寒冷地区复掺脱硫灰膨胀剂水泥稳定碎石路面基层力学性能研究

刘汉云飞 李仲玉

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

0 引 言

为了节约煤矿资源和降低工程造价,对大型工厂的固体废料-脱硫灰[1]及后续回收利用的模式进行探索.经查阅文献,该材料常被用于水泥的制作[2-3].李帅、刘文清等研究表明了其作为沥青混合料在道路工程中使用的可行性[4-5].全国各地因为环境与气候的不同,道路所产生的病害种类也不同,寒冷地区温差大,道路因温缩效应而产生大量裂缝,对于此掺加不同的添加剂与混合材料来减少病害,提高使用寿命已是目前的通用方法[6].脱硫灰与膨胀剂都有着膨胀性,通过补偿收缩来减小反射裂缝从而提高道路的使用寿命,基于此本文将张家口市宣化区电厂的工业固体废料-脱硫灰应用于道路水泥稳定碎石基层,通过不同膨胀剂外掺量和不同脱硫灰替代率来制作水泥稳定碎石基层试件,进行无侧限抗压强度试验,分析其力学性能,从而为脱硫灰在道路水泥稳定碎石基层中的运用提供可靠依据,也为工业固体废料的处理提供新的可能性.

1 原材料

1.1 脱硫灰

脱硫灰是燃煤电厂和钢铁企业为减少煤炭燃烧后产生污染环境的SO2气体通过半干法等烟气脱硫工艺得到的工业固体废料.本实验脱硫灰原材料来自于张家口市宣化区电厂的工业固体废料.脱硫灰本身具有自硬性、膨胀性,化学成分中除了硫酸钙、碳酸钙、亚硫酸钙等成分外,还有硅、铝、铁、镁等组分.其氧化铝和二氧化硅的含量较高,因此具有较高的火山灰活性,适合煅烧水泥,主要成分见表1.

表1 脱硫灰主要成分

1.2 其他材料

本实验使用的水泥来自金隅水泥有限公司,标准强度32.5的硅酸盐水泥;膨胀剂产自天津市宗久建材有限公司的纤维膨胀抗裂防水剂;粗集料与细集料都取自张家口市石料市场;实验用水为普通的自来水.

2 配合比设计和试件制备

本实验选取的水泥掺量为3%,膨胀剂掺量(水泥质量的百分比)为0%、5%和10%,脱硫灰拟替代50%、100%(膨胀剂质量百分比)的膨胀剂掺量进行试验;为了研究不同脱硫灰、膨胀剂掺量下的收缩与强度,共设计了7组实验.

表2 复掺脱硫灰膨胀剂水稳碎石配合比设计

将实验使用的石材料共分成4类料,分别进行水洗筛分试验.测得各筛孔的通过百分率后,分析数据合成配比.

表3 级配碎石配合比设计

图1 合成级配曲线图

查阅资料,满足《公路路面基层施工技术细则》JTGT F20-2015中水泥稳定级配碎石推荐级配范围C-C-2,适用于二级及二级以下公路的路面基层结构.采用外掺水泥剂量3%,并设计4%、5%、6%、7%和8%的预定含水量来确定复掺脱硫灰膨胀剂碎石混合料的最佳含水量和最大干密度,结果见下表：

表4 混合料的最佳含水量和最大干密度

本试验采用静力压实成型方法制备标准圆件(150mm×150mm).为保证试件的成型质量,采用单配法制备试件,每3个试件为一组.静压成型的试件脱模时间不小于6h,放置到标准养护室(温度20℃±2℃,湿度≥95%)中进行标准养生.抗压强度试件养生龄期为7d和28d.

3 混合料力学性能

复掺脱硫灰膨胀剂水泥稳定碎石圆件的无侧限抗压强度依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009试验方法进行试验研究.采用水泥掺量为3%,膨胀剂掺量(水泥质量的百分比)为5%和10%,脱硫灰拟替代50%、100%(膨胀剂质量百分比)的膨胀剂掺量进行试验,通过设计的配合比制备圆形试件,测定7d无侧限抗压强度值、28d无侧限抗压强度值.试验结果见下表：

表5 7d抗压强度值

表6 28d抗压强度值

图2 不同膨胀剂掺量抗压强度 图3 不同脱硫灰替代率7d抗压强度

图4 不同脱硫灰替代率28d抗压强度

由试验结果可知,同一水泥剂量下,7d的试件随着膨胀剂掺量的增加,无侧限抗压强度先增大后减小,28d的试件随着膨胀剂掺量的增加,无侧限抗压强度先减少再增加,但7d和28d试件的无侧限抗压强度增减幅度不大;复掺脱硫灰膨胀剂水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度随着时间的增加而增加;同一水泥剂量下,无侧限抗压强度随着脱硫灰替代率的增大而增大,无侧限抗压强度的增长趋势很明显,这是因为脱硫灰本身就具有一定的胶凝性,在脱硫灰只与水反应的情况下都能具有一定的强度,而膨胀剂自身却没有胶凝性,与水反应后也不具强度,所以使得膨胀剂的掺量对材料强度的影响不大,远低于脱硫灰掺量对强度的影响;10%膨胀剂掺量、50%脱硫灰替代率下7d无侧限抗压强度值满足《公路路面基层施工技术细则》JTGT F20-2015极重交通荷载等级下路面基层的强度要求(水泥稳定材料的7d龄期无侧限抗压强度标准Rd：5.0MPa-7.0MPa).

4 结 语

目前,工业燃烧固体废料脱硫灰已在很多工程中被运用,通过不同的处理方式(如半干法)可得到不同性质的脱硫灰,从而用于不同要求的工程中;寒冷地区温差大,水泥稳定碎石基层因温缩效应而产生大量裂缝,将脱硫灰用于基层中时,其膨胀性能起到补偿收缩的作用,减少反射裂缝的形成;脱硫灰作为工业废料价格便宜,低于市场上的普通水泥和膨胀剂的价格,对其的回收利用能减少工程成本和资源浪费.经过对复掺脱硫灰膨胀剂水稳碎石各项试验研究可知：

(1)复掺脱硫灰膨胀剂水泥稳定碎石材料,在同一水泥剂量下,7d的试件随着膨胀剂掺量的增加,无侧限抗压强度先增大后减小,28d的试件随着膨胀剂掺量的增加,无侧限抗压强度先减少再增加,但无侧限抗压强度增减幅度不大.水泥稳定碎石材料强度随着脱硫灰替代率的增大而增大,膨胀剂掺量对材料强度的影响很小,远小于脱硫灰掺量对强度的影响.

(2)复掺脱硫灰膨胀剂水泥稳定碎石材料的抗压强度受脱硫灰掺量的影响显著,且10%膨胀剂掺量、50%脱硫灰替代率下的无侧限抗压强度值能满足极重交通荷载等级下路面基层的强度要求.