胶石比对AAM稳定碎石强度和收缩性能的影响

于滨，陈德勇，李沛青，李帅君，李一林，贾致荣

(1. 山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049；2. 山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；3. 山东九强集团有限公司，山东 淄博 255000)

碱激发材料(alkali-activated material, AAM)是近年被研究用于取代水泥的一种绿色胶凝材料。AAM主要由含铝硅酸盐煅烧天然矿物或工业废渣和碱性激发剂组成,与传统硅酸盐水泥相比,AAM具有凝结硬化快、能耗低、强度高、二氧化碳排放量低和耐高温等特点[1-3]。

胶凝材料掺量是决定稳定材料性能主要因素之一,已有大量研究报道胶凝材料掺量对稳定材料性能的影响。研究表明,随着水泥掺量的增加,水泥稳定碎石强度增加,但裂缝数量也随之增加[4-8]。Luo等[9]、Zhou等[10]研究了AAM掺量对AAM稳定土强度的影响,研究结果表明适宜AAM掺量的AAM稳定土的强度优于水泥稳定土。Huang等[11]研究了氟石膏基胶凝材料掺量对氟石膏基胶凝材料稳定污泥强度的影响,结果表明当氟石膏基胶凝材料掺量为19%时,稳定材料的14 d强度可达到4.7 MPa。Huang等[12]研究了AAM对铬铁矿废渣的稳定效果及最佳AAM掺量,研究结果表明最佳AAM掺量下的AAM稳定铬铁矿废渣性能优于水泥铬铁矿废渣。张立力等[13]研究了胶凝材料掺量对盐渍土的稳定效果,研究结果表明随胶凝材料掺量的增加,稳定材料的强度随之增加,且高镁镍渣-磷石膏基胶凝材料稳定盐渍土的性能优于水泥稳定土。

上述研究表明胶凝材料用量是影响稳定材料性能的重要因素,且由于AAM的优越性能,AAM已逐渐被应用于稳定土、稳定废渣中,但在稳定碎石中的应用较少,胶石比对AAM稳定碎石强度和收缩性能的影响尚未明确。本文通过利用钛石膏、赤泥、矿渣和级配碎石制备AAM稳定碎石,测定其在不同胶石比下的无侧限抗压强度、劈裂强度、软化系数和干缩系数,并进行SEM和XRD测试分析AAM的水化产物,为利用钛石膏等固废制备AAM并用于道路工程奠定基础。

1 原材料

1.1 钛石膏

取自山东金虹钛白化工有限公司的堆场,呈红黄色,含水量(质量分数)约为20%,pH值接近中性,化学组见表1。

1.2 矿渣

取自河北灵寿县,主要成分为硅铝酸盐,化学组成见表2。

1.3 赤泥

取自山东铝业公司,呈红色,含水量约为20%,化学组成见表3。

表1 钛石膏的化学组成 单位:%

表2 矿渣的化学组成 单位:%

表3 赤泥的化学组成 单位:%

1.4 硅酸钠

购买自山东淄博华通化学试剂有限公司,Na2SiO3·9H2O,分析纯,白色块状。

1.5 碎石

取自山东淄博鼎泰新材料科技有限公司,最大粒径为26.5 mm,级配采用《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)推荐的级配C-C-3的中值。

2 试验方法

2.1 击实试验

AAM稳定碎石的击实试验采用丙法击实,击实试验的操作流程按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)T0804—1994执行。

2.2 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度试验流程按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)T0805—1994执行。

2.3 劈裂强度

劈裂强度试验流程按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)T0806—1994执行。

2.4 软化系数

钛石膏是AAM的主要成分之一,其含水量高,吸水易变软,水稳定性较差,且在AAM稳定碎石材料中,AAM大掺量加入,因此有必要对材料的水稳定进行测试。软化系数计算公式为

(1)

式中:K为软化系数;f为浸水养护的无侧限抗压强度,MPa;F为标准养护的无侧限抗压强度,MPa。

2.5 干缩性能

干缩试验操作流程按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)T0854—2009执行。

3 结果与讨论

3.1 击实试验

通过击实试验得到的各胶石比下AAM稳定碎石和水泥稳定碎石的最大干密度和最佳含水率见表4。

表4 不同胶石比下AAM稳定碎石的最大干密度和最佳含水率

3.2 无侧限抗压强度

AAM稳定碎石经标准养护和浸水养护7 d和28 d后在不同胶石比下的无侧限抗压强度强度如图1和图2所示。

从图1可以看出,在标准养护条件下,胶石比为5∶95的AAM稳定碎石试件的无侧限抗压强度为3.5 MPa,明显低于其他胶石比制备的试件,其仅满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)对二级及二级以下等级公路的重交通水泥稳定碎石基层3～5 MPa的强度下限要求,这是由于AAM含量较少而级配碎石较多,此时试件的强度主要依靠碎石之间嵌挤形成的骨架来提供,AAM的数量不足以填充骨架间的空隙,导致试件总体强度较低;当胶石比增加到10∶90时,AAM稳定碎石的强度达到了二级及二级公路以下极重、特重交通的下限,但未能超过上限;当胶石比增加到15∶85时,AAM稳定碎石的强度超过了水泥稳定材料路面基层的7 d强度标准,且随着胶石比的进一步增大,后续胶石比的AAM稳定碎石强度均超过了基层水泥稳定材料的7 d强度标准,这是由于随着胶石比的增大,AAM的含量逐渐增多,AAM充分填充在碎石形成的骨架空隙中形成骨架密实结构,因此AAM稳定碎石的早期强度较高。

图1 不同胶石比的AAM稳定碎石养护7 d无侧限抗压强度

图2 不同胶石比的AAM稳定碎石养护28 d无侧限抗压强度

从图2可以看出,标准养护28 d后,胶石比为25∶75的AAM稳定碎石试件的无侧限抗压强度可以达到22.1 MPa,明显高于其他组试件,可能是由于胶凝材料含量较多且聚合反应充分进行,生成了更多且强度更高的凝胶产物,将试件内部孔隙填满,使试样内部结构联结更紧密,有利于提高试件的后期强度。结合图1和图2可以看出,养护28 d后的试件强度明显高于养护7 d的试件强度,各胶石比下标准养护28 d的试件较之养护7 d的强度分别增加了208.57%、134.48%、103.61%、94.29%和81.15%,这是由于随着养护龄期的增加,试件内部的硅铝离子充分进行聚合反应,生成了更多的凝胶产物,充分填充了骨架间的空隙,使试件结构的联结更紧密,有利于强度的提高。从图1和图2还可以看出浸水养护后的强度在总体上低于标准养护的强度,各胶石比下浸水养护28 d的试件较之养护7 d的强度分别增加了240%、155.1%、117.72%、100%和73.27%。从图2还可以看出,随着胶石比的增加,AAM稳定碎石的无侧限抗压强度也随之增加,这是由于随着胶凝材料含量的增加,在碱性环境中能更快的分解出硅铝离子,能生成更多的水化硅酸钙凝胶和钙矾石等产物[14-16],且生成凝胶的速度更快,充分填充试件内部,能明显提高试件的强度。

3.3 劈裂强度

不同胶石比下AAM稳定碎石的劈裂强度如图3所示。从图3可以看出,AAM稳定碎石的劈裂强度随胶石比的增加而不断上升,7 d劈裂强度在胶石比为25∶75时达到0.79 MPa,同时劈裂强度也随着龄期的增加而不断增加,各胶石比下的劈裂强度分别增加了25%、30.19%、31.25%、29.58%和27.85%。

图3 不同胶石比下AAM稳定碎石的劈裂强度

3.4 水稳定性

AAM稳定碎石在不同胶石比下的7 d和28 d软化系数如图4所示。

图4 不同胶石比下AAM稳定碎石的软化系数

由图4可以看出,养护7 d的AAM稳定碎石的软化系数随胶石比的增加呈先增加后减小的趋势,软化系数在胶石比为15∶85时出现峰值。养护7 d的试件随着AAM含量的增加,AAM充分填充试件内部空隙,使试件内部结构紧密,试件的水稳定性显著增加,故软化系数呈先上升的趋势,但当AAM含量超过15%时,钛石膏的掺量超过界限,开始对试件的水稳定性产生不良效应,故试件的水稳定性开始逐渐下降,软化系数后呈下降的趋势。除了胶石比在15∶85至20∶80之间的AAM稳定碎石的软化系数大于0.85外,其他胶石比试件的软化系数均小于0.85,说明AAM稳定碎石在胶石比为15∶85至20∶80之间的水稳定性较好。

从图4还可以看出,养护28 d试件的软化系数也随着胶石比的增大呈先增大后减小的趋势,峰值同样出现在胶石比为15∶85处,与7 d水稳定性的结果相同,说明该胶石比下AAM稳定碎石的水稳定性最优。除胶石比为5∶95和25∶75试件为0.79略低于要求的0.85外,其他各组试件的软化系数均大于0.85,说明养护28 d后试件的水稳定性整体较好。与养护7 d试件的软化系数相比,养护28 d试件的软化系数大部分有所提高,因此28 d的耐水性能较好,这是由于随着养护龄期的增加且试件持续吸水,试件内部水化反应更充分的进行,水化产物使结构内部空隙被填满,各组分之间联结更加紧密,耐水性能有所提高。

3.5 干缩性能

图5为不同胶石比的AAM稳定碎石在不同时间下的失水率。从图5可以看出,各个胶石比的AAM稳定碎石的失水率变化趋势基本一致,都是随着时间的增加,失水率总体呈上升趋势,且在前期增长较快,后期增长缓慢,这是由于前期试件内部含水率高,但AAM水化反应程度低且受外部环境影响使得试件内部水分散失的较快。从图5还可以看出,随着胶石比的增加,AAM稳定碎石的失水率也随之下降,胶石比为5∶95试件的失水率明显高于其他胶石比试件的,这是因为胶石比为5∶95试件的碎石含量较多而AAM含量较少,碎石嵌挤间的孔隙较多,AAM含量不足以填充孔隙,使得孔隙内部自由水容易流失,因此失水率较大。随着胶石比的增加,试件内部的孔隙变少,自由水不易流失,故失水率随之下降。

图5 不同胶石比下AAM稳定碎石在不同时间下的失水率

图6为不同胶石比的AAM稳定碎石在不同时间下的干缩系数。从图6可以看出,随着胶石比的增加,AAM稳定碎石的干缩系数也随之增加,这是因为在AAM掺量较少时,材料的强度可以对干缩变形起到一定限制作用,故干缩系数较小,但随着AAM含量的增加,AAM稳定碎石的强度和干缩变形也随之增加,此时收缩作用大于强度对变形的限制作用,故干缩系数随之变高。从图6还可以看出,各个胶石比的AAM稳定碎石的干缩系数变化趋势基本相同,都是在前期干缩系数增长较快。后期基本持平甚至有所下降,这是因为早期试件内自由水容易流失且早期试件内部水化反应还在初期,水化产物生成较少对试件内部产生变形的约束效果较弱导致前期干缩系数增长较快。随着水化反应的进行,胶凝体系不断生成钙矾石等水化产物,钙矾石具有膨胀作用,对试件内部的变形起到较强的限制作用[15-16],且试件内自由水基本散失完导致干缩系数的增长基本平缓甚至下降。

图6 不同胶石比下AAM稳定碎石在不同时间下的干缩系数

通过各胶石比下AAM稳定碎石的无侧限抗压强度和劈裂强度试验结果可以确定,AAM稳定碎石的胶石比越大,强度越优。通过水稳定性试验结果可以确定,AAM稳定碎石的胶石比应在15∶85～20∶80范围之间。通过干缩性能试验结果发现,胶石比为20∶80的试件的干缩系数大于胶石比15∶85的。综合无侧限抗压强度、劈裂强度、水稳定性、干缩性能等试验结果确定,本试验中AAM稳定碎石的最优胶石比为15∶85。

3.6 AAM稳定碎石强度机理分析

3.6.1 XRD分析

利用X射线照射对AAM发生水化的水化产物进行分析,AAM在7 d和28 d龄期下的XRD图如图7所示。

图7 AAM在不同养护龄期下的XRD图

从图7可以看出,AAM在7 d和28 d下的衍射峰图谱的整体走向趋势一致,说明AAM在养护期间的水化产物基本相同,经分析AAM的水化产物主要是CaSO4·2H2O、钙矾石和C-S-H。对比7 d和28 d的图谱来看可以发现,养护7 d试件的CaSO4·2H2O的峰强度明显比28 d的高,这是因为养护7 d时,只有部分钛石膏参与水化反应,但随着养护龄期的增加,钛石膏持续进行水化反应而被消耗,所以养护28 d的钛石膏的峰强相对较低。7 d图谱中已经存在钙矾石和C-S-H的衍射峰,但钙矾石峰强相对较高,说明早期主要依靠钙矾石提供早期强度,28 d图谱中的钙矾石和C-S-H的峰强明显有所提高,说明在此过程中钙矾石和C-S-H大量生成,为试件提供后期强度保证。

3.6.2 SEM分析

借助SEM扫描电镜可以观察到AAM试件的微观形貌,AAM在7 d和28 d龄期下的SEM图如图8和图9所示。

图8为养护7 d的试件在不同放大倍数下的微观形貌。从图8a放大2 000倍的电镜图中可以看出,7 d养护龄期的试件中存在较多的孔洞、微裂缝以及未参与水化反应的板状钛石膏;从图8b放大5 000倍的电镜图中可以看出,此时已有部分针棒状钙矾石、絮状水化硅酸钙生成,还有部分外漏的钛石膏;继续放大至10 000倍可以看到钙矾石夹杂在板状石膏的缝隙中,水化硅酸钙凝胶粘附在膏体上;最后放大至20 000倍,可以清楚地观察到钙矾石穿插在板状的石膏之间,絮状凝胶物质附着在石膏表面且存在较多空隙。

(a)2 000倍 (b)5 000倍

图9为养护28 d的试件的微观形貌,从图9a放大2 000倍的电镜图中可以看出,28 d养护龄期的试件中存在的孔洞数和微裂缝数较之7 d试件的少很多,且可以看到膏体表面覆盖着大量的水化产物,基本看不到完整的板状钛石膏,这表明随着养护龄期的增加,AAM内部水化反应更加充分的进行,生成更多的钙矾石等水化产物将孔洞填充,提高了试件的强度;从图9b放大5 000倍的电镜图中可以看出,此时已有较多针棒状钙矾石和絮状水化硅酸钙生成,同时还有少部分外漏的钛石膏;继续放大至10 000倍可以看到钙矾石夹杂在板状石膏的缝隙中,较多的水化硅酸钙凝胶粘附在石膏上,形成了致密的结构,基本看不到孔洞;最后放大至20 000倍,可以清楚地观察到钙矾石穿插在板状的石膏之间,絮状凝胶物质附着在石膏表面,结构相比于7 d试件的更加紧密,这表明随着养护龄期的增加,试件内部生成了更多的将各组成紧密相连的水化硅酸钙等产物,使试件内部更加联结紧密而均匀。

3.6.3 强度形成机理

AAM稳定碎石在强度形成过程中内部不断发生着物理和化学作用。物理作用主要是机械压实作用,AAM稳定碎石在机械压实作用下,混合料内部成分不断密实,内部空隙中的空气被不断挤出,从而空隙减小,此时粗细骨料紧密接触并嵌挤形成骨架;同时AAM填充了混合料骨架之间的空隙,产生了微填充效果,提高了混合料内部的致密性和稳定性[17]。化学作用主要是AAM的水化作用,据SEM和XRD分析结果可知,随着养护时间的增加,水化反应在AAM中逐渐进行,不断生成钙矾石和C-S-H凝胶,这些致密的凝胶材料填充了混合料内部孔隙;其次,C-S-H凝胶的形成加强了混合料内部各成分间的联结,提高了试样的强度和致密性。

4 结论

1)当胶石比在5∶95～25∶75的范围内时,AAM稳定碎石的7 d和28 d的无侧限抗压强度和劈裂强度均随胶石比的增大而增大, AAM稳定碎石的7 d无侧限抗压强度最大可达到12.2 MPa,28 d抗压强度可达到22.1 MPa,7 d劈裂强度最大可达到0.79 MPa,28 d劈裂强度最大可达到1.01 MPa。

2)养护7 d和28 d的AAM稳定碎石的软化系数均随胶石比的增大呈先增加后减小的趋势,在胶石比为15∶85时出现峰值,养护7 d时,胶石比为15∶85、20∶80的试件水稳定性较好;养护28 d时,胶石比为10∶90、15∶85及20∶80的试件水稳定性较好,养护28 d试件的水稳定性优于7 d。

3)在同一胶石比下,随着养护龄期的增加,AAM稳定碎石的失水率随之增加,干缩系数也随之增加,且在前期增加迅速,后期增长平缓甚至下降;在同一龄期下,随着胶石比的增加,AAM稳定碎石的干缩系数也随之增加,失水率随之下降。

4)综合无侧限抗压强度、劈裂强度、水稳定性、干缩性能等试验结果确定,本试验中AAM稳定碎石的最佳胶石比为15∶85。

5)胶凝材料水化产物主要为钙矾石和C-S-H,且随着养护龄期的增长,水化产物不断生成,为材料的强度增长提供了保障。