增大，試件的彈性模量減小，在相同溫縮應(yīng)力的作用下，試件的收縮量則越大；此外，隨著水泥摻量增大，使試件的彈性模量增大，當(dāng)溫縮應(yīng)力相同時，試件的收縮量則減少。由圖3(a)可見，摻入爐渣試件的總溫縮應(yīng)變普遍高于未摻入爐渣試件的總溫縮應(yīng)變，爐渣替代率由0增加到100%，豎向總溫縮應(yīng)變增加了34.7%，環(huán)向總溫縮應(yīng)變增加了41.7%。由圖5可見，6%水泥摻量的豎向和環(huán)向總溫縮應(yīng)變最小，水泥摻量在3%～5%范圍內(nèi)豎向總溫縮應(yīng)變變化不大，整體呈逐漸下降趨勢。水泥摻量由3%增加到6%，豎向總溫縮應(yīng)變降低了29.9%，環(huán)向總溫縮應(yīng)變降低了13.9%。參看文獻(xiàn)[22]可知，水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石混合料比二灰穩(wěn)定煤矸石混合料的溫縮系數(shù)小，說明該混合料可用作寒冷地區(qū)道路的路面基層。

圖2 豎向和環(huán)向溫縮系數(shù)試驗結(jié)果Fig.2 Vertical and circumferential temperature shrinkage coefficient test results

圖3 總溫縮應(yīng)變與爐渣替代率、水泥摻量的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between total temperature shrinkage strain and slag substitution rate, cement content

3 干縮試驗

3.1 試驗方法

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至6 d，飽水24 h后，將飽水后試件表面的水擦干；先用角磨機(jī)將試件的表面打磨平整并稱重量高；再用環(huán)氧樹脂整平試件表面并粘貼玻璃片；最后，將試件置于干縮室中，固定千分表，并記錄初始度數(shù)。每組配合比6個試件，3個測定其干縮失水率，3個測定其干縮變形，結(jié)果取平均值。干縮試驗如圖4所示。

從置入干縮室開始計時，0～7 d齡期，每0.5 d讀取并記錄千分表的讀數(shù)；7～30 d齡期，每1 d讀取并記錄千分表的讀數(shù)；30～60 d齡期，每4 d讀取并記錄千分表的讀數(shù)；60～90 d齡期，每8 d讀取并記錄千分表的讀數(shù)。同時，分別稱取讀數(shù)時對應(yīng)的平行試件的質(zhì)量。試驗結(jié)束后，將標(biāo)準(zhǔn)試件置于烘箱中烘干至恒重。

圖4 干縮試驗Fig.4 Dry shrinkage test

3.2 干縮試驗結(jié)果分析

養(yǎng)護(hù)6 d時，對8組不同配比的混合料進(jìn)行浸水試驗，測得浸水24 h試件的含水率，試驗結(jié)果如表4所示。

由表4可知，與未摻入爐渣試件的含水率相比，其他4種爐渣替代率對應(yīng)的含水率依次增加了11.1%、18.5%、39.8%、54.8%，表明隨著爐渣替代率的增大，浸水24 h試件的含水率不斷增大，主要原因是由爐渣多孔不密實的性質(zhì)決定的。爐渣的摻入，直接導(dǎo)致試件的密實程度降低，使外界的水分更容易侵入試件內(nèi)部，故浸水24 h后試件的含水率隨爐渣替代率的增大而增大。與3%水泥摻量試件的含水率相比，4%、5%、6%水泥摻量對應(yīng)的含水率分別降低了10.4%、13.1%、20.6%，表明隨著水泥摻量的增大，浸水24 h試件的含水率不斷減小。一方面，隨著水泥摻量的增多，加速了試件前期的水化反應(yīng)，部分水泥細(xì)微顆粒及二次水化生成的C-S-H和C-A-H等凝膠體填充在粉煤灰、爐渣和煤矸石骨料過渡區(qū)界面的孔隙中，使凝膠物質(zhì)與煤矸石骨料的界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)更加致密，減少了界面可能形成的連通空隙。另一方面，二次水化反應(yīng)生成大量的C-S-H和C-A-H等凝膠物質(zhì)，將原有的連通空隙分割成不連通的微孔，減少大孔而增加微孔，改善了試件整體的密實程度，有效的阻礙水的侵入速率，故浸水24 h后試件的含水率隨著水泥摻量的增大而減小。

通過對8組不同配比的混合料進(jìn)行干縮試驗，得到放置時間與干縮應(yīng)變、放置時間與失水率和放置時間與干縮系數(shù)之間的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5(a)可知，不同配比試件的干縮應(yīng)變隨放置時間變化趨勢基本相同，干縮應(yīng)變隨放置時間的增加而增加。齡期為30 d時，4種爐渣替代率對應(yīng)的干縮應(yīng)變與空白對照組相比分別減弱了31.6%、43.5%、55.7%、59.7%，表明爐渣可以抑制混合料

表4 浸水24 h試件的含水率Table 4 Water content of specimens soaked in water for 24 h

干縮應(yīng)變的增加。一方面，隨著爐渣替代率的增大，試件的密度降低，當(dāng)水泥占試件的質(zhì)量比一定時，試件中實際水泥的質(zhì)量減小，導(dǎo)致試件中生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物減少，收縮源減少，宏觀上表現(xiàn)為試件干縮應(yīng)變降低；另一方面，煤矸石集料的吸水率高于天然碎石，且具有一定的膨脹性。當(dāng)試件飽水后，其體積較普通水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石增長的多。因此，試件在逐漸失水的過程中，其干縮應(yīng)變也大于普通水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石。但隨著爐渣替代率的增大，試件中煤矸石集料所占的比例減小，收縮源減少，直接表現(xiàn)為爐渣的摻入減小了的干縮應(yīng)變。齡期為30 d時，4%、5%、6%水泥摻量的干縮應(yīng)變與3%水泥摻量的干縮應(yīng)變相比分別增加了10.5%、14.2%、37.5%，表明水泥可以促進(jìn)混合料干縮應(yīng)變的增加。原因是隨著水泥摻量的增大，試件中反應(yīng)生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物增多，水化產(chǎn)物收縮源增多，宏觀表現(xiàn)為試件的干縮應(yīng)變增大。由此可知，試件中煤矸石占比和水泥摻量是影響試件干縮性能的主要因素。

由圖5(b)可知，不同配比試件的失水率隨放置時間變化趨勢基本相同，失水率隨放置時間的增加而增加。齡期為90 d時，爐渣替代率由0增加到100%，試件的失水率增加了38.1%，表明爐渣的摻入可提高混合料的失水率；齡期為90 d時，水泥摻量由3%增加到6%，試件的失水率降低了17.3%，表明水泥的摻入可有效降低混合料的失水率。試件放置時間在0～7 d齡期時，失水率曲線斜率大，失水速率增長較快，平均失水率占總失水率的66.9%；試件放置時間在7～30 d齡期時，失水率曲線斜率變緩，失水速率增長變慢，平均失水率占總失水率的91.3%，試件放置時間在30～90 d齡期時，失水率趨于穩(wěn)定。

由圖5(c)可知，不同配比試件的干縮系數(shù)隨放置時間的增加而增大，其增長規(guī)律與干縮應(yīng)變隨放置時間的增長規(guī)律相似。隨著爐渣替代率的增大，干縮系數(shù)呈減小趨勢；隨著水泥摻量的增大，干縮系數(shù)呈增大趨勢。干縮系數(shù)為干縮應(yīng)變與試件含水率的比值，可以體現(xiàn)出試件干縮應(yīng)變與含水率的關(guān)系，結(jié)合圖5(a)和圖5(b)可知，爐渣的摻入，降低了試件對失水率的敏感性。試件放置時間在0～7 d齡期時，干縮系數(shù)曲線幾乎呈線性增長，且增長速率快，表明試件的干縮系數(shù)增長主要發(fā)生在前7 d；試件放置時間在7～30 d齡期時，干縮系數(shù)曲線斜率變緩；試件放置時間超過30 d齡期，干縮系數(shù)曲線趨于水平，表明30 d后放置時間對干縮系數(shù)的增長變化影響不大。試件放置時間為7 d齡期時，干縮應(yīng)變占總干縮應(yīng)變的50.7%；試件放置時間為30 d齡期時，干縮應(yīng)變占總干縮應(yīng)變的86.5%，說明干縮主要發(fā)生在養(yǎng)護(hù)初期。結(jié)合圖5(b)可知，在實際施工時應(yīng)當(dāng)加強早期保濕養(yǎng)生措施，防止水分蒸發(fā)過快，利于減少早期收縮引起的裂縫。

4 結(jié)論

通過對8組不同配比混合料的溫縮和干縮性能試驗，分別研究了爐渣替代率和水泥摻量對水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石混合料收縮性能的影響，得出如下結(jié)論。

(1)隨著水泥摻量的增加，反應(yīng)生成的C-S-H和C-A-H等收縮源增多，導(dǎo)致試件內(nèi)部產(chǎn)生更大的收縮應(yīng)力，從而增大了干縮收縮量。C-S-H和C-A-H等凝膠體填充在粉煤灰、爐渣和煤矸石骨料過渡區(qū)界面的孔隙中，使混合料更加致密，減緩了試件的失水。

(2)水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石混合料的干縮應(yīng)變小于水泥粉煤灰穩(wěn)定煤矸石，且隨著爐渣替代率的增大，混合料的干縮系數(shù)降低，豎向和環(huán)向溫縮系數(shù)增加。

(3)試件失水主要發(fā)生在養(yǎng)護(hù)齡期的前7 d，干縮應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加不斷增大，且呈先快后慢的變化趨勢。當(dāng)溫度降低時，水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石的溫縮應(yīng)變增加，隨著水泥摻量的增加，可顯著降低溫縮應(yīng)變。

(4)水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣-煤矸石混合料比二灰穩(wěn)定煤矸石材料的溫縮系數(shù)小，其適合于用作寒冷地區(qū)道路的路面基層。建議采用0～4.75 mm粒徑爐渣替代同粒徑煤矸石的比例宜在50%～75%，水泥摻量為5%，此時混合料的路用性能較好，并且爐渣和煤矸石的利用率較高。