煤氣化渣水泥穩定碎石基層材料性能研究

盛燕萍，冀欣，徐剛，路再紅，胡玲，陳華鑫

(1.長安大學 材料科學與工程學院,陜西 西安 710064；2.交通鋪面材料教育部工程研究中心,陜西 西安 710064；3.包頭交通投資集團，內蒙古 包頭 014030；4.內蒙古交通設計研究院,內蒙古 呼和浩特 010000)

煤炭是我國主要的能源結構，實現煤炭高效清潔利用的重要途徑是煤氣化技術[1-2]。煤氣化每年產生的廢渣量達85萬t，占產渣總量的95%[3]。煤氣化渣中含有豐富的SiO2和Al2O3，其與硅酸鹽水泥熟料的主要化學組成相同，具有較好的水化活性和火山灰活性[4]。公路建設采用的半剛性基層材料需要用到大量的硅酸鹽水泥[5-8]，如果將煤氣化渣取代部分水泥熟料用于道路基層材料中，將十分具有研究價值。本文在前期研究確定出水泥中摻入球磨后煤氣化渣最佳摻量的基礎上，對其水泥穩定碎石基層材料在不同養護條件下進行無側限抗壓強度、劈裂強度和收縮特性等性能研究。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

集料，選用陜西省禮泉縣石料廠產的石灰巖碎石，其技術指標見表1，級配見表2；硅酸鹽水泥PC32.5，密度為3.14 g/cm3，其化學組成和技術指標分別見表3和表4；球磨后的煤氣化渣粒度分布和物理指標分別見表5和表6，化學成分見表7。

表1 集料技術指標Table 1 Technical index of aggregate

表2 集料級配Table 2 Aggregate gradation

表3 水泥化學組成Table 3 Chemical composition of clinker

表4 水泥技術指標Table 4 Technical index of cement

表5 煤氣化渣粒度分布Table 5 Particle size distribution of coal gasification slag

表6 煤氣化渣物理指標Table 6 Physical indexes of coal gasification slag

表7 煤氣化渣化學組成Table 7 Chemical composition of coal gasification slag

PM4L行星式球磨機；BT-9300ST激光粒度分析儀；S-4800掃描電子顯微鏡；D8 ADVANCE X射線衍射儀；1800ASF(E) X射線熒光光譜儀；TYE-300B壓力試驗機；DKZ-5000電動抗折試驗機；SGC-350X水泥干縮試驗箱。

1.2 實驗方法

根據前期試驗結果，煤氣化渣球磨后摻量為20%時，煤氣化渣水泥砂漿綜合性能最佳。本文首選取3%,4%,5%,6%,7%等5組煤氣化渣水泥摻量，以及選取4%,5.5%,6%,6.5%,7%等5組含水量，按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—09)[9]進行擊實試驗和無側限抗壓強度試驗確定出最佳煤氣化渣水泥摻量，進而根據最佳煤氣化渣水泥摻量和最佳含水率成型半剛性基層試件。對在不同養護溫度及變溫條件下養護的煤氣化渣水泥基層試件進行無側限抗壓強度、劈裂強度、收縮特性等性能測試。同時，采用掃描電鏡(SEM)和X-射線衍射儀(XRD)分析煤氣化渣對水泥水化的作用機理。

2 結果與討論

2.1 水泥用量確定

含水量與干密度的關系見圖1。最佳含水率最大干密度的不同煤氣化渣水泥用量的穩定碎石無側限抗壓強度見圖2。

圖1 含水量-干密度曲線圖Fig.1 Moisture content-dry density curve

圖2 抗壓強度試驗結果Fig.2 Test results of compressive strength

由圖1可知，煤氣化渣水泥基層混合料最佳含水量與最大干密度均隨煤氣化渣水泥摻量的增加而呈現上升趨勢，一方面主要是因為煤氣化渣水泥摻量增大會使其水化程度增大，煤氣化渣水泥水化需要消耗一定數量的水。另一方面，煤氣化渣相對水泥來說，具有更高的吸水率和大的比表面積，相同質量的煤氣化渣和水泥，煤氣化渣會吸收更多的水分，從而導致混合料最佳含水量有所增加。煤氣化渣水泥摻量增加，混合料密實度有所增加，從而使得最大干密度有所增加。

由圖2可知，隨著煤氣化渣水泥用量的增加，各齡期無側限抗壓強度均有所增加，但強度增長幅度較小；當水泥用量大于5%時，無側限抗壓強度增漲幅度相對有所減緩。當煤氣化渣水泥用量為5%,6%,7%時，滿足規范JTGT F20—2015《公路路面基層施工技術細則》[10]輕交通中高速公路和一級公路的7 d無側限抗壓強度3～5 MPa。考慮到煤氣化渣水泥摻量增多會影響基層材料的收縮和加大成本，所以推薦煤氣化渣水泥用量為5%。

2.2 無側限抗壓強度

根據膠凝材料穩定碎石擊實試驗結果，以5%的煤氣化渣水泥劑量和6.14%的含水率成型半剛性基層試件。在不同養護溫度和相對濕度在95%以上的條件下對試件養護至規定齡期，分別測試3，7，28 d無側限抗壓強度并與PC32.5水泥比較，結果見圖3。

圖3 不同養護溫度下抗壓強度隨齡期變化圖Fig.3 Diagram of compressive strength changing with age at different curing temperatures(a) PC32.5水泥碎石;(b) 煤氣化渣水泥碎石

由圖3可知，無側限抗壓強度隨著養護齡期的延長而不斷增加，前期增長速度較快，后期增長速度逐漸趨于平緩；養護溫度對膠凝體系穩定碎石的無側限抗壓強度影響較為顯著，隨著養護溫度的降低，膠凝體系穩定碎石的強度有所減小。在標準養護溫度下，對照組3,7,28 d無側限抗壓強度比試驗組高約3.78%,2.20%,5.46%。與7 d無側限抗壓強度相比，煤氣化渣水泥和PC32.5水泥28 d無側限抗壓強度增長幅度分別為60.99%,66.13%。可知，煤氣化渣水泥與PC32.5水泥無側限抗壓強度增長幅度較為一致，但強度略低于PC32.5水泥，這是由于適宜的養護溫度會促進水泥水化反應，煤氣化渣中低含量的CaO一定程度上會對基層抗壓強度造成影響；煤氣化渣殘碳量較多且活性不高，會對礦物相的聚合起到阻礙作用，進而影響水化的進行；另外，煤氣化渣吸水會阻礙煤氣化渣水泥水化，使整體結構疏松多孔，導致強度降低。但煤氣化渣水泥穩定碎石在標準養護條件下能夠達到規范中的基層強度要求，可以推薦煤氣化渣水泥用于道路基層。

2.3 劈裂強度

煤氣化渣水泥碎石劈裂強度測試結果見圖4。

圖4 不同養護溫度下劈裂強度隨齡期變化圖Fig.4 Diagram of splitting strength changing with age at different curing temperatures(a)PC32.5水泥碎石;(b)煤氣化渣水泥碎石

由圖4可知，劈裂強度變化規律與無側限抗壓強度變化規律相似。從3～7 d齡期期間，試驗組和對照組劈裂強度增長速度均較快，7～28 d齡期之間，試驗組的劈裂強度與對照組的劈裂強度增長速率均趨于平緩。煤氣化渣水泥穩定碎石劈裂強度略低于PC32.5水泥穩定碎石。在標準養護溫度下3,7,28 d煤氣化渣水泥碎石劈裂強度比PC32.5水泥碎石小14.8%,7.31%,10.52%。當養護溫度為5，0，-5 ℃時， 28 d試驗組劈裂強度比對照組小8.57%,8.69%,11.72%。分析其原因與抗壓強度相似，煤氣化渣CaO含量少；另外，煤氣化渣中有害成分SO3和Na2O+K2O含量較高，SO3和Na2O+K2O都會引起水泥石膨脹，使混凝土結構不穩定；養護后期煤氣化渣中高含量的SiO2和Al2O3被水化產物Ca(OH)2激發，發生火山灰效應,使混凝土結構變致密，劈裂強度相對前期增幅明顯。

2.4 收縮特性

水泥穩定類基層材料的另一主要問題是收縮開裂[11-13]。將梁式收縮試件100 mm×100 mm×400 mm保濕養護7 d，用千分表分別測試試件不同溫度和齡期下的干縮值，結果見圖5。

圖5 不同養護溫度下收縮應變隨齡期的變化圖Fig.5 Diagram of shrinkage strain changing with age at different curing temperatures(a)PC32.5水泥碎石;(b)煤氣化渣水泥碎石

由圖5可知，PC32.5水泥穩定碎石干縮值均大于煤氣化渣水泥穩定碎石。隨著養護齡期的增長，前期煤氣化渣水泥穩定碎石的收縮應變大幅度增長，后期增長趨于緩和；-5 ℃和20 ℃養護溫度下，試驗組7,28 d收縮應變比對照組低6.10%,7.56%和9.14%,10.42%。常溫條件下，水泥穩定碎石溫縮系數小，其中水分子蒸發和內部水化作用增強，收縮應變有所降低；0 ℃以下，混凝土內部的毛細水和自由水結冰遏制了結合水的形成，并且水分子結冰會使試件產生一定膨脹，收縮程度會相應減小。分析原因：煤氣化渣水泥水化過程中，體系中的自由水逐漸減少，煤氣化渣中未參與反應的水分子由于滲透壓而進入到水泥體系中，與未水化的水泥顆粒繼續進行水化反應，生成更多的水化產物使混凝土結構更加密實；球磨后的煤氣化渣細度很小，代替部分集料填充到毛細孔中細化了孔結構，降低了孔與孔間的連通性；在堿性條件下不僅可以激發煤氣化渣的火山灰效應，而且會對煤氣化渣表面微小非晶態礦物腐蝕，這都有利于收縮性能的改善。綜上可知，含煤氣化渣水泥材料的抗裂性能優于PC32.5水泥材料，將其用在水泥穩定碎石材料中更有利于提高基層材料抗裂性能。

2.5 煤氣化渣改善水泥漿體性能的作用機理

2.5.1 煤氣化渣對水泥漿體水化產物的影響 將煤氣化渣和無水乙醇終止水化的7,28 d齡期煤氣化渣水泥凈漿和PC32.5水泥凈漿試件破碎，通過研缽研磨至一定的細度，然后進行XRD試驗測試，煤氣化渣XRD圖譜見圖6，煤氣化渣水泥和PC32.5水泥XRD圖譜見圖7。

圖6 煤氣化渣的XRD圖Fig.6 XRD pattern of coal gasification slag

圖7 煤氣化渣水泥和PC32.5水泥XRD圖譜Fig.7 XRD pattern of coal gasification slag cementand PC32.5 cement(a)7 d水化;(b)28 d水化

由圖6可知，煤氣化渣中含有少量的衍射峰，衍射峰以“饅頭峰”為主。衍射角20～30°處峰主要是煤氣化渣在高溫高壓下熔融聚合形成的非晶態玻璃體礦渣。晶體相以石英為主，莫來石、鈣長石和方解石較少。煤氣化渣水泥熟料發生水化反應后，煤氣化渣水泥水化產物衍射峰變得清晰獨立，原先的石英峰消失。

由圖7a可知，將煤氣化渣摻入水泥，對水泥水化體系的物相組成幾乎沒有影響，但會影響水化產物的總量。7 d齡期煤氣化渣水泥中Ca(OH)2主峰強度明顯弱于PC32.5水泥，C2S和C3S衍射峰強度明顯強于PC32.5水泥，煤氣化渣水泥水化反應較慢。這主要由于煤氣化渣部分代替水泥熟料，熟料礦物含量減少，造成水化速率緩慢和水化產物含量降低。另外，煤氣化渣中的殘碳也會阻礙礦物相的合成。

由圖7b可知，煤氣化渣水泥Ca(OH)2主峰強度較7 d齡期明顯增強，C2S和C3S衍射峰強度較 7 d 齡期明顯減弱，說明煤氣化渣水泥在此階段礦物C2S和C3S發生大量水化，生成了水化產物 Ca(OH)2。煤氣化渣水泥水化產物衍射峰強度與PC32.5水泥相當，幾乎一致。這主要是由于煤氣化渣具有較高的火山灰效應，在水化后期被激發，加快了其水化反應速率，使水化產物含量與PC32.5水泥水化產物含量相當。

2.5.2 煤氣化渣對水泥漿體微觀形貌的影響 對煤氣化渣和7,28 d齡期的煤氣化渣水泥和PC32.5水泥漿體進行掃描電鏡(SEM)測試，結果見圖8～圖10。

圖8 不同放大倍數下的煤氣化渣SEM圖Fig.8 SEM images of coal gasification slag at different magnification times

圖9 煤氣化渣水泥和PC32.5水泥水化7 d時SEM圖片Fig.9 SEM images of coal gasification slag cement and PC32.5 cement hydrated for 7 d(a)煤氣化渣水泥;(b) PC32.5水泥

圖10 煤氣化渣水泥和PC32.5水泥水化28 d時SEM圖片Fig.10 SEM images of coal gasification slag cement and PC32.5 cement hydrated for 28 d(a)煤氣化渣水泥;(b) PC32.5水泥

由圖8可知，煤氣化渣顆粒呈緊密堆積狀態，含有層片狀、管狀和球狀微結構，表面致密，幾乎觀察不到孔隙存在。微小非晶態礦物質滲透其中，表面覆蓋有非晶態絮狀物質，顆粒粒徑尺寸分布范圍較寬，部分小顆粒物質有明顯的熔融團聚現象。呈絮狀無定形狀態的主要是煤氣化渣中的殘碳，管狀和球狀顆粒是煤氣化渣高溫下礦物相熔融聚合形成的熔融體。殘碳的存在會阻礙礦物相的熔融聚合，使礦物相不能團聚為大球狀顆粒，圖8中小球狀和三角狀的玻璃體均受到了殘碳的影響，這會造成煤氣化渣水泥水化產物強度降低。

由圖9可知，煤氣化渣水泥水化反應速率比PC32.5水泥略慢。7 d齡期的PC32.5水泥，其板塊狀的C-S-H凝膠和六方板狀的Ca(OH)2晶體結構明顯。圓球狀的煤氣化渣顆粒表面附著針棒狀鈣礬石以及大小規則不一的球狀C3S，水化產物已有雛形，棱角尚不明顯，表面較為粗糙且不平整。PC32.5水泥表面則相對平整，水化產物輪廓清晰，但它們體系空間網狀結構均初步形成，水化產物交聯作用加強。7 d齡期煤氣化渣火山灰效應尚未被激發，同時受到CaO含量和殘碳含量的影響，煤氣化渣水泥水化緩慢。另外，一部分煤氣化渣水泥可能被水化產物包裹沒有發生水化反應，造成水化產物的數量較少。

由圖10可知，煤氣化渣水泥漿體水化產物呈無定型棉素狀，針棒狀鈣礬石明顯，水化產物相互交錯，表面平整連接緊密，幾乎沒有孔洞和裂縫的存在。煤氣化渣中部分含殘碳量多的表面水化反應進行緩慢，幾乎沒有水化產物生成。在水化后期階段，體系Ca+離子濃度升高，煤氣化渣火山灰效應被激發，加快了水化反應進程，促進了水化產物生成。未水化的煤氣化渣顆粒填充了孔隙和毛細孔，硬化了漿體的孔結構和密實度。圖10(a)與(b)相比，PC32.5水泥漿體結構表面略密實緊湊，與煤氣化渣水泥漿體微觀形貌相差不大。

3 結論

(1)高含量SiO2和Al2O3的煤氣化渣可部分取代水泥中的礦物成分用于道路基層材料。另外，煤氣化渣中玻璃相含量高使其具有較高的火山灰效應，有利于水化產物后期強度的增長。

(2)煤氣化渣水泥基層材料抗壓強度和劈裂強度略低于PC32.5水泥基層材料，但滿足道路基層的使用要求。煤氣化渣中的殘碳會導致其水泥基層強度下降。

(3)含煤氣化渣水泥膠凝材料的抗裂性能優于PC32.5水泥膠凝材料，能有效避免基層在低溫和變溫環境中干縮開裂。將煤氣化渣水泥應用在穩定碎石材料中，可改善基層的抗裂性能。