電石渣/磺酸稀釋劑穩定路面基層性能分析

張 恒

(武漢綜合交通研究院有限公司 武漢 430074)

瀝青路面作為典型的柔性路面,其性能受結構層類型、施工時間、材料性能、交通荷載,以及氣候等多因素耦合作用影響[1-2]。而基層的剛度對瀝青面層底部的拉應變和粒料類基層中間層的壓應變有著顯著影響。常見柔性路面的基層多為粒料類或無機結合料穩定材料基層。在靜載條件下,粒料類基層進行化學穩定可以顯著降低由路面交通荷載而導致的路面臨界層位置的拉應變和壓應變,然而,在動載條件下,使用穩定劑穩定粒料類基層往往會表現出破壞屈服應變和易碎特性[3-5]。此外,水泥、石灰等傳統穩定劑在生產過程中會釋放出大量的CO2,加劇了能源的消耗和溫室氣體的排放。

由于傳統穩定劑存在的諸多缺點,研究人員開始尋求與傳統穩定劑性能相似的替代品。地聚合物具有與混凝土相比更加優異的環境優勢和性能優勢,是道路基礎設施建設過程中替代水泥混凝土的一種最具潛力的材料[6-7]。電石渣作為一種潛在的堿性活化劑,可以與粉煤灰、偏高嶺土和礦渣等多種硅鋁酸鹽類固體廢棄物發生堿活化反應,生成比普通混凝土強度更高、耐久性能更好的地聚合物。磺酸作為洗滌劑行業的主導產品,在全球范圍內被廣泛應用,部分研究人員嘗試將其用作穩定劑應用于土工材料中,特別是用于穩定粒料類基層以構建強度更高、耐久性更好的基層。

研究表明,與生產水泥混凝土相比,生產地聚合物的過程更加安全環保,其中能源減少約60%、CO2排放量減少50%～80%。在道路基礎設施建設過程中,地聚合物具有諸多環境與性能優勢,是一種應用潛力巨大的道路基礎建設水泥混凝土的替代品。此外,地聚合物具有更低的收縮性能和更優異的耐久性能,這也表明地聚合物用做基層穩定材料具有降低瀝青面層出現反射裂縫的可能性[8]。吳昱等[9]選用鋼渣礦渣制備地聚合物穩定基層,并對其強度特征和微觀形貌進行分析,結果表明,外摻石灰后,鋼渣礦渣基層強度明顯提升,同時原材料活性不同,產物也有所不同,基層性能差異性顯著。

綜上所述,本文擬通過探索使用工業固體廢棄物電石渣制備地聚合物來進行可持續路面的建設,研究電石渣/磺酸基地聚合物作為粒料類基層穩定劑的可行性。通過改變原材料摻配參數及養護條件,對比未處理集料和電石渣/磺酸改性集料,進行無側限抗壓強度分析和應力-應變分析,分別確定電石渣/磺酸基地聚合物的最佳摻配參數及隨溫度/濕度變化條件下強度發展規律和影響機理,制備用于道路基層建設的可持續穩定基層混合料,為后續此類固體廢棄物的回收利用提供一種新的應用思路。

1 原材料

骨料選自廣東省內某采石場,其主要物理、化學性能見表1。電石渣由廣東省內某礦場提供,淺灰色呈粉末狀,使用380 μm篩對電石渣進行篩分,其相對密度為2.219,25 ℃條件下pH值為12.47。電石渣顆粒為不規則形狀,具有高度絮凝和多孔裝結構,粒徑中值為40 μm。本試驗所用磺酸為制造洗滌劑和清潔行業所用十二烷基苯磺酸,深棕色液體,密度為1.048 5 g/cm3,形態主要表現為網狀和玻璃化分散基質,結晶顆粒較少。電石渣及磺酸主要化學組成見表2。

表1 骨料特性

表2 電石渣與磺酸主要化學組成 %

常溫條件下,磺酸為黏性液體,為了使其具有均勻的改性效果,在混合前使用蒸餾水對其進行稀釋,每1 000 mL水中磺酸含量分別為100,200,300,400 mL,分別記為A1組、A2組、A3組與A4組。具體試驗設計矩陣見表3。

表3 試驗設計矩陣

試件制備過程如下:先將電石渣與水混合均勻一段時間后,再同時制備未經處理和擬經地聚合物處理的骨料試件,將電石渣與水的混合物摻入至擬經地聚合物處理的骨料樣品,最后加入稀釋的磺酸溶液形成地聚合物,并充分混合均勻,進行養護固化。參考常規混凝土養護溫度為5～35 ℃,當溫度過低時,混凝土凝結過于緩慢,而當溫度過高,混凝土凝結過快,易產生收縮裂縫,導致自身開裂,同時考慮沿海城市主要氣候為溫暖潮濕氣候,因此養護固化條件設定3組進行對比分析,第一組模擬溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(80±5) %的短降雨條件下養護;第二組模擬溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(40±5) %的常溫條件下正常養護;第三組模擬溫度為(35±2) ℃,相對濕度為(80±5) %的溫暖條件下養護。

2 路用性能分析

2.1 地聚合物摻量影響分析

為確定地聚合物的最佳摻量,在處理過后的骨料混合物分別以2%,4%,6%,8%的比例摻入地聚合物,并在室溫養護7 d后,測試其軸向應力,結果見圖1。

圖1 地聚合物混合物應力-應變曲線

據圖1可知,隨著地聚合物摻入比例的不斷提高,軸向應力越大,并在8%時存在最大值,但6%與8%摻量條件下,兩者結果相差不大,因此選定地聚合物摻量為6%。分析其原因,當地聚合物摻入量增加時,地聚合物基質得以完全在粒料類基層中擴散,并將其包裹,形成了額外的顆粒聯系,地聚合物將顆粒完全包裹形成密實整體。此時,地聚合物在骨料顆粒中的填充程度就成了影響整體強度的主要因素,這在軸向應變中的變化也非常明顯,并隨地聚合物摻入量的增加而減少。

2.2 養護條件影響分析

分別對3種養護條件下(溫度(20±2) ℃,相對濕度為(80±5) %的短降雨條件下;溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(40±5) %的常溫條件下;溫度為(35±2) ℃,相對濕度為(80±5) %的溫暖條件下)的無側限抗壓強度進行測定,試驗結果見圖2。不同養護條件與時間條件下混合物的應力-應變曲線見圖3。

圖2 不同養護環境和時間條件下試件無側限抗壓強度

圖3 不同養護環境和時間條件下試件應力-應變曲線

據圖2可知,在養護前期,強度迅速提升。3種不同養護條件下,養護時間從7 d增加至28 d時,抗壓強度分別提高了9.80%,12.28%,12.56%,而養護時間從28 d增加至60 d時,抗壓強度僅提高了3.64%,4.55%,6.44%,表明超過28 d后,養護時間對強度影響較小。其原因為在養護時間前28 d,高濃度電石渣與磺酸快速反應生成水化硅酸鈣產物,此時強度提升較快,截止28 d,水化反應基本完成,形成穩定強度;28 d后,未反應電石渣與磺酸質量僅占初始原材料總質量的一小部分,此時地聚合物反應減緩,強度提升速度較28 d之前有所降低。此外,與普通粒料基層相比,摻入地聚合物后的試件表現出了更高的抗壓強度,如當試件養護齡期為7 d時,無側限抗壓強度分別提高了104%,128%,176%,這是因為地聚合物作為膠結劑將骨料顆粒進行膠結固化,實現骨料顆粒之間的團聚和膠結,從而提高整體強度。摻入地聚合物的混合物強度主要由2部分因素所決定:骨料本身的強度和地聚合物提供的額外強度。在較低的含水量下,地聚合物會失水收縮,產生顯著的骨料-地聚合物連接,此時顆粒間的結合強度相對更高,對抗壓強度產生正向影響。

與此同時,養護溫度對地聚合物反應也有很大影響,如在相同濕度條件下,養護溫度為35 ℃的試件28 d抗壓強度為2.33 MPa,較養護溫度為20 ℃的試件提高了38.69%。這是因為溫度養護促進了地聚合物-骨料混合物中發生的化學反應,進一步提高地聚合物聚合度,因此,抗壓強度隨養護溫度提高而顯著增加。影響地聚合物強度和特性最主要的因素是固化溫度,溫度越高,反應物溶解速率越快,水化硅酸鈣凝膠的生成速度也相應提高,因此高溫條件可以明顯提高地聚合物反應速度。

圖3展示了軸向應力與軸向應變之間的關系,在處理過的應力-應變曲線中觀察到明顯的應力峰值,隨著養護溫度的逐漸提高,峰值應力隨之提升;而當應力達到峰值后,軸向應力逐漸下降,這在3種不同的養護條件下均表現出相同的變化趨勢。據圖3還可觀察到,隨著養護條件的不斷變化,即養護溫度的升高和相對濕度的降低,峰值應力處對應的軸向應變逐漸減小。當應變越長,地聚合物反應過程中,混合料的韌性越強;同時,當地聚合物反應發生顆粒重新排序時,地聚合物通過增強顆粒間連接,進而增加其延展性,同時控制其塑性變形來抑制裂紋的擴展。隨著養護時間的不斷推移,混合料強度不斷增加,此時地聚合物脫水相互反應,從較軟的狀態逐漸硬化,地聚合物的黏結作用將骨料黏結成整體,此時混合料抗壓縮剪切能力明顯提高,強度提升。盡管在3種不同的養護條件下,模擬短降雨條件峰值應力最小,但仍優于對照組。這就表明,地聚合物薄膜的吸水率較低,因此水對其反應產物和機械性能的影響較小。同時,骨料與地聚合物之間的黏結損壞作用可能是由于地聚合物與骨料表面的親水基團對濕度的高敏感性導致,從而使得同樣為20 ℃條件下,相對濕度為40%的地聚合物混合料峰值應力更優于相對濕度為80%的地聚合物。

2.3 混合比例影響分析

根據原材料種類不同,地聚合物前期反應速率有所不同,常規條件下,3 d強度可達45%～60%,7 d強度可達70%,為了探究不同時間段內地聚合物強度變化趨勢。在不同的稀釋條件及固液比條件下,對模擬室溫條件下養護固化3,7 d后的試件進行無側限抗壓強度分析,結果見圖4。

圖4 不同磺酸稀釋比例及不同固液比條件下3,7 d無側限抗壓強度

由圖4可知,當磺酸稀釋比例為300 mL/1 000 mL,且固液比為6∶4時,混合料抗壓強度最高,3 d強度為1 388.9 kPa,7 d強度為1 986.33 kPa。A1組中,混合料在固液比為1時存在最大抗壓強度,且電石渣摻量低于50%時,抗壓強度隨電石渣摻量增加而增加,電石渣摻量高于50%時,抗壓強度隨電石渣摻量增加而降低。這可能是因為A1組中磺酸稀釋比例較高,磺酸含量較少,此時電石渣的效果更加明顯,而在A4組中,磺酸稀釋比例最低,磺酸整體狀態較為黏稠,地聚合物中的泡沫更多,影響了Ca2+的溶解,從而導致水化硅酸鈣的生成物減少,雖然此時磺酸含量較高,但Ca2+的溶解度較低,硫酸鈣水泥的聚合度降低,進而使得整體強度降低。

值得注意的是,在A2組中,磺酸稀釋比例為200 mL/1 000 mL,此時試件強度隨固液比的增加而增加。這可能是因為此時溶液中磺酸濃度較A1組更高,當電石渣含量增加時,Ca2+溶解與硫酸鈣水泥反應生成更加充分,因此強度不斷提升。

3 結語

本文通過系列室內試驗,改變不同參數類別,評價了磺酸和電石渣在處理骨料作為粒料類基層的路用性能。研究結果如下。

1) 隨著地聚合物摻入比例的增加,軸向應力不斷提高。但6%摻量和8%摻量條件下,應力峰值與變化趨勢基本類似,綜合考慮,確定地聚合物最佳摻量為6%。

2) 對比模擬低降水條件到溫暖氣候條件下的所有養護試件結果,養護7 d時間內試塊無側限抗壓強度迅速增加,28～60 d內試塊無側限抗壓強度雖然也有增加,但變化較緩;且對比未處理集料,添加地聚合物后,試件強度明顯高于未處理集料,7 d無側限抗壓強度分別提高了104%,128%,176%。

3) 在確定地聚合物摻配比例及養護條件后,改變磺酸稀釋比例,并調整固液比,確定磺酸稀釋比例為300 mL/1 000 mL,且固液比為6∶4時,試件無側限抗壓強度最高,3 d強度為1 388.9 kPa,7 d強度為1 986.33 kPa。