硼灰稳定碎石路用性能分析

王 颖，马红全，詹晓松，陈铁林

(1.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，哈尔滨 150050；2.黑龙江省公路工程质量监理咨询公司，哈尔滨 150001)

硼灰，产自我国东北地区，产量多且集中，是硼镁矿生产硼砂排出的废料。碱性极强，其排放之处，寸草不生，大片农田受到污染，使得生态环境遭到严重破坏。工业废料硼灰主要应用于镁化工产品[1]、农业用肥料和除草剂、做污水处理[2]和炼钢用添加剂等。

为了解决硼灰的堆积带来的环境污染，同时也为了使硼矿产业的生产成本降低，黑龙江省教育厅项目“硼灰稳定碎石基层的路用性能试验研究”研究了硼灰是否能够代替粉煤灰做道路基层材料修筑道路，这样不仅可以降低公路工程造价，同时也可以保护环境促进当地经济的发展。

1 硼灰的物理性质和化学性质

作为道路基层材料，其主要性能就是结合性能，本研究中研究了硼灰的化学成分，并与道路中常用的粉煤灰、石灰做了比较，看其是否具有利用价值。通过研究表明，硼灰是通过排湿的方法从工业高炉中排出，因此湿度大、杂质多、易结块。实验室中取其烘干并过1.18 mm筛，发现硼灰易溶于水，密度较小，水底可见大量的不溶水细砂，约占硼灰质量的77.8%。其主要化学成分见表1，把其化学成分与粉煤灰和石灰的成分做了比较，粉煤灰与石灰的成分见表2。

表1 硼灰化学成分 w%

表2 粉煤灰化学成分 w%

从表中可以看出，硼灰与粉煤灰的成分相似，含量不同，说明硼灰在理论上同石灰一起可以作为道路建筑材料使用，具体每种成分的含量多少是否可以代替粉煤灰用作道路基层需进一步研究。

2 含有硼灰的二灰碎石路用力学指标测定

2.1 道路基层材料的强度理论

道路中半刚性基层典型的结构就是二灰碎石，二灰是指石灰和粉煤灰，二灰碎石基层的作用机理是石灰在碱性环境下与粉煤灰活性物质发生反应，反应生成大量胶凝性物质，生成物相互粘连，胶织在一起，形成具有一定强度的致密结构，而且该反应在水分的条件下能够持续进行，其宏观表现就是强度随龄期而增长。在基层中，要求这些材料要有足够的强度和粘结力，二灰碎石混合料强度形成包括以下几个方面：第一，具有足够的粘结力。二灰主要为混合料提供粘结成分。第二，具有较高的强度和较好的抗收缩性。将细集料砂和水掺入二灰中，形成砂浆。在一定的掺配比例下，砂可以改善二灰的性能，使得混合料具有较高的强度、较好的抗收缩性能。第三，具有整体稳定性。碎石在混合料中紧密排列形成良好的骨架结构，而砂浆又可以填充骨架的空隙，并粘结成一个稳定的骨架结构，使其具有较高的强度，较好的稳定性和耐久性[3]。

2.2 无侧限抗压强度测定

在以往的经验中，二灰碎石的配合比中二灰∶集料为20∶80，石灰∶粉煤灰为1∶3，外加剂2%。本次研究做了石灰粉煤灰碎石，石灰硼灰碎石、石灰粉煤灰硼灰碎石三种混合料的击实和无侧限实验[4]，选用外加剂的剂量均为2%，其结果见表3。

表3 硼灰与粉煤灰的无侧限抗压强度对比表

从上述实验结果来看，用硼灰代替粉煤灰后，无侧限抗压强度会有所下降，但随着石灰量的增加，强度会增大，增大到3∶0∶3时会下降；实验中又考虑到粉煤灰的细度的作用，所以实验中又在石灰硼灰碎石中加入了部分粉煤灰，发现加入粉煤灰后强度会增加，尤其在三者比例为1∶2∶3时强度达到顶峰，说明只含有硼灰和石灰的稳定结合料与含有硼灰、石灰、粉煤灰的稳定结合料相比，结合料试件的强度前者要明显弱于后者。说明硼灰与石灰结合后稳定碎石的作用是弱于粉煤灰与石灰的结合，但如果单纯从无侧限抗压强度角度来讲，这种材料可以用于道路基层当中。

3 其他路用指标测定

通过对硼灰的化学成分分析可知，硼灰易溶于水，水稳定性较差，但是由于二灰碎石具有使用效果好、应用范围广及施工简便等特点，特别是在路面翻浆的防治方面，二灰碎石一直发挥着重要的作用。为了进一步验证硼灰的使用效果，本次研究在无侧限强度满足要求的前提下又进一步研究了石灰硼灰碎石的抗冻性、劈裂强度、弹性模量[4]等路用性能。

研究中把1∶3∶0的二灰(石灰、粉煤灰)碎石和1∶2∶3的三灰(石灰、粉煤灰、硼灰)碎石分别作了抗冻融试验、劈裂试验、抗压回弹模量试验，实验中测试劈裂强度、回弹模量与冻融强度的试件尺寸均为φ15 cm×h15 cm圆柱形试件，制件时以1∶3∶0的二灰(石灰、粉煤灰)碎石和1∶2∶3的三灰(石灰、粉煤灰、硼灰)碎石做配合比，每组制取6个试件，作为平行试件，测试抗弯拉强度的试件尺寸为10 cm×10 cm×10 cm长方形小梁试件，每组制作3个平行试件。试件制作及实验过程严格遵守现行《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ E51-2009)[5]及《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)[6]，实验结果见表4。

表4 二灰碎石与三灰碎石路用性能指标 MPa

3.1 劈裂强度实验结果分析

抗拉强度是评价半刚性材料力学性能的最直接的指标，而劈裂强度是间接地测无机结合料碎石力学性能的重要指标之一。从实验结果可知劈裂强度随龄期的增长，其强度也在增长，但是前期增长较慢，后期增长较快；同时，掺加二灰的碎石劈裂强度无论是28 d的龄期还是90 d的龄期，其强度值都弱于三灰碎石。

3.2 回弹模量实验结果分析

基层选择材料时，应选择刚度(回弹模量)适中，且应与面层的刚度相适应的材料。若选择的材料刚度过小，面层刚度过大，则会由于过大的拉应力或拉应变而出现开裂破坏；若选择的材料刚度过大，则容易因干缩和温缩而产生开裂破坏，影响基层的抗裂性能[7]。稳定碎石类基层材料的回弹模量不仅与组成材料本身的模量有关，同时也与反应后生成物的模量有关，从数据显示，二者在反应初期所测模量接近，是由于混合料尚未形成整体，还处于松散状态，但随着胶结物的逐渐增多，整体结构不断增强[8]，刚度明显增大，尤其三灰碎石增长迅速。

3.3 冻融循环实验结果分析

上表中把两种配比的碎石经过5次冻融循环后，测其90 d后的无侧限抗压强度，从数据显示，经过冻融循环后，强度均有所下降，但下降的幅度不同，说明材料配比不同冻融的作用亦不同，经计算二灰的冻融系数为0.375，三灰的冻融系数为0.674，虽然都满足低等级公路基层冻融强度应大于1 MPa的要求，但三灰要优于二灰。

4 讨论与结论

以成熟的道路基层材料二灰(石灰与粉煤灰)碎石作为基础，在硼灰完全代替粉煤灰的二灰碎石中，虽然都有外加剂的掺入，但石灰硼灰碎石与石灰粉煤灰碎石相比，其早期的无侧限强度，尤其是7 d和28 d的强度并无太大差别，可后期(90 d)却有着较大的差别，而现行《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)中，对各级公路的稳定碎石混合料基层唯一指标就是7 d无侧限饱水抗压强度≥0.8 MPa[4](二级以下)，单纯从强度角度来说，硼灰完全可以代替粉煤灰。从道路的使用功能角度出发，要求道路具有一定的耐久性，这也要求作为基层的材料应满足道路使用的耐久性，同时也为了防止面层反射裂缝[9]的发生，通常验算基层材料的劈裂强度，抗压回弹模量、抗冻融强度等[10-11]，因此在石灰硼灰碎石满足无侧限强度的前提下，通过测试其路用性能指标(劈裂强度、回弹模量、冻融系数)来验证这种材料的合理性与可行性，路用性能指标的测试实验结果说明，硼灰在完全代替粉煤灰时，虽然各项指标能满足要求，但同粉煤灰相比，各项结果明显弱于有粉煤灰参与的稳定碎石材料，可见硼灰代替部分粉煤灰做基层材料是可行的，实验表明，三灰(石灰、粉煤灰、硼灰)比例在1∶2∶3时，无论是强度指标还是路用性能指标都是最佳的。

【参 考 文 献】

[1]宁志强，翟玉春，周 摘.利用硼泥制备七水硫酸镁的研究[J].轻金属，2007(7)：61-63.

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[3]邓学钧.路基路面工程(第二版)[M].人民交通出版社，2011.

[4]程英伟，汤 捷.高等级公路半刚性基层沥青路面开裂的机理分析及防治[J].公路交通技术，2004(6)：39-42.

[5]中华人民共和国标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ E51-2009)[S].北京：人民交通出版社，2009.

[6]中华人民共和国标准《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 034 2000)[S].北京：人民交通出版社，2000.

[7]陆文学，陈崇驹，丛 林.半刚性基层养护期干缩开裂发展过程的分析[J].公路，2002(12)：132-135.

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