堿渣對水泥穩(wěn)定半剛性再生基層力學與水穩(wěn)性能影響及微觀分析

作者：肖慶一蘇剛王志輝封仕杰張恒來源：《武漢大學學報（工學版）》日期：2022-09-26人氣：1117

中國公路的建設重點逐漸轉移到建設維護，在維修過程中會產(chǎn)生大量廢棄路面材料，若不能妥善處理，將會影響環(huán)境且浪費資源^［1］。同時，中國作為產(chǎn)堿大國會產(chǎn)出大量的堿渣，10 t純堿就要排出3 t堿渣^［2］，對環(huán)境、土地資源和人體都會造成不利影響^［3］。若在水泥穩(wěn)定半剛性基層材料的再生過程中加入堿渣，不但可以利用廢舊基層材料，還可遏制廢棄堿渣量的增長，在保護環(huán)境的同時，還能高效利用廢舊的道路建筑材料，提高對堿渣以及道路舊料的綜合利用^［4］。堿渣作為堿活性摻合料，對廢舊基層材料具有再生效果^［5］。孫孝海等^［6］將工業(yè)堿渣以不同比例摻入膨脹土并測試性能，發(fā)現(xiàn)工業(yè)堿渣可以有效減少材料膨脹率，并對顆粒級配起到改善作用。劉繼中等^［7］將堿渣與礦渣結合研制出的復合膠凝材料具有良好的力學性能。徐東強等^［8］將堿渣與礦渣微粉等制備成堿激發(fā)膠凝材料，發(fā)現(xiàn)堿渣可以提高材料砂漿流動性，但會降低材料強度。

本文結合現(xiàn)有研究成果，以水泥、堿渣、半剛性基層銑刨料為原材料，制備堿渣-水泥穩(wěn)定半剛性再生材料并研究其路用性能，旨在探索堿渣的合理利用方式以及豐富廢舊半剛性基層材料的再生研究。通過7 d無側限抗壓強度試驗以及擊實試驗確定了水泥再生材料的最佳水泥摻入比，衡量水泥與堿渣的最佳比例，以最佳比例的堿渣-水泥再生材料與水泥再生材料進行無側限抗壓強度、劈裂強度等力學比對試驗，再結合水穩(wěn)定性試驗研究堿渣對水泥穩(wěn)定半剛性再生基層的力學性能和水穩(wěn)定性的影響，最后根據(jù)X-射線衍射法（X-ray diffraction，XRD）與掃描電子顯微鏡法（scanning electron microscope，SEM）對2種材料進行微觀分析。

1 試驗方案

本文試驗采用唐山某水泥廠生產(chǎn)的強度等級為32.5的礦渣硅酸鹽水泥，技術參數(shù)如表1所示。

表1 水泥的技術參數(shù)

Table 1 Technical parameters of cement

技術指標	初凝時間/min	終凝時間/min	抗壓強度 /MPa	抗折強度 /MPa	安定性/mm
實測值	178	436	14.8	34.5	3.9	6.1	1
技術要求	≥45	≤600	≥10.0	≥32.5	≥2.5	≥5.5	5

技術

指標

初凝時間/min

終凝時間/min

抗壓強度

/MPa

抗折強度

/MPa

安定性/mm

3 d

28 d

3 d

28 d

實測值

178

436

14.8

34.5

3.9

6.1

技術

要求

≥45

≤600

≥10.0

≥32.5

≥2.5

≥5.5

本文試驗用堿渣取自唐山某制堿廠，堿渣主要化學成分如圖1所示，堿渣物理性質指標如下：平均粒徑為19.47 μm，比表面積為419 m²/kg，50%~70%含水率情況下的平均pH值為12.8。本文試驗用舊料為團唐公路路面大修工程中產(chǎn)生的基層銑刨料，技術指標如表2所示。

圖1 堿渣主要化學成分

Fig.1 Main chemical components of alkali slag

表2 舊料的技術參數(shù)

Table 2 Technical parameters of used materials

技術指標	塑性指數(shù)	含水率/%	壓碎值/%	軟石含量/%
測試值	13.1	4.9	20.4	2.7
技術標準	≤17.0	-	≤30.0	-

依照無側限抗壓強度試驗與擊實試驗，得出不同水泥摻量下再生廢舊半剛性基層材料7 d無側限抗壓強度、最佳含水量及最大干密度，綜合考慮經(jīng)濟及材料性能，確定最佳水泥摻入比為5%，如圖2、3所示。

圖2 不同水泥摻量再生半剛性基層材料7 d無側限抗壓強度

Fig.2 7 d unconfined compressive strength of reclaimed semi-rigid base material with different cement contents

圖3 最佳含水量與最大干密度隨水泥摻量的變化情況

Fig.3 The change of optimum water content and maximum dry density with cement content

試驗確定水泥和堿渣的總比例為5%，采用控制變量法調整兩者的比例，通過7 d無側限抗壓強度確定堿渣與水泥之間的最佳比例。采用比較法對水泥再生料試件和最佳比例的堿渣-水泥再生料試件的劈裂強度、動態(tài)模量、水穩(wěn)定性作對比試驗，研究摻入堿渣后水泥穩(wěn)定再生基層的力學性能與水穩(wěn)定性能，依據(jù)微觀試驗分析堿渣對水泥再生材料的微觀機理。

2 力學性能測試結果分析

2.1　無側限抗壓強度試驗

堿渣-水泥再生料不同養(yǎng)護齡期的無側限抗壓強度試驗結果如表3所示。

表3 堿渣-水泥再生料的無側限抗壓強度試驗結果

Table 3 Test results of unconfined compressive strength of alkali slag-cement recycled materials

堿渣摻量/%	無側限抗壓強度/MPa
堿渣摻量/%	7 d	28 d	90 d	180 d
0	2.44	3.07	3.52	3.76
1	2.53	3.11	3.45	3.73
2	2.74	3.19	3.49	3.70
3	2.38	2.81	3.11	3.33
4	1.75	2.10	2.30	2.56
5	1.59	1.77	1.98	2.20

由表3、圖4可見，堿渣摻量從1%增加到2%時，各齡期試件的無側限抗壓強度增長量較大；堿渣摻量超過2%之后，材料的無側限抗壓強度就會大幅度減少，不管前期還是后期，都會造成很大影響。養(yǎng)護齡期為7 d時，堿渣摻量為5%的材料其無側限抗壓強度比水泥再生材料減少了34.84%；養(yǎng)護齡期為180 d時，無側限抗壓強度會比不摻堿渣的材料減少41.49%。綜上可見，無側限抗壓強度在堿渣摻量為2%~5%時趨勢呈現(xiàn)負增長。適量的堿渣會對水泥中混合物的活性起到激發(fā)作用，刺激水泥水化反應加速進行，導致前期材料強度形成較快，強度較大^［9］。如果堿渣占水泥原本數(shù)量的比例過高，會導致水化反應物的缺失、材料強度下降，但材料仍然會保持一定的強度。

圖4 堿渣摻量對不同齡期無側限抗壓強度的影響

Fig.4 Influence of alkali slag content on unconfined compressive strength of different ages

由圖5可見，由于前期水泥的水化反應劇烈，堿渣摻量為0~2%時無側限抗壓強度最高，前28 d強度形成最快。后期水泥水化基本完成，材料趨于穩(wěn)定，因此強度變化較小，但因堿渣本身不會發(fā)生水化反應，因此摻堿渣的水泥再生材料的最終無側限抗壓強度均較小。綜合考慮選擇2%堿渣+3%水泥的再生料與水泥再生材料，進一步試驗分析堿渣對水泥再生材料的力學與水穩(wěn)定性的影響。

圖5 養(yǎng)護齡期對不同堿渣摻量試件的影響

Fig.5 The effect of curing age on specimens with different alkali slag contents

2.2　劈裂強度試驗

本文以再生廢舊半剛性基層材料的堿渣-水泥比例為0~5%和2%~3%的2種方案進行劈裂強度的對比試驗，結果如表4所示。

表4 2種再生材料不同養(yǎng)護齡期劈裂強度試驗結果

Table 4 Splitting strength test results of two recycled materials

方案	劈裂強度/MPa
方案	7 d	28 d	90 d	180 d
水泥再生材料	0.31	0.40	0.44	0.50
堿渣?水泥再生材料	0.20	0.28	0.35	0.39

由表4、圖6可見，2種材料的劈裂強度均隨著養(yǎng)護齡期的增大而增大。養(yǎng)護齡期為7 d時，水泥再生材料比堿渣-水泥再生材料的劈裂強度高55%，并且同養(yǎng)護齡期下，堿渣-水泥再生材料均比水泥再生材料的劈裂強度低，說明堿渣的摻入降低了材料的抗拉性能，使其脆性增加。養(yǎng)護齡期分別為7、28、90和180 d時，堿渣-水泥再生材料的劈裂強度比水泥再生材料分別降低了35.5%、30%、20.5%和22%，兩者的差距是先減小后增加的，說明摻入堿渣不利于前期劈裂強度的形成，并且這種影響一直延續(xù)到后期，差距維持在20%左右。

圖6 養(yǎng)護齡期對劈裂強度的影響

Fig.6 The effect of curing age on splitting strength

2.3　動態(tài)模量試驗

2種再生材料的動態(tài)模量試驗結果如表5所示。

表5 2種再生材料的動態(tài)模量試驗結果

Table 5 Dynamic modulus test results of two kinds of recycled materials

方案	動態(tài)模量/MPa
方案	7 d	28 d	90 d	180 d
水泥再生材料	3 298	7 521	10 762	12 493
堿渣?水泥再生材料	4 672	8 375	10 111	11 612

由表6、圖7可見，2種材料的動態(tài)模量均與齡期呈正相關關系。養(yǎng)護齡期為28 d前，堿渣-水泥再生材料的動態(tài)模量均比水泥再生材料的高；養(yǎng)護齡期為28~180 d時，堿渣-水泥再生材料的動態(tài)模量低于水泥再生材料，動態(tài)模量的增長速度先高后低，而水泥再生材料的增速變化與之相反。綜上說明，堿渣的摻入有利于再生材料前期動態(tài)模量的增長，堿渣提高了材料前期水化反應，有利于動態(tài)模量的提高，后期由于水泥含量不足，因此動態(tài)模量慢慢低于水泥再生材料，但降低幅度不大。養(yǎng)護齡期為180 d時2種材料的動態(tài)模量相差僅有7%。

表6 各養(yǎng)護齡期對應的干濕循環(huán)次數(shù)

Table 6 The number of dry and wet cycles corresponding to each curing age

養(yǎng)護齡期/d	干濕循環(huán)次數(shù)
7	3
28	5
90	7
180	10

圖7 不同養(yǎng)護齡期對動態(tài)模量的影響

Fig.7 The effect of curing age on dynamic modulus

2.4　水穩(wěn)定性試驗

按靜壓法成型 $Φ 150 m m \times h 150 m m$ 圓柱形試件，2種再生方案制作了12個標準試件/齡期，脫模后進行養(yǎng)護，將其中半數(shù)試件進行干濕循環(huán)。養(yǎng)護齡期對應的干濕循環(huán)次數(shù)如表6所示。水穩(wěn)定系數(shù)為

式中： $Q$ 為水穩(wěn)定系數(shù)，%；P₁為試件干濕循環(huán)后無側限抗壓強度，MPa；P₀為試件未干濕循環(huán)的無側限抗壓強度，MPa。

水穩(wěn)定性試驗結果如表7所示。根據(jù)表7和圖8可見，隨著養(yǎng)護齡期的增長，2種廢舊再生材料的水穩(wěn)定系數(shù)也在增長，在養(yǎng)護齡期前28 d，2種材料的水穩(wěn)定系數(shù)均提高最快，之后速度明顯下降。養(yǎng)護初期試件的化學反應沒能進行到底，顆粒間不具備較強粘結性，內部張力在干濕循環(huán)的不斷作用下增大，容易使試件出現(xiàn)裂縫^［10］。當化學反應平穩(wěn)下來，顆粒間粘結性增強，水穩(wěn)定性也隨之增加。材料前期具備較高的水穩(wěn)定系數(shù)，后期穩(wěn)定系數(shù)增幅不大。2種廢舊半剛性基層再生材料的水穩(wěn)定系數(shù)均在80%以上，說明2種材料在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后其抗壓強度降低幅度均較小，因此水穩(wěn)定性較好。由圖8可知，堿渣-水泥再生材料明顯比水泥再生材料的水穩(wěn)定性要好，說明堿渣可以在一定程度上提高水泥再生材料的水穩(wěn)定性能。

表7 2種再生材料不同養(yǎng)護齡期水穩(wěn)定試驗結果

Table 7 Water stability test results of two recycled materials

方案	Q/%
方案	7 d	28 d	90 d	180 d
水泥再生材料	87.30	88.64	90.08	91.49
堿渣?水泥再生材料	87.94	90.27	91.67	92.65

圖8 水穩(wěn)定系數(shù)隨養(yǎng)護齡期的變化趨勢

Fig.8 Variation trend of water stability coefficient with curing ages

3 微觀機理分析

3.1　堿渣-水泥再生材料強度形成機理

堿渣中的CaCO₃是以方解石和文石等礦物結構方式存在^［11］，因此吸水性、保水性與微膨脹性能都較強，有利于降低混合料收縮程度與整體水分，提高材料pH值。堿性增強對水泥水化反應起到促進作用，增強早期強度^［12］。同時在堿渣中Ca（OH）₂和CaSO₄可以與水泥中的鋁酸三鈣（C₃A）反應。再生骨料的表面及孔隙中生成多種膠結物^［13］，通過增強骨料間的膠結，使再生半剛性基層整體性更強，對材料強度和水穩(wěn)定性的提高有幫助，反應式如下：

Ca（OH）₂+C₃A+H₂O→C₄AH₁₃

譯

C₄AH₁₃+CaSO₄·2H₂O→

譯

3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

譯

C₄AH₁₃+3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O→ 3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O

譯

3.2　XRD衍射試驗

本文對5%水泥再生半剛性材料與2%堿渣+3%水泥復合再生材料內部礦物結構組成進行了分析，所得XRD圖譜如圖9所示，其中，2θ為衍射角。由圖9、10可見，養(yǎng)護齡期為7、90 d時，水泥再生料與堿渣-水泥再生料圖譜中主要礦物CaCO₃、C?S?H、C₄AH₁₃等可形成方解石和白云石等礦物結構，為堿渣-水泥再生料提供早期強度；摻入堿渣后再生料中會生成紅輝沸石礦物質^［14］。與7 d齡期相比，90 d齡期時2種再生料中的礦物含量均有增加，其中水泥再生料主要礦物質強度提高42%~105%，堿渣-水泥再生料主要礦物質強度計數(shù)提高52%~69%?？梢姄饺脒m量堿渣不會對90 d齡期的水泥再生料中各物質含量和強度計數(shù)影響太大。

圖9 水泥再生材料養(yǎng)護7、90 d的XRD圖

Fig.9 XRD patterns of cement recycled materials after curing for 7 and 90 days

圖10 堿渣-水泥再生材料7、90 d的XRD圖

Fig.10 XRD patterns of alkali slag-cement recycled materials after curing for 7 and 90 days

3.3　SEM測試

通過掃描電鏡對養(yǎng)護齡期為7、90 d的5%水泥再生料和2%堿渣+3%水泥復合再生料進行5 000倍放大，觀察分析兩者的微觀形態(tài)結構及其反應進程，剖析堿渣對水泥再生半剛性基層的影響。

由圖11可見，養(yǎng)護齡期為7 d時水泥再生料和堿渣-水泥再生料的顆粒大多呈現(xiàn)松散顆粒狀，之間并沒有明顯的膠結，空間結構中存在很多細小的孔洞，呈松散狀態(tài)。有少量粉煤灰等球狀玻璃體，應該是刨銑舊料中本身存在的材料。2種材料中均生成少量膠凝物質、Ca（OH）₂和CaCO₃等晶體及部分較短纖維狀的鈣礬石等晶體，7 d養(yǎng)護齡期不足以反應太多膠凝物，因此集料顆粒只是被嵌擠起來，并沒有真正粘結成整體，但堿渣-水泥再生料的集料粘結程度明顯比水泥再生材料更高，說明堿渣中的活性物質增強了水泥水化生成膠凝材料的數(shù)量，使得材料結合更加緊密^［15］。

圖11 2種材料養(yǎng)護齡期為7、90 d時的SEM掃描圖

Fig.11 SEM scanning images of two materials at curing ages of 7 d and 90 d

養(yǎng)護齡期為90 d時，水泥再生料和堿渣-水泥再生料中晶體化現(xiàn)象很明顯，空間結構變得更緊密。因長時間的化學反應生成了大量C?S?H、Ca（OH）₂和CaCO₃等晶體充填于孔隙中，使得材料整體強度提高。同時，2種材料中纖維狀的鈣礬石和方解石等晶體與C?S?H凝膠相互粘結成網(wǎng)狀體^［16］，將集料顆粒與生成晶體及膠凝物纏繞起來，混合料的強度因此得到較大提升。

通過比較可以看出，堿渣的摻入有利于膠凝物質在集料表面的包裹、互相纏繞，連接晶體與集料顆粒，形成晶體與膠凝物互相附著的整體結構，大大提高混合料的整體強度，但空隙明顯比水泥再生料更大，因此后期強度弱于水泥再生料。

4 結論

1）水泥穩(wěn)定半剛性再生基層的養(yǎng)護齡期為7 d時，無側限抗壓強度隨水泥摻量的增長而增長，但水泥摻量為5%~6%時的變化不大，因此水泥最佳摻量為5%。堿渣-水泥穩(wěn)定半剛性再生基層的無側限抗壓強度隨堿渣摻入量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。依據(jù)養(yǎng)護齡期為7 d時的無側限抗壓強度測定堿渣-水泥的最佳比例為：2%堿渣+3%水泥。

2）堿渣會促進水泥的前期水化反應，堿渣的摻入對水泥再生材料前期的抗壓強度和動態(tài)模量均有提高，但后期會降低材料的抗壓強度和動態(tài)模量、降低材料的劈裂強度。堿渣能一定程度提高水泥再生材料的水穩(wěn)定性能。

3）微觀試驗表明，養(yǎng)護齡期為7 d時，加入堿渣后再生材料中的生成物更多（如Al₂Si₂O₅（OH）₄·2H₂O），同時增加了晶體及C?S?H凝膠的數(shù)量；隨著養(yǎng)護繼續(xù)，堿渣將集料顆粒、晶體及膠凝物粘結成球體，提高強度的同時也增大了內部孔隙，因此后期強度低于水泥再生料。

堿渣摻入廢舊半剛性基層材料的再生過程，不會對再生料的性能造成太大影響，但能有效減少堿渣的堆積，節(jié)約道路建筑資源，促進堿渣的回收利用，具有較大的社會價值與經(jīng)濟效益。

關鍵字：優(yōu)秀論文

上一篇：間歇熱處理對西葫蘆冷害及活性氧代謝的影響
下一篇：海洋環(huán)境下鎳鐵渣粉水泥土強度增強的微觀機理研究

欄目分類

熱門排行

推薦信息

期刊知識

堿渣對水泥穩(wěn)定半剛性再生基層力學與水穩(wěn)性能影響及微觀分析

1 試驗方案

2 力學性能測試結果分析

2.1 無側限抗壓強度試驗

2.2 劈裂強度試驗

2.3 動態(tài)模量試驗

2.4 水穩(wěn)定性試驗