工程渣土再生填料長期浸水性能試驗研究

杭 飛,趙建忠

(1.寧波市城建設(shè)計研究院有限公司 寧波市 315012;2.寧波夯涌環(huán)保科技有限公司 寧波市 315012)

0 引言

工程渣土再生填料(以下簡稱“再生填料”)作為一種性能優(yōu)異的復合材料,具有就地取材、節(jié)約資源、綠色環(huán)保、應(yīng)用廣泛、施工簡單等優(yōu)點[1]。再生填料的技術(shù)指標可根據(jù)工程渣土來源、含水量等特性,對固化劑、添加劑進行調(diào)整,以滿足不同工程要求。再生填料廣泛應(yīng)用于道路工程、水利工程、建筑工程等不同領(lǐng)域,可同時兼顧消納渣土和資源利用。

近年來,沿海地區(qū)道路工程開始試驗應(yīng)用再生填料。沿海地區(qū)地下水位普遍較高,工程人員存在再生填料長期水損壞適應(yīng)性的顧慮。基于此目的,文章結(jié)合在建工程,開展了再生填料長時間浸水性能研究,以期對沿海地區(qū)的再生填料工程應(yīng)用提供指導和幫助。

1 試驗設(shè)計

1.1 性能指標選擇

研究再生填料浸水使用性能的衰減,應(yīng)選擇相應(yīng)的技術(shù)指標。指標應(yīng)滿足以下要求:(1)能夠反映再生填料性能長期使用過程中的變化;(2)能夠反映導致路面性能變化的外界影響作用。

試驗主要考察長期浸水極端情況對再生填料試件道路工程使用性能的影響。目前無機結(jié)合料類的質(zhì)量評價指標是強度指標。試驗強度指標采用最常見的無側(cè)限抗壓強度,參考《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中無機結(jié)合料穩(wěn)定土的無側(cè)限強度試驗方法。同時,對于長時間浸水的無機結(jié)合材料,質(zhì)量損失作為最直接的指標,可以反映材料的耐久性[2]。故應(yīng)在強度指標的基礎(chǔ)上,設(shè)置質(zhì)量損失作為再生填料長期性能的研究指標,彌補強度指標作為單一評價指標的不足。

綜合考慮沿海地區(qū)地下水位高,再生填料作為路基使用,部分或全部層位長時間處于地下水位線以下的情況,分別比較經(jīng)標準養(yǎng)護存放、浸水養(yǎng)護試件的無側(cè)限抗壓強度,并對長期浸水后試件的質(zhì)量損失變化進行分析,從而得出長時間浸水對再生填料強度和耐久性的影響。同時考慮地下水位季節(jié)性變化,路基部分層位處于干濕交替狀態(tài),試驗選取試件干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失、強度變化進行分析,得出干濕交替對再生填料的影響。

1.2 試件配合比設(shè)計

試驗試件基土來源于在建工程項目產(chǎn)生的渣土,選用渣土來源時,剔除有機質(zhì)含量高于5%、液限高于60%的渣土。對于有機質(zhì)含量在2%～5%的渣土采用生石灰拌合悶料12h處理,液限值在50%～60%的渣土采用通風、翻曬晾干處理以達到規(guī)定要求。

篩分及破碎預處理后的渣土按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)規(guī)定的試驗方法測定其天然含水量、液限、塑限、顆粒分析和有機質(zhì)含量,需滿足表1技術(shù)指標要求。

表1 基土技術(shù)指標

無機結(jié)合料采用水泥和生石灰的組合。考慮再生填料水化時間要求長,強度形成周期較長,采用初凝時間大于3h、終凝時間6～12h的水泥型號;石灰主要用途為悶料,滿足有效氧化鈣+氧化鎂含量≥70%。固化外加劑選用浸出重金屬含量符合環(huán)保要求的類型。

最終選定的試驗材料為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,基土液限為31.4%,塑限為17.2%,塑性指數(shù)為14.2,0.075mm過篩率為96%,含水率為38.0%,最佳含水率為20.5%,有機質(zhì)含量為0.86%,pH值為7.6。無機結(jié)合料選用海螺水泥42.5型和生石灰組合,水泥含量5%,生石灰含量3%。夯涌環(huán)保水穩(wěn)固化劑摻量為0.5kg/m3。按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)中無機結(jié)合料穩(wěn)定土的擊實方法(丙法)制備試件,確定混合料的最佳含水量(質(zhì)量分數(shù))為19.3%,最大干密度為1.702g/cm3,制成15cm×15cm的再生填料試件。設(shè)計檢驗指標見表2。

表2 再生填料混合料配合比設(shè)計檢驗指標

1.3 對比試驗設(shè)計

試件從試模脫模后,立即放入標準養(yǎng)護箱內(nèi)進行養(yǎng)護,養(yǎng)護溫度為20±2℃,濕度控制在不低于95%。標準養(yǎng)護箱條件下,試件存放6d后浸入20±2℃水中養(yǎng)護24h,水深高于試件頂面25cm,第7d取出,擦干試塊表面后立即測得第1組再生填料7d無側(cè)限抗壓強度。每個養(yǎng)護齡期準備6組以上試件,分別長時間存放于標準養(yǎng)護箱內(nèi),試驗限定時間前24h取出,存放于20±2℃水中養(yǎng)護24h,測得標準養(yǎng)護條件下不同養(yǎng)護時間的試塊強度。

長時間浸水組試件與標準養(yǎng)護組試件采用相同材料、相同配合比、相同制備方式完成制作。長時間浸水組試件脫模后,立即浸入20±2℃水中養(yǎng)護,存放至試驗限定時間,取出擦干表面后,測定試塊的無側(cè)限抗壓強度。

在上述兩種養(yǎng)護條件下,增加恒溫條件下的干濕循環(huán)試件測試組。采用相同材料、相同配合比、相同制備方式完成制作。標準條件下養(yǎng)護7d后,浸入20±2℃水中1d,20±2℃干燥環(huán)境中風干2d,單個干濕循環(huán)周期為3d,經(jīng)5次、10次、20次、30次干濕循環(huán)后,測定試件干燥狀態(tài)下的質(zhì)量,再浸水24h測定飽水狀態(tài)下的質(zhì)量和抗壓強度。

2 試驗分析

采集數(shù)據(jù)后,剔除離散較大的數(shù)據(jù)。剔除原則為超過該組數(shù)值平均值的20%。如剔除后該組數(shù)據(jù)樣本小于6組,則增加試驗試件,取每組試件強度的平均值比選數(shù)值。

2.1 長時間浸水強度分析

每批次浸水試件到期后,進行無側(cè)限抗壓強度試驗,記錄最大破壞壓力P,并計算無側(cè)限抗壓強度RC。結(jié)果見表3、表4。

表3 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

表4 無側(cè)限抗壓強度增長率

從表3、表4可以得出以下結(jié)論:

(1)各養(yǎng)護形式下,再生填料均保持長時間的強度增長。360d時,兩種養(yǎng)護條件下的試件強度仍然緩慢增長。

(2)標準養(yǎng)護條件下,觀測期內(nèi)強度增長較為平穩(wěn),除前7d強度增長較快外,其余時間段強度增長維持在0.009～0.014MPa/d。

(3)浸水養(yǎng)護條件下,前28d強度增長較快,其中14～28d強度增長速度為0.028MPa/d,明顯高于標準養(yǎng)護條件下試件強度的增長速度,其余時間段維持在0.004～0.014MPa/d,增長速度明顯較慢。

(4)標準養(yǎng)護條件下,再生填料強度高于浸水養(yǎng)護條件下的試件強度,初期7～14d高出約25%～44%,中期28～180d高出約7%～21%, 長期360d高出約31%。

2.2 長時間浸水質(zhì)量分析

每組試件在浸水前和浸水時間到期后,進行質(zhì)量檢測試驗,記錄質(zhì)量損失,同時觀測試件的完整性。質(zhì)量試驗結(jié)果見表5。根據(jù)試驗結(jié)果,主要得出以下結(jié)論:(1)長時間浸水組試件的質(zhì)量在7d內(nèi)有明顯增重,增長幅度為2.3%;7～360d范圍內(nèi),增長幅度有限,為0.5%;(2)長時間浸水后,現(xiàn)場觀測試件無明顯掉渣、松散,質(zhì)量檢測可以佐證。

表5 試件質(zhì)量試驗結(jié)果

2.3 干濕循環(huán)影響分析

每組試件干濕循環(huán)達到次數(shù)后,測定試件干燥狀態(tài)下的質(zhì)量,浸水24h后測定飽水狀態(tài)下試件的質(zhì)量,記錄質(zhì)量損失,同時觀測干濕循環(huán)后試件的完整性。試件質(zhì)量試驗結(jié)果見表6。從試驗結(jié)果可知,30次干濕循環(huán)后試件質(zhì)量無明顯變化,現(xiàn)場觀測無明顯掉渣、松散。

表6 干濕循環(huán)試件質(zhì)量試驗結(jié)果

每組試件達到干濕循環(huán)次數(shù)后,再浸水24h,進行無側(cè)限抗壓強度試驗,試驗記錄最大破壞壓力P,并計算無側(cè)限抗壓強度RC,結(jié)果見表7。從表7可以得出以下結(jié)論:

表7 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

(1)再生填料強度保持了長時間增長。干濕循環(huán)條件下,再生填料的無側(cè)限抗壓強度并未降低,30次干濕循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度相比初始7d無側(cè)限抗壓強度增長了29%。

(2)干濕循環(huán)條件下,按照插值法計算28d無側(cè)限抗壓強度為1.92MPa,90d無側(cè)限抗壓強度為2.20MPa。對比發(fā)現(xiàn),干濕交替環(huán)境下的試件強度接近同期長時間浸水養(yǎng)護條件下的試件強度。

3 結(jié)論

通過工程渣土再生填料長時間浸水試驗,對比分析試驗結(jié)果,得出以下結(jié)論:

(1)再生填料長時間處于浸水環(huán)境下,材料完整性好,未發(fā)現(xiàn)材料完整性受損的情況;初期存在一定程度的吸水質(zhì)量增長,后期質(zhì)量增長極其緩慢。

(2)再生填料處于浸水環(huán)境下,強度依然保持長時間的增長,增長速度及最高強度低于標準養(yǎng)護條件下的試件,但其后期強度已遠高于設(shè)計取值。

(3)再生填料處于干濕交替環(huán)境下,材料完整性好,未發(fā)現(xiàn)材料完整性受損的情況;干濕循環(huán)強度增長率變化情況與長時間浸水條件下的變化規(guī)律相近。干濕循環(huán)條件下,同一時間的試件強度接近對應(yīng)時間、長時間浸水養(yǎng)護條件下的試件強度。

(4)長時間浸水、干濕交替環(huán)境下再生填料的實際強度變化,接近沿海地區(qū)工程現(xiàn)場實際情況。后期強度長時間增長,遠高于試驗配合比設(shè)計目標值。在實際工程應(yīng)用中,可綜合考慮經(jīng)濟性、適用性等因素,酌情取值。

此次浸水試驗研究,模擬沿海地區(qū)道路工程實際使用條件下的工況。經(jīng)過對比分析,工程渣土再生填料符合沿海地區(qū)道路工程使用要求,兼具環(huán)保性和經(jīng)濟性,具有良好的技術(shù)性能。