工業固廢新型混凝土作為公路建筑材料的性能評價

阿布來提·木合它爾

(和田公路管理局 和田市 848000)

0 引言

一個國家的社會經濟健康快速發展離不開公路網的發展與建設，而公路建造需要巨量的材料。其中，工業固廢是一種可行的建筑原料。其主要代表是粉煤灰和爐渣等工業固廢。根據調查，我國粉煤灰使用率已超過部分發達國家[1]。高爐爐渣是高爐生產生鐵過程中由鐵礦與石灰石熔劑結合而成所產生的副產物，爐渣顆粒的物理結構和級配取決于爐渣的化學成分、水淬時的溫度和生產方法。本研究中使用的粉煤灰和爐渣的物理性質如表1。

表1 粉煤灰和爐渣的物理性能

譚發茂[2]對穩定土強度增長途徑進行了試驗研究，研究結果表明，石灰-粉煤灰等外加劑穩定劑可用于各種施工應用，如填埋場和路面。F級粉煤灰由硅質和鋁質材料組成，這些材料本身缺乏膠凝價值，但在有水分的情況下與氧化鈣發生化學反應，形成膠凝化合物[3]。張勇[4]對粉煤灰在混凝土中的作用進行研究，研究結果表明，粉煤灰可以有效改善混凝土的工作性能，提高混凝土的抗折強度和耐磨性，降低混凝土的水化速度。歐磊[5]通過對粉煤灰基本性質的分析，指出粉煤灰對水泥混凝土性能的改善以及保證路面質量的有效措施，這些措施是值得在實際施工中參考和應用的。主要研究粉煤灰-爐渣-水泥混合料的土工性能及其在公路施工中的適用性。

1 試驗方法

通過對不同粉煤灰-爐渣-水泥混合料的壓實特性和無側限抗壓強度等工程性能的評價，研究工業固廢-水泥新型混凝土材料在公路建設中的適用性。表2給出了試驗方案中使用的粉煤灰-爐渣-水泥混合料的詳細情況。在試驗過程中，根據試驗的具體要求，制作試件。

表2 粉煤灰-爐渣-水泥混合料試驗方案

1.1 壓實試驗

根據國家標準GB/T 18148-2000壓實機械壓實性能試驗方法通過壓實試驗確定不同摻量粉煤灰-爐渣-水泥的含水率與干密度的關系。根據干密度與含水量的關系，計算出最佳含水率和最大干密度。

1.2 無側限抗壓強度試驗

在定容取樣器中施加靜態壓力，分別制備無側限抗壓強度試驗試樣。壓實試樣直徑為50mm，高度為100mm。所有的樣品都被涂蠟并在溫度控制室中44℃下固化7d和14d。在應變控制的無側限壓縮試驗機中，以1.2mm/min的應變率測定固化試樣的無側限抗壓強度。測定了不同摻量粉煤灰-爐渣-水泥養護7d和14d后的平均單軸抗壓強度(3個相同試樣)。7d養護試件無側限抗壓強度如表3，14d養護試件無側限抗壓強度如表4。

表3 7d養護試件無側限抗壓強度(MPa)

表4 14d養護試件無側限抗壓強度(MPa)

1.3 加州承載比試驗CBR

加州承載比試驗CBR定義為試件在2.5mm或5.0mm貫入時所承受的荷載與在相應貫入水平下標準路面骨料所承受荷載的比值。CBR試驗是評價土質路基及其他柔性路面材料穩定性的一種方法，同時也是評價土體材料強度的一個指標，廣泛應用于路基工程[6]。不同混合料(三個試樣)的平均CBR值如表5所示。

表5 7d養護不同混合料試樣的平均CBR值(%)

2 試驗結果與分析

2.1 壓實特性

不同爐渣含量最大干密度和最佳含水率隨水泥摻量的變化分別如圖1和圖2。

圖1 不同爐渣含量作用下最大干密度隨水泥摻量的變化

圖2 不同爐渣含量作用下最佳含水率隨水泥摻量的變化

研究結果表明：粉煤灰-爐渣混合料中摻加水泥導致最大干密度增加，最佳含水率降低。水泥顆粒的比重高于粉煤灰和爐渣，用水泥替代一定比例的粉煤灰或爐渣，增加其質量密度。此外，水泥顆粒比粉煤灰和爐渣顆粒更細，較細顆粒填充了壓實混合物中的空隙，從而降低了混合物的最佳含水率，增加了混合物的最大干密度。

不同水泥含量最大干密度和最佳含水率隨爐渣摻量的變化分別如圖3和圖4所示。

圖3 不同水泥含量作用下最大干密度隨爐渣含量的變化

圖4 不同水泥含量作用下最佳含水率隨爐渣含量的變化

研究結果表明：隨著爐渣加入粉煤灰-水泥混合料，最大干密度增大，最佳含水率減小。粉煤灰-水泥混合料中加入爐渣可得到良好的級配質量。因此，在相同的壓實能下，混合物被壓實到更高的密度，導致最大干密度增加，最佳含水率值降低。爐渣的比重略大于粉煤灰的比重，因此，用等量的爐渣替代粉煤灰必然會提高壓實體的干密度。

2.2 無側限抗壓強度

粉煤灰-爐渣-水泥混合料養護7d和14d后的無側限抗壓強度分別如表3和表4。研究結果表明，工業固廢混凝土無側限抗壓強度隨水泥摻量的增加而增大。在水泥水化過程中，水泥中的C3S和C2S與水發生反應，形成復合硅酸鈣水合物(C-S-H)。C-S-H凝膠形成，填滿空隙，并將顆粒結合在一起，提高材料強度；工業固廢混凝土中顆粒的黏聚力隨著水泥摻量的增加而提高；在水泥摻量不變的情況下，加入爐渣能顯著提高強度；在粉煤灰-水泥混合料中加入爐渣有利于提高穩定混合料的強度。其次，摻加爐渣有利于級配良好，提高壓實密度，從而提高壓實混合料的力學性能。同時，壓實混合材料的強度隨固化時間的增加而增加。

2.3 加州承載比CBR

根據表5不同混合料試樣的平均CBR值可知，隨著水泥摻量的增加，試件的CBR值顯著增大。水泥摻量為0%時，壓實粉煤灰的CBR值為2%，水泥摻量為8%時，其CBR值提高到62.45%，約為單獨壓實粉煤灰強度的31倍。根據圖5不同爐渣含量作用下CBR值隨水泥摻量的變化，不同爐渣摻量CBR值隨著水泥含量的增加而增加，增長趨勢接近正相關。同時，水泥含量在0～4%時，不同爐渣含量作用下CBR值差值較小，4%～6%不同水泥含量作用下CBR值差值較大。根據圖6不同水泥含量作用下CBR值隨爐渣量的變化，隨著爐渣含量的增加，試件的CBR變化趨勢較緩。爐渣摻量相同時，其中，在水泥摻量為0%、2%、4%、6%、8%作用下，隨著爐渣摻量的增加，其CBR值分別增長49%、73%、61%、111%、69%。研究結果表明，水泥含量對CBR值影響較大。

圖5 不同爐渣含量作用下CBR值隨水泥摻量的變化

圖6 不同水泥含量作用下CBR值隨爐渣量的變化

3 結論

(1)隨著水泥和爐渣摻量的增加，壓實混合材料的最大干密度增大，最佳含水率減小。水泥-粉煤灰-爐渣混合材料的最大干密度值低于類似級配的天然無機土。這對于在軟的、可壓縮性的土體上建造輕型路堤是有利的。

(2)工業固廢-水泥混凝土無側限抗壓強度與水泥摻量幾乎呈線性關系。在一定水泥摻量下，增加粉煤灰中爐渣的摻量可以有效提高混凝土的抗壓強度。

(3)工業固廢新型混凝土抗壓強度隨養護時間的延長而增大。在低爐渣摻量下，養護第14d和第7d的單軸抗壓強度比較高，表明粉煤灰-水泥混合料中爐渣的加入加快了火山灰反應。

(4)工業固廢混凝土承載比隨著水泥摻量的增加而提高，水泥摻量一定時，工業固廢混凝土承載比隨著爐渣摻量的增加而提高，表明在適當的配合比組合下，其適用于公路路面的基層和次基層。