固废基胶凝剂稳定材料基层性能试验研究

李永伟 师莹琨

（山东高速股份有限公司，山东 济南 250000）

1 引言

目前，我国道路工程建设面临着长距离运输成本增加、砂砾开采破坏环境等问题，因此，寻找强度高、耐久性好、环保性能好的新型路面材料成为道路工程领域亟待解决的重要课题，其中固体废物再利用是道路工程建设的重要发展方向。

针对固体废物再利用问题，中国矿业大学姜振泉等人通过对煤矸石颗粒级配和压密性、压实性能试验研究发现：通过适量增加煤矸石中细小颗粒的含量，可改变煤矸石的颗粒级配性能，进而提高煤矸石的固结性能；包慧明等人在基质沥青中加入赤泥作为稳定材料制备赤泥稳定沥青，分析了不同剪切速率、掺量对赤泥稳定沥青黏度的影响，并用扫描电镜等观测赤泥与沥青之间的微观状态变化；刘晶磊研究了土凝岩稳定的盐渍土在不同含盐率和养护龄期条件下的击实试验、无侧限抗压强度等试验值的变化规律。H. Zhang等人以赤泥作为填料制备多孔沥青并进行路面性能试验，认为稳定沥青具有良好的抗车辙和抗老化能力。

本文通过综合利用钢渣、粉煤灰、赤泥、煤矸石等工业固废研制多源固废协同增强机理下的基层稳定材料，为该胶凝材料在公路工程建设中的推广应用及相关工程应用技术规程的编制提供数据支持和理论依据。

2 原材料的选定

2.1 土石材料和固废基胶凝剂

对于无机结合料固废基胶凝剂稳定（底）基层，土壤类型、固废基胶凝剂性质种类和施工工艺的不同都会影响稳定基层的性能。本文选用山东地区常见的黏土、砂土、风化砂和碎石4 种典型土石材料，根据选定材料的化学成分分析，分别配置相应的固废基胶凝剂（配比不同）进行试验。使用的胶凝材料是由化学激发高硅钙铝含量的固废材料制备而成，主要成分是烧结赤泥微粉、粉煤灰、煅烧煤矸石微粉以及由硅酸钠、三萜皂苷、聚合硫酸铝、氟硅酸镁、氢氧化钠等组成的复合激发剂，特性见表1。

表1 固废基胶凝剂性能指标

2.2 水泥稳定碎石材料

为了对比固废基胶凝剂稳定碎石和水泥稳定碎石材料的性能差异，选取相同集料、相同级配的碎石材料进行试验。水泥选用基层常用的P·C32.5 型 号，细度1.5%、密度3 000kg/m2、比表面积387.6m2/kg、标准稠度用水量29%、初凝时间260min、终凝时间310min、3d 抗折强度3.39MPa、28d 抗 折强 度8.05MPa、3d 抗 压强 度11.52MPa、28d 抗压强度49.32MPa。

3 试验

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE 51-2009）规定，将黏土、砂土、风化砂、碎石4种典型材料掺加不同比例的固废基胶凝剂，根据击实试验所得的最大干密度和最优含水量制备成型标准试件，进行7d 标准养生无侧限抗压强度测试，确定固废基胶凝剂的最佳掺量。

3.1 击实试验

表2 给出了不同掺量的固废基胶凝剂、水泥稳定不同类型土体的击实试验结果。

表2 击实试验结果

由表2 可以看出，最佳含水量随着胶凝材料掺量的增加而变化不大，最大干密度随着胶凝材料掺量的增加而略有增加，这是由于胶凝材料的密度比黏土、砂土、风化砂的密度大。对比胶凝材料稳定碎石与水泥稳定碎石的最佳含水量和最大干密度结果可知，在掺量为6%时，两者的结果相差很小。

3.2 无侧限抗压强度试验

对沥青路面基层而言，无侧限抗压强度指标是体现路用性能最重要的指标之一，表明了试样置于不受侧向限制的条件下所能承受的强度值。首先测试了固废基胶凝剂稳定黏土、砂土、风化砂、碎石与水泥稳定碎石混合路面材料的7d 无侧限抗压强度，试验结果见表3，并分析了其与固废基胶凝剂掺量的相关性，如图1 所示。

表3 不同胶凝材料掺量7d 无侧限抗压强度试验结果

图1 固化剂稳定4 种典型路用材料的无侧限抗压强度与掺量相关性

结果发现，对于同一种原材料，随着固废基胶凝剂掺量的增加，无侧限抗压强度呈明显增长趋势，其中固废基胶凝剂稳定碎石的强度值明显高于其他3 种材料，表明固废基胶凝剂掺量对无侧限抗压强度起决定作用。

根据工程经验，基层取7d 标准养护无侧限抗压强度值3.5～4.5MPa、底基层取2.5～3.0MPa 为宜，据此确定了每种混合材料作为基层或底基层中固废基胶凝材料的最佳掺量，固废基胶凝剂稳定黏土基层胶凝材料最佳掺量10%、底基层最佳掺量8%；固废基胶凝剂稳定砂土基层胶凝材料最佳掺量10%、底基层最佳掺量8%；固废基胶凝剂稳定风化砂基层胶凝材料最佳掺量7%、底基层最佳掺量5%；固废基胶凝剂稳定碎石基层胶凝材料最佳掺量5.5%；水泥稳定碎石基层胶凝材料最佳掺量5%。

针对试验得出的最佳固废基胶凝剂掺量的不同混合材料试件，分别考察了无侧限抗压强度随养护龄期的变化规律，如图2 所示。结果显示，随着养护龄期的增加，4 种稳定材料的无侧限抗压强度均呈明显增长趋势。固废基胶凝剂稳定砂土材料强度增长相对缓慢，而固废基胶凝剂稳定风化砂和固废基胶凝剂稳定黏土材料强度增长趋势相近。

对于稳定碎石，固废基胶凝剂稳定碎石后期强度增长（14～28d）明显优于水泥稳定碎石。

图2 各种稳定材料无侧限抗压强度随养护龄期的变化

4 结语

（1）最佳含水量与胶凝材料掺量关系不大，最大干密度随着胶凝材料掺量的增加略有增加。当掺量为6%时，固废基胶凝剂稳定碎石与水泥稳定碎石的最佳含水量和最大干密度几乎相同。（2）黏土与黏土的胶凝剂最佳掺量为8%～10%、风化砂的胶凝剂最佳掺量为5%～7%、稳定碎石的胶凝剂最佳掺量为5.5%。（3）随着固废基胶凝掺量的增加，各种稳定材料的无侧限抗压强度呈线性增长；在胶凝材料掺量一定的情况下，各种稳定材料的无侧限抗压强度随龄期的增长而增大。