建设公路时,地基、路面和垫层等都需要将碎石作为建筑材料。为了减少对天然碎石的开采量,采用工业废渣和建筑固体废弃物替代天然碎石已成为道路建设应用领域的研究热点。近年来,我国工业废渣和建筑固废总量逐年递增[1],但是它们的利用率仅为30%左右[2]。
陈新杰等[3]经分析认为,粉煤灰的掺入质量分数为30%的再生骨料混凝土不仅具有较好的力学性能,还具有优良的收缩性能。黄谦等[4]、汪学彬等[5]认为复掺适量的石灰和粉煤灰可提高路基混合料的强度和抗冻性能。刘克非等[6]证明用二灰水泥稳定碎石铺筑公路基层时,粉煤灰在结合料中的质量分数须达到70%以上。周纯秀等[7]分析了试件在不同围压下的应力-应变关系曲线,并结合抗剪强度指标预测了混合料的力学性能。Mujtaba等[8]发现钢渣具有比天然骨料更好的表面结构,含钢渣骨料的道路基层的密实度、表面平整度和抗压强度均满足道路施工要求。吴少鹏等[9]研究了抑制钢渣膨胀的方法,证实添加适量钢渣能较好地调节基层黏结剂的膨胀性并提高了强度。肖杰等[10]对不同掺入质量分数的自制钢渣微粉混合料进行了劈裂试验和无侧限抗压强度试验,并进行了扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)微观分析,认为掺入适量钢渣微粉可减少混合料的干缩开裂。采用钢渣替代天然碎石制备的混合料力学性能良好,将混合料应用于路基建设中是可行的[11-12]。李曙龙[13]采用不同质量配比的砖、砼再生集料取代天然碎石,并通过对混合料进行干缩和温缩性能测试,证实了砖、砼再生集料的掺入可提高水泥稳定基层稳定性和耐久性。由再生骨料制备而成的碎石混合料的力学性能符合规范要求,可应用于道路基层[14-15]。
综上所述, 掺入适量粉煤灰可提高路基混合料的路用性能, 粉煤灰可作为水泥稳定碎石基层的掺合料来使用, 另外, 可采用钢渣-砼再生碎石代替天然碎石应用于路基中, 但使用水泥和粉煤灰来稳定钢渣-砼再生碎石的研究成果相对较少。
为降低对天然碎石的开采量,解决工业废渣和建筑固体废弃物的大量堆积问题,本文中采用水泥和粉煤灰稳定钢渣-砼再生碎石制备钢渣-砼再生碎石路基混合料。为了探讨水泥、 粉煤灰、 钢渣和砼再生碎石的质量分数对路基混合料性能的影响,首先,在水泥和粉煤灰的质量分数范围确定的情况下,设计钢渣和砼再生碎石的5种质量比,通过干湿循环试验确定钢渣和砼再生碎石的最优质量比;其次,进一步优化水泥和粉煤灰的质量分数;最后,通过三轴试验测试优化后的混合料的力学性能,利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 能量色散X射线谱(EDS)分析不同龄期混合料的组成、 微观结构及水化反应特征产物的变化规律,通过研究路基混合料的强度及影响因素,为钢渣-砼再生碎石在道路建设上的应用提供理论依据和技术支撑。
1 原料
选用3级硅铝型粉煤灰(由银川市西夏区热电厂提供),该粉煤灰的失质量分数为8.16%,比表面积为630.1 m2/kg,平均粒径为30.41 μm,主要矿物成分为石英和莫来石。强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥的技术指标见表1。
表1 水泥的技术指标
Tab.1 Technical indicators of cement
指标安定性/mm凝结时间/min初凝终凝抗压强度/MPa3 d28 d抗折强度/MPa3 d28 d实测值2.1419845315.3639.663.85 8.24规范值≤5.0≥45≤600≥11.0≥32.5≥2.5≥5.5
钢渣(由宁夏石嘴山市某钢厂提供)为已陈化1 a的热闷钢渣;砼再生碎石来自银川市某建筑垃圾归纳点。利用X射线荧光分析仪(XRF)对钢渣和砼再生碎石进行化学成分检测,钢渣和砼再生碎石的组成成分的质量分数见表2。
表2 钢渣和砼再生碎石的化学组成
Tab.2 Chemical composition of steel slag and concrete regeneration gravel
样品质量分数/%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOMnO钢渣15.343.1616.8446.285.133.44砼再生碎石50.4910.166.1820.283.344.35
2 钢渣和砼再生碎石的较优质量比
2.1 试件制备
Mohammadinia等[16]认为粉煤灰较优掺入质量分数为10%～20%, 水泥掺入质量分数一般设为3%～6%。 本文中, 先设定粉煤灰掺入质量分数为16%、 水泥掺入质量分数为4%保持不变。 为了确定钢渣的较优掺量, 将钢渣和砼再生碎石的质量比分别设为0∶1、 1∶3、 1∶1、 3∶1、 1∶0, 由此得到5种质量配比的钢渣-砼再生碎石混合料, 试件分别记为S1—S5, 由水泥和粉煤灰稳定的钢渣-砼再生碎石路基混合料的5种试件的组成如表3所示。 每种配比各做3个平行试件, 实验结果取平均值。
表3 5种试件组成
Tab.3 Composition of 5 test pieces
编号质量分数/%水泥粉煤灰钢渣砼再生碎石S1416080S24162060S34164040编号质量分数/%水泥粉煤灰钢渣砼再生碎石S44166020S5416800
2.2 干湿循环试验
为了确定钢渣的较优掺量, 将每个试件进行干湿循环试验。 试样经过标准养护后, 保持温度为(20±2)℃, 放于水中浸泡24 h; 浸泡完成后, 将试件按顺序置于温度为90 ℃的烘箱内,烘干时间为12 h,此为1次干湿循环试验;选定干湿循环次数分别为0、 10、 20、 30,养护龄期分别为7、 28、 90 d。
2.2.1 失质量分数
分别对5种试件测量高度和质量,并计算失质量分数,然后取平均值作为本组试件的失质量分数。不同干湿循环次数时5种试件的失质量分数如图1所示。由图可知,5种试件的失质量分数均随着干湿循环次数的增加而增大,失质量分数在干湿循环次数为10以后增长更加迅速;试件S1在干湿循环次数为30时,混合料的失质量分数达到最大值0.50%;试件S2、 S3、 S4、 S5的失质量分数分别为0.40%、 0.36%、 0.31%、 0.48%,表明掺入适量钢渣可抑制质量损失但也不宜过高;试件S4的失质量分数最小,这是因为,这时的钢渣中活性物质参与水化反应占主导,使得混合料的胶结与填充作用更加明显,另外,钢渣的表面纹理较砼再生碎石更加粗糙,混合料与钢渣表面接触也能产生更大的黏结力,从而抑制了试件的质量损失;而当钢渣质量分数继续增加时,试件S5的失质量分数有所增加,这是由于在高温干燥过程中,水化产物数量增加不明显,其胶结与填充作用小于钢渣吸水膨胀产生的负面作用,颗粒间的团聚作用被破坏,导致混合料密实度降低,质量损失增加[16]。
S1、 S2、 S3、 S4、 S5—钢渣和砼再生碎石的质量比分别为0∶1、 1∶3、 1∶1、 3∶1、 1∶0的试件。
图1 不同干湿循环次数时5种试件的失质量分数
Fig.1 Mass loss fraction of 5 groups of specimens under different dry and wet cycles
2.2.2 相对抗压强度和相对劈裂强度
5种试件的相对抗压强度和相对劈裂强度随干湿循环次数的变化规律如图2所示。 从图可以看出, 不同试件的相对抗压强度和相对劈裂强度均随干湿循环次数的增加呈现先增大后减小的趋势; 试件S1、 S5的相对抗压和劈裂强度在干湿循环次数为10时达到最大值, 试件S2、 S3、 S4均在干湿循环次数为20时达到最大值; 与试件S1相比, 试件S2、 S3、 S4的相对抗压强度最大值分别增加了8.10%、 11.00%、 16.20%,相对劈裂强度最大值分别增加了4.10%、 7.10%、 9.00%。这是由于,在干湿循环阶段,水泥的水化反应发挥了主要作用,强度有所提高,随着干湿循环过程的逐步完成,水化反应逐渐减弱,干湿循环作用起主导作用,强度便开始降低,在掺入适量钢渣后,试件的水化产物填充了部分孔隙,试件的密实度有所提高,整体强度损失较小。
(a)相对抗压强度(b)相对劈裂强度S1、 S2、 S3、 S4、 S5—钢渣和砼再生碎石的质量比分别为0∶1、 1∶3、 1∶1、 3∶1、 1∶0的试件。图2 不同干湿循环次数时5种试件的相对强度Fig.2 Relative strength of 5 groups of specimens under different dry and wet cycles
综上,干湿循环试验表明,试件S4的失质量分数最小,强度最大,因此钢渣与砼再生碎石的较优质量比为3∶1。
3 混合料力学性能测试
3.1 三轴试验方案
为明确水泥掺量与路基混合料强度的关系,根据交通行业标准JTG/T F20—2015[17],每种试件的围压分别设置为0、 0.5、 1.0、 1.5 MPa,用以研究不同围压条件下试件的力学性能。三轴试验采用岩石三轴(蠕变)试验仪(YY-RBSZ-1000型,如皋市原野勘察机械厂制造)。
制备试件时,在大量实验数据的基础之上,水泥掺入质量分数分别设为3%、 4%、 5%;为提高粉煤灰利用率,节约工程成本,粉煤灰掺入质量分数分别设为16%、 20%、 24%;钢渣与砼再生碎石采用较优的质量比3∶1。用于三轴试验的混合料试件的4种成分的质量分数如表4所示。
表4 用于三轴试验的混合料试件的4种成分
Tab.4 Content of 4 components of mixture specimen used in triaxial test
编号质量分数/%水泥粉煤灰钢渣砼再生碎石S441660.0020.00S631660.7520.25S751659.2519.75编号质量分数/%水泥粉煤灰钢渣砼再生碎石S842057.0019.00S942454.0018.00
3.2 结果分析
3.2.1 应力-应变曲线
根据试验设备所采集的荷载、位移曲线计算应力、应变值,应力和应变的计算公式[18]为
ε=Δl/h,
(1)
S1=S/(1-ε),
(2)
σ=F/S1,
(3)
式中: ε为轴向应变; Δl为轴向位移; h为试件的初始高度; S1为试件有效横截面面积; S为试件的初始横截面面积; σ为轴向应力; F为轴向荷载。
不同围压条件下试件的应力-应变曲线如图3所示。由图可知,当围压为0 MPa时,各试件的应力-应变曲线达到峰值后呈快速下降趋势,当围压为0.5、 1.0 MPa时曲线达到峰值后呈缓慢下降趋势,而当围压为1.5 MPa时曲线达到峰值后略有下降,说明了围压越大,越能呈现出半刚性基层材料的良好的延展性;对于同等围压条件下的不同试件,在加载初期,试件S7的峰值应变与应力-应变曲线斜率均大于其他试件,表明试件S7有较优的抗变形能力和强度[19]。
3.2.2 峰值应力
根据试件的应力-应变曲线,不同围压条件下试件的峰值应力如图4所示。由图可见,试件S7在不同围压条件下的峰值应力均为最高,而试件S8、 S9的峰值应力较试件S7有所降低,表明水泥和粉煤灰的掺量不宜过大,水泥掺入质量分数为5%、 粉煤灰掺入质量分数为16%较为适宜。
综上所述,当水泥掺入质量分数为5%、 粉煤灰掺入质量分数为16%、 钢渣与砼再生碎石的质量比为3∶1时,混合料有较佳的力学性能。
3.2.3 抗剪强度指标
根据库伦定律,混合料的抗剪强度指标主要有黏聚力和内摩擦角。不同试件的抗剪强度指标如表5所示。由表可知,试件S7的黏聚力为1.91 MPa,内摩擦角为24.82°,均比其他试件的大,试件S7的抗剪强度指标最高。
(a)围压为0 MPa(b)围压为0.5 MPa(c)围压为1.0 MPa(d)围压为1.5 MPaS4—水泥和粉煤灰的质量分数分别为4%、 16%的试件; S6—水泥和粉煤灰的质量分数分别为3%、 16%的试件; S7—水泥和粉煤灰的质量分数分别为5%、 16%的试件; S8—水泥和粉煤灰的质量分数分别为4%、 20%的试件; S9—水泥和粉煤灰的质量分数分别为4%、 24%的试件。图3 不同围压条件下试件的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of specimens under different confining pressures
S4—水泥和粉煤灰的质量分数分别为4%、 16%的试件; S6—水泥和粉煤灰的质量分数分别为3%、 16%的试件;S7—水泥和粉煤灰的质量分数分别为5%、 16%的试件; S8—水泥和粉煤灰的质量分数分别为4%、 20%的试件;S9—水泥和粉煤灰的质量分数分别为4%、 24%的试件。
图4 不同围压条件下试件的峰值应力
Fig.4 Peak stress of specimens under different confining pressures
表5 不同试件的抗剪强度指标
Tab.5 Shear strength index of different specimens
编号黏聚力/MPa内摩擦角/(°)S41.8817.35S61.2019.21S71.9124.82编号黏聚力/MPa内摩擦角/(°)S81.9022.93S91.4018.91
4 微观结构及反应机理
4.1 X射线衍射图谱
为了考察掺入钢渣对混合料的微观结构的影响,以试件S1、 S7为例,采用X射线衍射仪分析混合料水化反应后的矿物组成。试件在不同龄期的XRD谱图如图5所示。
(a)7 d(b)28 dAFt—钙矾石;Ca(OH)2—氢氧化钙; C3S—硅酸三钙; C2S—硅酸二钙; RO相—二价金属氧化物固熔体。图5 试件在不同龄期的XRD谱图Fig.5 XRD diffraction spectra of mixtures at different ages
由图5可知, 在2θ为9°时水化产物有钙矾石(AFt)峰, 2θ为18°时有氢氧化钙(Ca(OH)2)峰和未水化的硅酸三钙(C3S)、 硅酸二钙(C2S)峰; 7 d龄期时, 试件S7的AFt峰、 未水化的C3S、 C2S峰和Ca(OH)2峰均比S1的高,表明水化前期钢渣的掺入增加了AFt的生成量,AFt强度较高,可以加强水化产物之间的联系,这是混合料早期强度显著提高的重要因素;28 d龄期时,AFt的峰仍能出现,说明AFt并未完全转化为单硫型水化硫铝酸钙(AFm),与7 d龄期相比, C3S与C2S的峰降低,表明两者参与了水化反应,生成大量的Ca(OH)2,无论在水化早期还是后期,掺入钢渣后水化产物的XRD谱都能出现二价金属氧化物固熔体(RO相)的峰;但由于RO相活性很低,基本不参与反应,因此不同龄期的峰强度相近,RO相可为水化反应产物的沉积提供平台。
4.2 SEM图像与EDS能谱分析
为了研究掺入钢渣和养护龄期对混合料微观形貌的影响,采用SEM电镜观察不同龄期的试件S1、 S7的微观形貌。试件在不同龄期的SEM图像如图6所示。由图可见,试件S1(未掺入钢渣)的体系内零散分布大量八面体相的六水铝酸三钙(C3AH6),并聚合少量纤维状的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶;试件S7的体系内活性物质有所增加并促进了水泥水化,生成了更多纤维状C-S-H凝胶与大量棒状的AFt,逐渐形成空间网状结构,这是由于钢渣中含有CaO,且大部分都能进行水化反应,最终会伴随活性矿物诸如硅酸盐、铁铝酸盐及铝酸盐等的生成[20];与7 d龄期相比,28 d龄期时试件S7的孔隙量与裂缝有所减少,密实程度提高,液相中Ca2+浓度增加,促使Ca(OH)2结晶析出填充于孔隙中,养护龄期增长至90 d时,水化产物数量增多,形态也发生较明显的变化,水化产物通过堆积、交叠等方式聚集,使整个混合料结构填充得更加密实,强度得到进一步提高。
(a)S1,7 d(b)S7,7 d(c)S7,28 d(d)S7,90 dAFt—钙矾石;Ca(OH)2—氢氧化钙; RO相—二价金属氧化物固熔体;C-S-H—水化硅酸钙; C3AH6—六水铝酸三钙。图6 试件在不同龄期的SEM图像Fig.6 SEM images of specimens at different ages
在图6(c)、(d)中选取3个区域对试件S7进行能谱分析,选定区域的能谱如图7所示,各元素的质量分数如表6所示。由图7和表6可见,区域1、 2主要含有O、 Ca、 Si、 Al等元素,在区域1、 2中O元素的质量分数最大,分别为38.38%、 36.12%,Ca元素的质量分数分别为31.00%、 21.20%,Si元素的质量分数分别为11.58%、 24.68%,因此,判定区域1、 2的主要物相为Ca2SiO4;区域3主要为O元素,质量分数为51.48%, Fe、 Mg元素的质量分数分别为22.82%、 15.05%,因此可判定区域3的物相主要是RO相;区域1的Ca、 Si的质量分数的比值高达2.67, Ca2+浓度的增加导致体系碱性增高,硅酸钙水化物中的硅氧四面体链缩短, 区域1的聚合度降低[21], 主要以团簇状的形式分布,形成的结构体系不牢固;区域2的Ca、 Si的质量分数的比值为0.86,此时致密的C-S-H凝胶生长在RO相光滑的表面上,增强了颗粒与凝胶界面的黏结力,提升了混合料的强度。
(a)区域1(b)区域2(c)区域3图7 选定区域的能谱Fig.7 Energy spectrum of selected region
表6 选定区域中各元素的质量分数
Tab.6 Mass fraction of each element in selected area
区域编号质量分数/%OCaSiAlFeMgMn138.3831.0011.5813.013.261.12236.1221.2024.688.905.041.25351.485.810.730.5622.8215.053.16
5 讨论
1)为了确定钢渣的较优掺量, 先设定粉煤灰掺入质量分数为16%、 水泥掺入质量分数为4%保持不变, 钢渣和砼再生碎石的质量比分别设为0∶1、 1∶3、 1∶1、 3∶1、 1∶0,将5种质量比的钢渣-砼再生碎石混合料试件进行干湿循环试验, 测得钢渣和砼再生碎石的质量比为3∶1时的混合料的失质量分数最小, 这是因为钢渣中活性物质参与水化反应占主导, 使得混合料的胶结与填充作用更加明显, 钢渣的表面纹理较砼再生碎石更加粗糙, 混合料与钢渣表面接触也能产生更大的黏结力, 从而抑制了制得的混合料的质量损失; 钢渣和砼再生碎石的质量比为3∶1时, 制得的混合料的相对抗压强度和相对劈裂强度均为最高, 这是因为掺入适量钢渣后, 水化产物填充了部分孔隙, 制得的混合料的密实度有所提高, 整体强度损失较小。 干湿循环试验和相对强度分析证明了钢渣和砼再生碎石的较优质量比为3∶1。
2)为明确水泥、 粉煤灰的质量分数与混合料强度的关系,水泥掺入质量分数分别设为3%、 4%、 5%,粉煤灰掺入质量分数分别设为16%、 20%、 24%,配制出4种质量比的钢渣-砼再生碎石混合料试件,进行三轴试验后发现水泥掺入质量分数为5%、 粉煤灰掺入质量分数为16%时制得的混合料在不同围压条件下的峰值应力均为最大,抗剪强度也最高。一方面,水泥质量分数过高会使工程成本增加且容易引起基层开裂,从增强强度和经济性两方面进行衡量,推荐水泥掺入质量分数为5%; 另一方面,过剩的粉煤灰无法发生火山灰反应,大量积存包裹了水泥颗粒,使部分水泥无法发生水化反应,导致制得的混合料的强度降低,因此,推荐粉煤灰掺入质量分数为16%。
3)为了考察掺入钢渣和养护龄期对制得的混合料微观形貌的影响,利用XRD、 SEM及EDS分析不同龄期混合料的组成、 微观结构及水化反应特征产物的变化规律。XRD分析表明,水化前期钢渣的掺入增加了AFt的生成量,AFt强度较高,可以加强水化产物之间的联系,这是混合料早期强度显著提高的重要因素;SEM图像表明,混合料水化产物以C-S-H、 Ca(OH)2和AFt为主,这是由于混合料体系内的活性物质促进了水泥水化,生成了更多纤维状C-S-H凝胶与大量棒状的AFt,钢渣中含有CaO成分,且大部分都能进行水化反应,生成Ca(OH)2晶体并析出;EDS表明,区域1、 2的主要物相为Ca2SiO4,区域3的物相主要是RO相,Ca2+浓度的增加会导致体系碱性增高,硅酸钙水化物中的硅氧四面体链缩短,制得的混合料的聚合度降低。
6 结论
1)当钢渣和砼再生碎石的质量比为3∶1时,制得的混合料相对抗压强度和相对劈裂强度最高,失质量分数最小为0.31%。
2)当水泥掺入质量分数为5%、 粉煤灰掺入质量分数为16%、 钢渣和砼再生碎石的质量比为3∶1时, 制得的混合料具有较佳的力学性能。
3)混合料水化早期掺入钢渣可增加AFt的生成量, 提高了混合料强度; 制得的混合料水化产物以C-S-H、 Ca(OH)2和AFt为主; Ca2+浓度的增加增高了制得的混合料水化产物碱性,缩短了硅酸钙水化物中的硅氧四面体链,降低了制得的混合料的聚合度。
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