掺飞灰水泥稳定碎石收缩性能研究

肖晶晶

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司,重庆 400067)

水泥稳定碎石因其具有整体性好、强度高、抗冻性好以过经济性好等优点,广泛应用于各等级公路基层和底基层[1]。截止到2022年底,全国公路里程535.48万km,高速公路通车里程达17.73万km[2]。其中90%以上的高速公路都是采用的水泥稳定碎石基层材料[3]。根据《交通强国建设纲要》,未来还将建设大量公路交通基础设施,消耗大量水泥稳定碎石材料。但是,由于水泥稳定碎石材料自身的特性,其在强度形成以及后期服役过程中容易发生收缩开裂。水泥稳定碎石材料由于内部温度变化和水分散失,会产生收缩应力,当收缩应力超过了材料自身的黏结力时,在基层中便产生了温度收缩裂缝和干燥收缩裂缝[4-5]。沥青路面在重复交通荷载作用下,裂缝会逐渐向上延伸到面层形成反射裂缝。影响路面的稳定性与整体性,使得路面结构整体性降低,服役性能和寿命均下降。同时路表自然环境中的水分极易通过裂缝向下侵入,极易引发其他病害,如雨水冲刷基层或路基,导致承载力下降[6]。针对这些问题,研究人员通过调整级配,选择骨架嵌挤结构,或者采用振动搅拌、振动压实、添加外掺剂等措施来改善水泥稳定碎石的抗裂性能[7-9]。但是由于试验条件限制和其他不可控因素,所得结果尽管在总的趋势上相一致,仍存在差异性与不确定性,特别是针对一些当地特有材料的研究和一些极端天气下的研究,其差异性更加显著。

随着国家经济发展,人民生活水平提高,生活垃圾产量激增。据统计,我国城乡生活垃圾年产量超过两亿吨[10]。“垃圾围城”已经成为一个棘手的问题。目前垃圾的处理方式主要有填埋、焚烧。城市垃圾焚烧会产生底渣和飞灰。每吨垃圾焚烧后产生的飞灰大约为30 kg～200 kg[11]。飞灰的处理方式主要是通过水泥固化技术、玻璃化/熔融固化技术、化学药剂稳定法等技术处理后再进行填埋[12]。虽然以上方式能够有效处理飞灰中的各种有害物质,但是飞灰填埋占用了大量的土地资源,而且飞灰浸出液还可能存在泄漏的风险,造成环境污染。因此,如何实现飞灰的资源化利用是目前面临的重大问题。作为垃圾焚烧厂的废料,飞灰近年来在道路工程材料中的应用得到了广泛关注。研究发现飞灰掺入到沥青混合料中,能够有效增强抗车辙变形能力,提高沥青混合料的路用性能,并给出了飞灰的建议掺量为矿粉质量的25%～50%[13-14]。掺飞灰水泥稳定碎石的无侧限抗压强度随着飞灰掺量的增加而减小[15]。当飞灰的掺量为水泥剂量的25%时,水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量均能满足规范的要求,并且掺25%的飞灰水泥稳定碎石的抗冻性良好。飞灰经过水洗处理后,能够有效去除其中的碱性物质、可溶性硫酸盐及氯化物。因此水洗后的飞灰掺入水泥稳定碎石中,混合料表现出了更优异的性能[16]。综上,在水泥稳定碎石中掺入适量的飞灰对强度影响较小,并且能够起到固废利用、节能减排的作用。

目前,仍缺少掺入飞灰对水泥稳定碎石抗裂性能的影响的研究。因此,本文进行不同飞灰掺量的水泥稳定碎石的收缩性能研究,进行温度收缩试验以及干燥收缩试验,探究飞灰对水泥稳定碎石的影响规律。这将节约飞灰在处理过程中消耗的土地资源和资金,促进废弃物的高效利用及绿色交通的发展。

1 材料与试验

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥采用的是重庆海螺水泥有限责任公司生产的P.O42.5水泥。测试水泥凝结时间、标准稠度用水量和胶砂强度等指标,结果如表1所示。试验结果均满足JTG 3420—2020公路工程水泥及水泥混凝土试验规程的要求。

表1 水泥试验结果

1.1.2 集料

集料采用石灰岩,对其针片状颗粒含量、表观密度、软石含量等指标进行检测。技术指标均满足JTG E42—2005公路工程集料试验规程要求,具体试验结果如表2所示。水泥稳定碎石级配曲线如图1所示。

表2 石灰岩的性能指标

1.1.3 飞灰

飞灰由重庆某垃圾焚烧发电厂提供,其外观呈现为灰色颗粒,粒径大小不一。将飞灰研磨成粉末,使其100%通过0.075 mm筛。经测试飞灰中水的质量分数为1.32%,表观密度为2.64 g/cm3,烧失量为3.4%。

1.2 试件制备

水泥剂量占水泥稳定碎石混合料的4.5%为定值。飞灰的掺量为集料质量的1%～4%。飞灰掺入混合料中会占据一部分空隙,增加了其中细集料的含量,可能会导致混合料级配失衡。因此在掺入飞灰的同时适当减少0 mm～0.15 mm细集料的用量。采用振动搅拌机对混合料进行拌和。为了使集料分布均匀,首先将集料倒入搅拌机中拌和20 s,之后按照设计的用水量倒入部分水,润湿集料表面。然后倒入水泥和剩余的水,再搅拌2 min。按照JTG E51—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程中的振动击实试验方法确定不同飞灰掺量的水泥稳定碎石材料的最大干密度和最佳含水率,振动击实时间为90 s。飞灰的具体掺量、不同混合料的简称以及击实试验结果如表3所示。

表3 不同飞灰掺量的水泥稳定碎石的击实试验结果

采用规范(JTG E51—2009)中振动压实成型法制备100 mm×100 mm×400 mm中梁试件,振动压实时间为120 s。成型试件时,混合料分2次倒入模具中,每次用铁棒轻轻均匀插实。试件压实成型1 d后进行脱模,用塑料袋包裹然后放入温度为20 ℃、湿度不小于95%的标准养护室中进行养生。

1.3 试验方法

1.3.1 温度收缩试验

按照规范试件养生7 d,测试前一天将其浸泡在(20±1) ℃的水中。试件浸水1 d后取出,擦去表面水分放入105 ℃烘箱中10 h～12 h烘干至恒重。待其冷却后测量试件原始长度L0。试验在可程式恒温恒湿箱内进行,温度范围为-20 ℃～60 ℃。试验开始时先将温度升至60 ℃,10 ℃为一个梯度,逐级降温,降温速率为0.5 ℃/min。当温度达到观测点时恒温3 h,恒温结束前五分钟测量试件的变形量。根据试验数据按规范的公式计算温度收缩应变和温度收缩系数[17]。

1.3.2 干燥收缩试验

试件养护7 d并在最后1 d浸水。浸水后测量试件的初始长度L0和初始质量m0。然后将试件放在干缩室内,用千分表测量收缩量。干缩室内温度为20 ℃,湿度为60%。开始试验后的7 d内每天记录试件的收缩量与质量变化,7 d以后每两天记录一次直至试验结束。试验结束后将试件放入烘箱中加热至质量不变,为mp。根据数据按规范计算试验结果。

2 结果与分析

2.1 温度收缩

不同飞灰掺量的水泥稳定碎石的温度收缩试验结果如图2—图4所示。由图2可以看出,不同飞灰掺量的水泥稳定碎石累计温度收缩应变随时间的推移而增加。温度收缩试验结束,CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的累计收缩应变分别为1 350.18 με,1 263.12 με,1 472.45 με,1 535.84 με和1 662.27 με。其中CSM-FA1的温度收缩应变略小于CSM,降低了6.45%。随着飞灰掺量的增加,温度收缩应变也随之增加。飞灰掺量从2%增加到4%,累计温度收缩应变相应增加了9.06%～23.11%。说明水泥稳定碎石中掺入少量的飞灰可以提高其抗温度收缩性能。但是掺量过大,反而对水泥稳定碎石的收缩性能不利。从图3可以看出,水泥稳定碎石试件在不同温度区间内温度收缩系数变化趋势大致一致。混合料的温度收缩系数整体随温度减小而逐渐降低,在0 ℃～20 ℃范围内达到最低,随后有小幅度的增加。随着飞灰掺量增加,各温度区间的收缩系数均增大。在各个温度区间,五种混合料中CSM-FA1的温度收缩系数小于CSM,CSM-FA4的温度收缩系数最大。

在图4中,CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的平均温度收缩系数分别为16.88 με/℃,15.79 με/℃,18.40 με/℃,19.19 με/℃和20.78 με/℃。飞灰的加入对混合料试件平均温度收缩系数影响显著。其中,CSM-FA1的平均温度收缩系数最小。相比于CSM,CSM-FA1的平均温度收缩系数降低了6.46%。当飞灰掺量增加时,混合料的平均温度收缩系数随着增大。相比于CSM,CSM-FA4的平均温度收缩系数提高幅度最大为23.1%。

由此可见,掺入适量的飞灰对水泥稳定碎石的抗温度收缩性能有一定的改善作用。水泥稳定碎石中掺入少量飞灰并替换部分细集料后,混合料的干密度减小。在试验中随着温度下降,混合料内部产生的温度收缩变形只能在相对较小的组成空间内发生位移,所以就表现为具有较小的温度收缩系数。随着飞灰掺量的增长,飞灰发生火山灰反应产生了更多的胶结物。胶结物的温度收缩变形增加了混合料总体收缩。因此当飞灰掺量超过1%时,混合料的温度收缩系数明显增大。

2.2 干燥收缩

干燥收缩的试验数据结果如图5—图7所示。图5为混合料的失水率变化情况,所有的试件的失水率都随着时间的推移而增大。试件在前10 d的失水率增加比较明显,后期失水率则增长较缓。CSM,CSM-FA1和CSM-FA2的累计失水率变化情况较为接近。随着飞灰掺入的比例进一步增加,累计失水率也随之增加。这可能是由于飞灰的比表面积大,吸水性较强,混合料的最佳含水率提高。所以混合料掺入飞灰搅拌之后,需要更多的水分,水分散失也更多更快。

不同混合料的干缩应变变化情况如图6所示。随着时间的推移,混合料的累计干缩应变逐渐增大,后期趋于稳定。干缩试验结束,CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的累计收缩应变分别为194.5 με,180.4 με,253.57 με,309.79 με和402.36 με。从试验结果可以看出,CSM-FA1的累计干缩应变减小,相比于CSM减小了7.25%。这可能是因为飞灰的加入,改善了水泥稳定碎石内部胶体结构,孔隙结构分布更加均匀,从而减少了毛细水的迁移。掺入少量飞灰之后消耗了更多用于水泥水化的水,因此收缩应变减小。但是随着飞灰掺量的进一步增大,收缩应变增加,特别是早期收缩增加明显。CSM-FA4的累计收缩应变增加了约1.07倍。说明飞灰掺量过多,对于水泥稳定碎石的抗收缩性能极为不利。少量的飞灰可以改善混合料的孔隙结构,但是飞灰掺量增大,火山灰反应缓慢导致大部分水分并没有被消耗。增加飞灰掺量的同时也增加了混合料的拌和用水量,试件中的自由水增加,水分蒸发增大,导致试件收缩增加。飞灰比表面积大,导致混合料的吸附水和层间水增多,在后期水分的蒸发作用较强,因此混合料的收缩相对增大。

掺加飞灰对平均干缩系数影响较大。累计干缩系数变化趋势与干缩应变类似,随着时间的推移干缩系数增加,但逐渐趋于稳定。CSM,CSM-FA1,CSM-FA2,CSM-FA3和CSM-FA4的平均收缩系数分别为62.32,58.04,81.06,96.33和117.42。CSM-FA1平均干缩系数最低,相比于CSM降低了6.87%。随着飞灰掺量增加到2%,3%,4%时,平均干缩系数明显增大。

3 结论

通过对不同掺量的飞灰水泥稳定碎石进行温度收缩试验和干燥收缩试验,得出以下结论:1)飞灰可以改善水泥稳定碎石的温度收缩性能。当飞灰的掺量为集料的1%时,水泥稳定碎石不同温度区间内的温度收缩应变和温度收缩系数降低。随着飞灰的掺量的增加,温度收缩系数和温度收缩应变增大。2)掺入飞灰可以提升水泥稳定碎石的抗干缩性能。在水泥稳定碎石中掺入1%的飞灰,可以改善水泥稳定碎石混合料的孔隙结构,使得混合料的结构更加均匀,从而降低水泥稳定碎石的干缩变形。3)考虑水泥稳定碎石的性能,推荐飞灰的掺量为1%,其平均温度收缩系数和平均干缩系数均最小。