水泥粉煤灰穩定玻化爐渣力學性能及應用研究

胡富平，申鐵軍，高鵬，郭海燕，段濤

（1.山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030000；2.山西路橋集團晉南項目管理有限公司，山西 太原 030000；3.長治市武理工工程技術研究院，山西 長治 046000）

0 前言

煤氣化玻化爐渣（以下簡稱玻化爐渣）是煤在煤氣化爐中反應后灰分和助熔劑熔融液化經水淬激冷后形成的玻璃態玻化爐渣[1]。有研究表明，高硅鋁、高含碳量玻化爐渣可經粉磨后用于制備墻材[2]，低含碳量玻化爐渣可直接作細集料用于混凝土和道路材料中[3]。山西潞安“180項目”年排玻化爐渣200萬t，填埋堆存處治成本高，該玻化爐渣含碳量低、粒型良好，若能將其作為集料直接用于制備路面基層，勢必可實現玻化爐渣的規模化再利用，但是由于玻化爐渣具有表面光滑、壓碎值高的特性，用于配制水泥穩定類基層會導致混合料出現粘結性差、強度低等問題，因而其摻量不宜超過25%[4]。陳瀟等[5]研究發現，在基層材料中加入粉煤灰可顯著提高集料與結合料的膠結強度；且可起到緩解壓力、防止高壓碎值集料受壓破碎的作用[6]。

基于此，本文在以玻化爐渣為單一集料（100%替代砂石集料）配制的水泥穩定玻化爐渣基礎上摻入粉煤灰進行性能改性，研究了水泥粉煤灰穩定玻化爐渣的力學性能，提出了玻化爐渣路面基層材料的優化配比，通過SEM分析了水泥（粉煤灰）穩定玻化爐渣的界面形貌，并通過工程應用論證了玻化爐渣在公路路面基層中應用的可行性。

1 試驗

1.1 原材料

玻化爐渣：取自山西潞安“180萬t/年高硫煤清潔利用油熱一體化示范項目”，主要化學成分見表1，礦物組成見圖1。玻化爐渣呈砂狀，粒徑小于5 mm、粒型圓整且具有連續級配（見圖2），測試了玻化爐渣的細度模數、壓碎值、表觀密度等，并與石灰石機制砂進行對比，結果見表2。水泥：山西卓越水泥有限公司，32.5級礦渣硅酸鹽水泥；粉煤灰：山西長治屯留熱電公司，燒失量19%，7 d、28 d活性指數分別為76%、84%。

表1 玻化爐渣的主要化學成分 %

圖1 玻化爐渣的XRD圖譜

圖2 玻化爐渣的形貌

表2 玻化爐渣集料與石灰石機制砂的物理性能

由表1、圖1可見，玻化爐渣礦物成分以硅鋁鈣質無定型玻璃相為主，還含有石英、莫來石、方解石、硅線石等晶相，燒失量較低，僅為2.19%。由表2可見，玻化爐渣的性能符合JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》中路面基層細集料的要求，但與石灰石機制砂相比，具有壓碎值高、吸水率低的特點，這與玻化爐渣成分以玻璃相為主、表面光滑致密的特性一致。

1.2 混合料配比

以水泥為結合料，玻化爐渣為集料，配制了水泥用量分別為4%（C4）、5%（C5）、6%（C6）、7%（C7）、8%（C8）的水泥穩定玻化爐渣，并與6%水泥穩定機制砂（C6S）進行對比；在C4基礎上，分別摻入8%（C4F8）、11%（C4F11）、14%（C4F14）粉煤灰，然后在C4F11基礎上增加水泥用量為5%~8%（C5F11~C8F11），配制了系列水泥粉煤灰穩定玻化爐渣混合料，配合比設計及擊實試驗結果如表3所示。

表3 混合料配合比及擊實試驗結果

1.3 試驗方法

按照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》進行重型擊實試驗，在擊實最佳含水率下，以最大干密度的97%（即壓實度97%）成型φ100 mm×100 mm試件，標準養護（20℃、相對濕度95%）至不同齡期進行無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量測試，測試結果均取95%保證率下的代表值；取典型配比90 d齡期試件用切片機切割成薄片，并選取試樣中心部位的小碎塊用無水乙醇終止水化，干燥至恒重，選擇含有玻化爐渣集料-（粉煤灰）-水泥界面過渡區的平整斷面，采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行玻化爐渣集料-水泥石界面區微觀形貌觀察。

2 試驗結果與分析

測試了表3中不同配比混合料的7 d無側限抗壓強度和28 d劈裂強度，以及6%水泥用量下水泥穩定玻化爐渣（C6）、水泥穩定機制砂（C6S）、水泥粉煤灰穩定玻化爐渣（C6F11）的28 d、90 d、180 d無側限抗壓強度、劈裂強度及抗壓回彈模量，結果分別見表4、表5。

表4 混合料的7 d無側限抗壓強度及28 d劈裂強度

表5 長期力學性能試驗結果

2.1 擊實特性分析

對比表3中C6、C6S的擊實試驗結果可見，由于玻化爐渣較石灰石機制砂吸水率、密度低，故水泥穩定玻化爐渣混合料的最佳含水率及最大干密度均較低；而對比C4、C4F8、C4F11、C4F14可見，隨粉煤灰用量的增加，混合料的最佳含水率逐漸提高、最大干密度逐漸降低，這是粉煤灰比表面積大、需水量大、密度低所致。

2.2 7 d無側限抗壓強度分析

2.2.1 不同骨料的影響

對比表4中C6和C6S可知，相同水泥用量下，C6的7 d無側限抗壓強度只有1.7 MPa，較C6S降低了69.6%，這表明玻化爐渣較機制砂硬度低易壓碎、表面光滑粘結性差，導致水泥穩定玻化爐渣的7 d無側限抗壓強度較低。

2.2.2 粉煤灰用量的影響

對比表4中C4、C4F8、C4F11和C4F14可知，水泥穩定玻化爐渣的抗壓強度較低，摻入粉煤灰強度明顯提高。C4的7 d無側限抗壓強度僅為1.1 MPa，而摻8%、11%、14%粉煤灰的C4F8、C4F11和C4F14抗壓強度較C4分別提高了200%、218%、173%，粉煤灰用量為11%時最優，C4F11組的7 d無側限抗壓抗壓強度為3.5 MPa。

2.2.3 水泥用量的影響

對比表4中C4~C8、C4F11~C8F11可知，增加水泥用量，水泥穩定玻化爐渣的7 d無側限抗壓強度提高不明顯，而水泥粉煤灰穩定玻化爐渣的強度明顯提高。水泥用量由4%增至8%，C8較C4僅提高了1.6 MPa，只有2.7 MPa，而C8F11較C4F11提高2.9 MPa，達到6.4 MPa。考慮到水泥用量過高易引起收縮開裂，水泥穩定類材料的水泥用量一般不超過6%，因此選擇C6F11為最優配比，其7 d無側限抗壓強度為5.4 MPa，符合JTG/T F20—2015中各等級公路路面基層材料強度的要求。

2.3 28 d劈裂強度分析

2.3.1 不同骨料的影響

對比表4中C6和C6S可知，相同水泥用量下，C6的28 d劈裂強度只有0.26 MPa，較C6S降低了36.6%，這是由于玻化爐渣較機制砂表面光滑，粘結性差，導致水泥穩定玻化爐渣劈裂強度的降低。

2.3.2 粉煤灰用量的影響

對比表4中C4、C4F8、C4F11、C4F14可知，水泥穩定玻化爐渣28 d劈裂強度較低，摻入粉煤灰強度明顯提高。C4的28 d劈裂強度僅為0.2 MPa，而摻入8%、11%、14%粉煤灰后，28 d劈裂強度較C4分別提高了55%、95%、85%。粉煤灰用量為11%時最優，C4F11的28 d劈裂強度為0.39 MPa。

2.3.3 水泥用量的影響

對比表4中C4~C8、C4F11~C8F11可知，增加水泥用量，水泥穩定玻化爐渣和水泥粉煤灰穩定玻化爐渣28 d劈裂強度提高均不明顯。水泥用量由4%增至8%，C8較C4僅提高了0.08 MPa，只有0.28 MPa；C8F11較C4F11提高了0.06 MPa，為0.45 MPa。最優配比C6F11的28 d劈裂強度為0.41 MPa。

2.4 長期強度及抗壓回彈模量分析

2.4.1 無側限抗壓強度和劈裂強度

對比表4和表5中C6、C6S及C6F11的早期和長期強度可以看出，相同水泥用量下，C6各齡期無側限抗壓強度均大幅低于C6S，且強度隨齡期延長變化不大，180 d無側限抗壓強度較7 d無側限抗壓強度僅提高了0.5 MPa；而C6F11的28 d無側限抗壓強度較C6S僅低0.3 MPa，90 d、180 d無側限抗壓強度較7 d強度提高了41%、52%，略微超過了C6S。這表明玻化爐渣較機制砂硬度低易壓碎、表面光滑、粘結性差是水泥穩定玻化爐渣強度低且不隨齡期延長而提高的主要原因，粉煤灰的添加一方面包裹玻化爐渣集料形成緩沖層，降低了玻化爐渣成型時的受壓破碎，且較多的結合料有利于改善光滑集料粘結性，從而提高混合料密實度和整體性，使其具有較高的早期強度；另一方面，粉煤灰具有早期活性低、后期活性增長幅度大的特點，這又保證了混合料的后期強度。

3種基層材料不同齡期劈裂強度的變化規律基本與抗壓強度一致，90 d、180 d時C6F11的劈裂強度最高。不同的是，C6和C6F11的后期劈裂強度增幅較大，C6的90 d、180 d劈裂強度較7 d分別提高125%、175%，C6F11的90 d、180 d劈裂強度較7 d增長225%、315%，均遠超過抗壓強度的增長幅度，這可能是因為在低強度水穩材料中，劈裂試驗時斷裂位置主要為集料與膠凝材料界面處，因此劈裂強度受集料硬度影響較小，受集料和結合料的膠結強度影響較大，玻化爐渣與粉煤灰類似，均含有硅鋁質無定形玻璃體，在養護后期水泥的激發下可水化形成膠凝物質，提高水泥石與集料界面區的強度，從而促進了水泥穩定玻化爐渣和水泥粉煤灰穩定玻化爐渣后期劈裂強度的大幅增長。C6F11的90 d劈裂強度可達0.65 MPa，滿足相關規范中各等級公路水泥穩定類路面基層材料的強度要求[7]。

2.4.2 抗壓回彈模量

3種基層材料的180 d抗壓回彈模量與抗壓強度、劈裂強度的變化相同，均呈C6F11＞C6S＞C6的規律，不同的是C6F11的28 d回彈模量也高于C6S，這可能是因為C6F11的結合料含量高、混合料密實度大，且選用的粉煤灰28 d活性較高，因而在早期便具有較高的抵抗變形能力。C6F11的90 d抗壓回彈模量可達1537 MPa，與常用的水泥穩定碎石基本一致，可用于各等級公路基層、底基層。

2.5 水泥（粉煤灰）穩定玻化爐渣界面微觀分析

C6和C6F11試件中玻化爐渣集料-水泥石界面區微觀形貌如圖3所示。

圖3 C6和C6F11試件中玻化爐渣集料-水泥石界面區的微觀形貌

由圖3（a）可見，水泥與玻化爐渣集料界面存在明顯的間隙，致密性差；而由圖3（b）可見，水泥粉煤灰穩定玻化爐渣在90 d時粉煤灰已經充分激發，產生大量絮狀C-S-H凝膠，對玻化爐渣形成包裹粘結作用，使得玻化爐渣與水泥粉煤灰水化產物能夠充分接觸，其玻璃相得以在堿性環境下溶出活性硅鋁，體現在玻化爐渣表面腐蝕與C-S-H等膠結在一起，這表明水泥穩定玻化爐渣摻入粉煤灰后早期強度、剛度提升，主要是因為早期結合料摻量大、與玻化爐渣集料粘結緊密。而后期強度和剛度增幅更大，是因為后期粉煤灰與玻化爐渣活性被充分激發，反應后膠結形成了致密的整體[8]。

2.6 水泥粉煤灰穩定玻化爐渣的路用性能

為研究水泥粉煤灰穩定玻化爐渣的路用性能，于2019年8月在山西省長治市鋪筑640 m水泥粉煤灰穩定玻化爐渣基層試驗段，選C6F11配比，按照現行水泥穩定碎石攤鋪碾壓工藝進行施工，施工現場及120 d鉆芯取樣分別如圖4、圖5所示。

圖4 施工現場

圖5 120 d鉆芯取樣

工程應用表明：采用現行水泥穩定碎石施工工藝鋪筑的水泥粉煤灰穩定玻化爐渣基層壓實度、平整度良好，基層7 d芯樣完整，120 d鉆芯強度可達10.7 MPa，且基層與混凝土面層粘結性良好。試驗路跟蹤檢測發現，水泥粉煤灰穩定玻化爐渣的路用性能良好，服役1年未出現開裂等破壞。

3 結 論

（1）玻化爐渣呈砂狀，與石灰石機制砂相比具有表面光滑、壓碎值高、吸水率低的特性，所配制的水泥穩定玻化爐渣最佳含水率、最大干密度較低。

（2）由于玻化爐渣硬度低，粘結性差，水泥穩定玻化爐渣的各齡期抗壓強度、劈裂強度與抗壓回彈模量均低于水泥穩定機制砂；摻加粉煤灰可有效改善混合料粘結性差、玻化爐渣受壓易破碎問題，提高混合料的早期強度，粉煤灰的適宜用量為11%。

（3）水泥粉煤灰穩定玻化爐渣的90 d、180 d力學性能遠優于水泥穩定爐渣，主要是因為玻化爐渣在堿性環境下可溶出活性物質，與結合料形成致密界面層。

（4）水泥粉煤灰穩定玻化爐渣在水泥用量6%、粉煤灰用量11%時力學性能均符合JTG/T F20—2015和JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》中各等級公路路面基層、底基層的相關要求，所鋪筑的試驗路力學性能及路用性能良好。