制備工藝對工程棄土人工骨料性能的影響

陳達可 崔旻昊

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

隨著我國城市化的推進,大規模工程建設產生了大量難以處置、消納的工程棄土,對城市的可持續發展產生了嚴重影響;與此同時,開山取石這種破壞生態的資源獲取方式逐年減少,天然建材短缺問題日益嚴重。將工程棄土作為原材料制備成人工骨料,可在滿足工程需求的同時,將工程棄土回收利用,保護自然環境,降低工程造價。

國內外學者對人工骨料的成型工藝與硬化工藝已經進行了大量的研究。在成型工藝方面,常用方法包括壓力成型法[1]、攪拌成粒法[2]、擠出-滾圓成粒法[3]等。常用的人工骨料硬化工藝包括燒結硬化、冷結硬化、蒸養與蒸壓硬化等:Liu等[4]將燒結硬化工藝分為預熱、燒結、冷卻3個階段, Chen等[5]對燒結硬化的溫度進行了研究,發現不同溫度下燒結的人工骨料表面元素各不相同。Tang[6]、Thomas等[7]以冷結硬化工藝制備了多種人工骨料,發現黏結劑對人工骨料的性能存在顯著影響。Gomathi[8]、Tan等[9]利用蒸養與蒸壓硬化加快了人工骨料的水化反應速度,提高了骨料的早期強度。

目前國內外人工骨料制備技術主要集中于建筑廢棄混凝土與建筑廢渣,對工程棄土骨料化研究較少。為探究以工程棄土制備人工骨料的工藝參數,本文以人工骨料的單軸抗壓強度、毛體積密度、吸水率等參數作為評價指標,對比不同硬化工藝、成型壓力、養護時長、黏結劑類型及摻量對人工骨料制備的影響。

1 工程棄土

選用南通崇川區某基坑開挖土。該土樣為褐(灰)黃色黏土,泌水收縮大,天然含水率為24.8%,最佳含水率為16.4%,在天然狀態下壓實性能差,需進行大量晾曬方可使用,屬于無法直接用于回填的過濕土。

采用密度計法[10]對土樣級配進行測定,級配曲線見圖1,土樣不均勻系數Cu為16.7,曲率系數Cc為1.16。

圖1 工程棄土顆粒級配

聯合液塑限測定法測得的試驗數據見表1,通過計算可得土樣液限ωL=36%,塑限ωP=19%,塑性指數IP=17。

表1 液塑限試驗結果

2 試驗方案與試件制備

通過文獻調研,選取了成型壓力、硬化工藝、黏結劑類型、黏結劑摻量、養護時長5個生產因素進行試驗方案的設計,各因素水平統計見表2。

表2 試驗因素水平統計

冷結硬化將骨料置于相對濕度90%以上、溫度20 ℃的標準養護室中進行標準養護;熱養護-冷結硬化將骨料預先在70 ℃下養護24 h ,然后再進行同等標準養護。

水泥中摻加1%的外摻劑(Na2SO4∶萘系減水劑=1∶1);地質聚合物組分為礦渣-粉煤灰-脫硫石膏混合物,三者質量比為3∶5∶2,摻加10%的外摻劑(Na2SiO3∶NaOH=1.5∶1)。

選取單軸抗壓強度、毛體積密度、吸水性、微觀結構4種評價指標對人工骨料的性能進行評價,試驗過程參考《公路工程巖石試驗規程》[10]:①單軸抗壓強度試驗采用路面強度試驗儀測定,加載速率選擇1 MPa/s;②人工骨料毛體積密度采用量積法進行試驗;③人工骨料的吸水率采用自然吸水法測定。

3 結果分析

對不同生產參數的試樣采用字母縮寫代稱。不同的成型壓力以前綴10,20,30表示;水泥試樣表示為C(cement),地質聚合物試樣為G(geopolymer),后接10,20,30表示黏結劑摻量;冷結硬化表示為S(standard curing),熱-冷結硬化為T(thermal-standard curing),后接7,14,28分別為養護時長。例如,20C10S28指成型壓力20 MPa的水泥試件,水泥摻量為10%且冷結硬化28 d。

3.1 單軸抗壓強度

3.1.1成型壓力

成型壓力對人工骨料試件單軸抗壓強度的影響見圖2。

圖2 成型壓力對試件單軸抗壓強度的影響

當成型壓力由10 MPa上升至20 MPa時,各試件的單軸抗壓強度均有提高。這是由于隨著成型壓力的增大,混合料顆粒間隙減小,混合料密實度提高,結合水膜變薄,黏聚力與內摩擦角均會提高,使人工骨料的抗壓強度提高。同時提高混合料密實度會促進黏結劑充分反應,提高黏結效果。當成型壓力提升至30 MPa時,各試件的單軸抗壓強度幾乎保持不變。部分試件由于成型壓力過大,部分混合料從模具中擠出,強度略有下降。

比較不同黏結劑摻量、不同齡期試件的抗壓強度變化情況,發現各試件隨成型壓力提升抗壓強度的增大幅度基本一致,說明強度提升主要來源于混合料黏聚力與內摩擦角的增大,黏結劑反應程度提升的影響較小。

3.1.2黏結劑類型與摻量

黏結劑類型與摻量對人工骨料試件單軸抗壓強度的影響見圖3。由圖3可見,隨著黏結劑摻量的增加,摻加水泥與地質聚合物材料的2類人工骨料抗壓強度均有顯著提升。在常規養護條件下,水泥摻量從10%提升到20%時,7,28 d強度分別由6.4,8.2 MPa增加到10.7,16.7 MPa,分別提升了67%,104%;摻量從20%提升到30%時,7,28 d強度分別提升36%,45%。

圖3 黏結劑類型與摻量對試件單軸抗壓強度的影響

此外還可見,當地質聚合物摻量由10%增加到20%時,其強度增幅與水泥試件基本一致,當摻量由20%提升至30%時,強度增速明顯變緩。從微觀層面上看,黏結劑對試件強度的提升主要來源于水化反應產物的包裹與密實作用,地質聚合物材料的水化反應速率不如水泥,相同養護時間內固化效果無法完全發揮。

3.1.3硬化工藝與養護時長

硬化工藝與養護時長對人工骨料試件單軸抗壓強度的影響見圖4。

圖4 硬化工藝與養護時長對試件單軸抗壓強度的影響

由圖4可見,熱養護-冷結硬化工藝的人工骨料抗壓強度普遍比冷結硬化人工骨料的強度高6～8%,這是由于熱養護提高了試件環境溫度,加快了黏結劑的水化反應速率,使人工骨料的強度提高。

觀察地質聚合物試件不同硬化工藝下的抗壓強度的變化規律,發現熱養護-冷結硬化的地質聚合物人工骨料的抗壓強度幾乎不隨養護時長而發生變化,這是由于熱養護環境加快了地質聚合物的水化反應速度,在短時間內產生了大量的水化產物,這些產物將原材料顆粒完全包裹,阻礙了反應的進一步進行,因此熱養護-冷結硬化的地質聚合物人工骨料具有良好的早期強度,但后期強度比冷結硬化制備的試樣較低。

3.2 毛體積密度

3.2.1成型壓力

成型壓力對人工骨料試件毛體積密度的影響見圖5。

圖5 成型壓力對試件毛體積密度的影響

如圖5所示,當成型壓力由10 MPa提高到20,30 MPa時,C30S28試件的毛體積密度由2.04 g/cm3分別增加到2.13,2.17 g/cm3,分別增加了4.4%,6.4%,C30S7、C30T28等試件亦呈現相同變化趨勢。隨著成型壓力的升高,骨料逐步密實,壓實難度增大,毛體積密度增大趨勢逐漸變緩。

3.2.2黏結劑類型與摻量

黏結劑類型與摻量對人工骨料毛體積密度的影響見圖6。如圖6所示,隨著黏結劑摻量的增加,水泥試件的毛體積密度不斷上升,而地質聚合物材料試件的毛體積密度不斷下降。這是由于水泥的容重高于素土,故隨著水泥摻量提高,水泥試件的毛體積密度越大;而地質聚合物材料容重較素土低,則其摻量越高,試件毛體積密度越小。

圖6 黏結劑類型與摻量對試件毛體積密度的影響

3.2.3硬化工藝與養護時長

硬化工藝與養護時長對人工骨料試件毛體積密度的影響見圖7。

由圖7比較冷結硬化試件與熱養護試件可以發現,經過24 h熱養護的試件毛體積密度普遍低于冷結硬化試件。這是高溫下的水分散失帶來的質量損耗,盡管熱養護時試件均使用密封袋密封,但養護溫度過高仍會導致體系中水分的蒸發。

3.3 吸水性

3.3.1成型壓力

成型壓力對人工骨料試件吸水性的影響見圖8。由圖8可見,人工骨料的吸水率隨著成型壓力的增大而不斷降低,降低趨勢逐漸放緩,對于主黏結劑為地質聚合物材料的試件效果更為顯著。當成型壓力由10 MPa增大到20,30 MPa時,各試件的吸水率降幅分別達到了23%,29%。這是由于隨著成型壓力變大,人工骨料的結構越致密,內部孔隙越少,吸水率越低。部分試件將成型壓力增大到30 MPa時,過大的成型壓力導致其內部結構存在微小裂縫,吸水率不降反增。

3.3.2黏結劑類型與摻量

黏結劑類型與摻量對人工骨料試件吸水性的影響見圖9。

圖9 黏結劑類型與摻量對試件吸水性的影響

如圖9所示,2類人工骨料的吸水率均隨著黏結劑摻量的增大而降低,變化規律大致相同。冷結硬化28 d的地質聚合物人工骨料,當黏結劑摻量由10%增加到20%,30%時,其試件吸水率由16.9%降低到了14.4%,12.4%,降幅達15%,27%。隨著黏結劑摻量提高,黏結劑水化反應越強烈,生成的水合硅酸鈣(C-S-H)產物越多,其微觀結構就越致密,吸水性越低。對比2種黏結劑類型,地質聚合物試件的吸水率普遍高于水泥試件,這是由于以地質聚合物材料為主黏結劑制備的人工骨料結構相比水泥骨料更加疏松多孔。

3.3.3硬化工藝與養護時長

硬化工藝與養護時長對人工骨料試件吸水性的影響見圖10。

圖10 硬化工藝與養護時長對試件吸水性的影響

由圖10可見,隨著養護時長的增加,人工骨料的吸水率明顯下降。養護28 d試件的吸水率比養護7 d試件降低了約2%,可見隨著黏結劑的水化反應進程,水化產物逐漸填充混合料的空隙,試件吸水性下降。由于地質聚合物水化反應生成的產物較為疏松多孔,地質聚合物骨料吸水性的下降幅度較小。

此外還發現,常規冷結硬化的骨料吸水率要低于熱養護-冷結硬化骨料。這是因為人工骨料在高溫養護的過程中,黏結劑過快的水化反應會加速骨料內部孔隙的生成,最終導致吸水率略有增加。

3.4 微觀結構

3.4.1成型壓力

黏結劑摻量、硬化工藝相同時,成型壓力越大,水化產物覆蓋形成的膠結團狀物之間空隙的越小,材料結構致密性更大,一體性大大提高,宏觀上則體現為隨著成型壓力的增大,骨料強度提升,吸水性下降。但當成型壓力過大時,膠結團狀物被壓碎,骨料強度會有一定程度的下降。

3.4.2黏結劑類型與摻量

隨著黏結劑摻量的增加,水化產物逐漸覆蓋散亂的土顆粒,形成較大的團狀物,材料整體膠結度提高,在宏觀上體現為隨著黏結劑摻量提高,骨料強度提升,吸水性下降。不同的黏結劑類型水化反應速率不同,體現在宏觀上為水泥黏結劑摻量提高對骨料強度影響顯著,地質聚合物黏結劑摻量提高對骨料強度影響則有限。

3.4.3硬化工藝與養護時長

熱-冷結硬化工藝能夠加速黏結劑水化反應的速率,然而由于24 h高溫養護過程中黏結劑水化反應過快,導致骨料內部孔隙生成大量微觀氣孔,宏觀上反映為熱-冷結硬化工藝的人工骨料24 h強度大,但吸水性較高。

4 結論

通過對工程棄土人工骨料各項性能影響因素及其影響規律的分析,得到如下結論。

1) 提高成型壓力會增大人工骨料的毛體積密度,有利于人工骨料強度與致密性的提高。成型壓力從10 MPa提升至20 MPa時,人工骨料各性能指標顯著改善;但當壓力提升至30 MPa時,部分試件由于出現微裂縫導致吸水性反而升高。

2) 水泥與地質聚合物黏結劑對人工骨料各指標的影響規律基本相同,隨著黏結劑摻量的提升,骨料的抗壓強度逐漸提高,吸水性逐漸下降。由于2種黏結劑自身的密度不同,隨著水泥摻量的提高,骨料的毛體積密度逐漸提高,而地質聚合物摻量提高則會降低骨料的毛體積密度。

3) 熱養護-冷結硬化工藝會加快黏結劑的水化反應,提高骨料的早期強度,同時提高骨料的孔隙率與吸水性,降低骨料的毛體積密度。使用熱養護-冷結硬化工藝制備的水泥人工骨料強度提高了6.6%～7.3%,毛體積密度下降了0.02～0.04 g/cm3,吸水性提高了2%～3%;使用熱養護-冷結硬化工藝制備的地質聚合物人工骨料7 d強度能夠達到冷結硬化骨料的28 d強度,毛體積密度下降了0.01～0.03 g/cm3,吸水性提高了3%～5%。

4) 本研究推薦2種工程棄土人工骨料的制備方案。方案一為20C30S28,即主黏結劑為水泥,黏結劑摻量為30%,成型壓力20 MPa,冷結硬化工藝下養護28 d制備。方案二為20G30T7,即主黏結劑為地質聚合物材料,黏結劑摻量為30%,成型壓力20 MPa,預先進行24 h、70 ℃熱養護后再冷結硬化7 d制備。