李慶宏，高鵬，王偉亞，趙慧靜，劉喆

(1.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 晉城 048000；2.長(zhǎng)治市武理工工程技術(shù)研究院；3.長(zhǎng)治市交通運(yùn)輸局)

煤氣化多孔爐渣是煤炭在煤氣化爐中經(jīng)最高溫度1 250 ℃反應(yīng)后冷卻形成的固態(tài)殘?jiān)?，呈多孔結(jié)構(gòu)，壓碎值高、吸水率大，中國(guó)每年排放量可達(dá)2 700萬t，資源化利用途徑少，基本采用填埋方式處理。研究利用多孔爐渣作集料制備路面基層材料是煤氣化多孔爐渣資源化利用的發(fā)展方向。已有研究表明：盡管多孔爐渣部分替代天然集料會(huì)降低水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度，但當(dāng)爐渣摻量不超過50%時(shí)，仍可制備出強(qiáng)度滿足要求的水泥穩(wěn)定類路面基層材料。水泥穩(wěn)定類路面基層材料具有強(qiáng)度高、板體性好、易于施工的優(yōu)點(diǎn)，但也存在施工早期因集料級(jí)配不良、含泥量高、養(yǎng)護(hù)不到位等因素引起的干縮開裂問題，研究表明：基層材料含水量越高，產(chǎn)生干縮裂縫的概率就越高，但是關(guān)于水泥穩(wěn)定碎石生活焚燒垃圾爐渣的干縮特性研究顯示：爐渣摻量每增加10%，混合料最佳含水率增大1.2%，但摻入30%爐渣混合料抗干縮性卻優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石。該文為探明水泥(粉煤灰)穩(wěn)定爐渣路面基層材料的抗裂性，該文對(duì)比水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣和水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能和抗裂性。

1 試驗(yàn)材料

1.1 集料

試驗(yàn)用煤氣化多孔爐渣(以下簡(jiǎn)稱爐渣，PCGS)集料為原狀爐渣破碎篩分制得，分為0～5、5～15、15～25 mm 3檔；試驗(yàn)用天然集料為石灰?guī)r制備而成，分為0～5、5～10、10～20、20～30 mm 4檔，均取自晉城市太行一號(hào)國(guó)家風(fēng)景道高平市北部旅游大通道工程。爐渣集料與天然集料特性對(duì)比見表1，不同規(guī)格集料的級(jí)配組成見表2。

表1 爐渣集料與天然集料特性

表2 爐渣集料和天然集料級(jí)配

1.2 結(jié)合料

試驗(yàn)用粉煤灰為普通燃煤電廠原狀粉煤灰，其基本理化性能(表3)滿足JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》路面基層(底基層)用粉煤灰技術(shù)要求；試驗(yàn)用水泥為P.C.42.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥。

表3 粉煤灰理化性能

1.3 固化劑

爐渣集料壓碎值高，配制的路面基層材料強(qiáng)度低于水泥穩(wěn)定碎石，為此選用某固廢道路材料專用增強(qiáng)抗凍型固化劑來提高基層強(qiáng)度和耐久性。

2 試驗(yàn)方案

2.1 配合比設(shè)計(jì)

調(diào)整集料比例配制了合成級(jí)配相同的水泥穩(wěn)定爐渣與水泥穩(wěn)定碎石，并在水泥穩(wěn)定爐渣基礎(chǔ)上，采用10%粉煤灰替代爐渣集料形成了水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣，3種基層材料配合比如表4所示。

表4 配合比

2.2 干縮試驗(yàn)方法

根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果制備了尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的梁形試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至7 d齡期后進(jìn)行干縮試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)擊實(shí)結(jié)果及強(qiáng)度

3種基層材料的擊實(shí)結(jié)果和強(qiáng)度如表5所示。

表5 擊實(shí)結(jié)果及7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

結(jié)合表1、5可以發(fā)現(xiàn)：由于爐渣具有多孔、吸水率高等特性，水泥穩(wěn)定爐渣最佳含水率為13.7%，較水泥穩(wěn)定碎石提高136%，水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣與水泥穩(wěn)定爐渣相近；通過優(yōu)化級(jí)配以及添加固化劑，水泥穩(wěn)定爐渣7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)4.8 MPa，較水泥穩(wěn)定碎石降低21%，添加粉煤灰后強(qiáng)度明顯提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣與水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度基本相同。

(2)干縮應(yīng)變

水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣干縮應(yīng)變隨干燥養(yǎng)生時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 干縮應(yīng)變與干燥養(yǎng)生時(shí)間的關(guān)系

圖1表明：各基層材料的干縮應(yīng)變均隨齡期增加而不斷增長(zhǎng)，且呈現(xiàn)水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣最小、水泥穩(wěn)定爐渣次之，水泥穩(wěn)定碎石最大的規(guī)律。7 d齡期時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣干縮應(yīng)變?yōu)?30.9×10-6，較水泥穩(wěn)定碎石降低30.3%，加入粉煤灰后7 d干縮應(yīng)變?yōu)?6.6×10-6，較水泥穩(wěn)定碎石降低59.2%；20 d齡期時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣干縮應(yīng)變較水泥穩(wěn)定碎石分別降低8.6%、39.9%。由此可見，水泥穩(wěn)定爐渣的干縮應(yīng)變隨齡期增長(zhǎng)與水泥穩(wěn)定碎石趨于接近，而粉煤灰可提高材料密實(shí)度，改善孔隙結(jié)構(gòu)，抑制水分遷移，因而水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣的干縮應(yīng)變明顯低于水泥穩(wěn)定碎石。

(3)失水率

水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣失水率隨干燥養(yǎng)生時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖2所示，并用養(yǎng)生浸水后試件含水率與失水率的差值表征材料內(nèi)部剩余含水率，結(jié)果如表6所示。

圖2 失水率與干燥養(yǎng)生時(shí)間的關(guān)系

表6 剩余含水率與干燥養(yǎng)生時(shí)間的關(guān)系

由圖2可得：各類基層材料早期失水速率較快，干燥養(yǎng)生5 d累計(jì)失水率分別達(dá)到養(yǎng)生后初始含水率的39%～49%；干燥養(yǎng)生時(shí)間20 d后，水泥穩(wěn)定碎石失水速率趨于穩(wěn)定，而水泥穩(wěn)定爐渣初始含水率高，20 d仍有6.0%的剩余含水率，為水泥穩(wěn)定碎石的2倍，粉煤灰具有填充密實(shí)、細(xì)化孔隙作用，因而水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣的失水速率降低，釋水周期進(jìn)一步延長(zhǎng)，可見爐渣路面基層材料具有保水性強(qiáng)、釋水周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，有利于降低材料因失水產(chǎn)生的干燥收縮。

(4)干縮抗裂系數(shù)

路面基層材料可用極限拉應(yīng)變(εmax)與干縮系數(shù)(αd)的比值干縮抗裂系數(shù)(W)來綜合評(píng)價(jià)材料抗裂性能，根據(jù)研究，路面基層材料極限拉應(yīng)變可用劈裂強(qiáng)度與抗壓回彈模量的比值表征；圖3為干縮應(yīng)變隨失水率增加的變化趨勢(shì)，曲線斜率即為干縮系數(shù)(表7)。

表7 干縮抗裂系數(shù)

圖3 干縮應(yīng)變與失水率的關(guān)系

從圖3可知：水泥穩(wěn)定碎石干縮應(yīng)變與失水率曲線較陡，表明水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)較大，明顯高于水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣。水泥穩(wěn)定爐渣7 d干縮系數(shù)為13.7×10-6，為水泥穩(wěn)定碎石的23.4%；加入粉煤灰后，7 d干縮系數(shù)降低至9.8×10-6，僅為水泥穩(wěn)定碎石的16.8%，這是因?yàn)闋t渣為多孔結(jié)構(gòu)，不僅具有較強(qiáng)吸水作用，還具有較強(qiáng)的保水性，可以在干燥環(huán)境下持續(xù)釋放水分，補(bǔ)充因環(huán)境溫度高、濕度小導(dǎo)致的水分蒸發(fā)，以及水泥水化消耗的水分，為基層提供良好的內(nèi)養(yǎng)生條件。

從表7可以看出：水泥穩(wěn)定爐渣的干縮抗裂系數(shù)較水泥穩(wěn)定碎石提高452%，可達(dá)52.4，摻入粉煤灰后干縮抗裂系數(shù)進(jìn)一步提高至74.1。這是因?yàn)楣袒瘎┑脑鰪?qiáng)作用，加之爐渣集料表面粗糙產(chǎn)生的嵌鎖作用，使得水泥穩(wěn)定爐渣具有較高的劈裂強(qiáng)度，僅比水泥穩(wěn)定碎石低0.04 MPa，同時(shí)由于爐渣集料本身剛度較低，水泥穩(wěn)定爐渣的抗壓回彈模量低于水泥穩(wěn)定碎石，因而水泥穩(wěn)定爐渣具有較高的極限拉應(yīng)變和較小的干縮系數(shù)，所以其干縮抗裂系數(shù)明顯高于水泥穩(wěn)定碎石。摻入粉煤灰后，爐渣基層材料極限拉應(yīng)變略有提高、干縮系數(shù)略有下降，因而干縮抗裂性更優(yōu)。

4 抗裂性能的工程觀測(cè)

為研究爐渣路面基層的抗裂性，采用表8所示配合比鋪筑了200 mm厚水泥穩(wěn)定爐渣試驗(yàn)段，未覆蓋薄膜或者土工布養(yǎng)護(hù)，僅采用灑水的方式在最高溫度為30 ℃的夏季養(yǎng)生觀測(cè)28 d，并在第5 d進(jìn)行鉆芯取樣檢測(cè)。

表8 試驗(yàn)段配合比

工程試驗(yàn)表明：水泥穩(wěn)定爐渣基層5 d鉆芯取樣完整，抗壓強(qiáng)度可達(dá)4.5 MPa，灑水養(yǎng)生28 d未發(fā)現(xiàn)任何干縮開裂現(xiàn)象，而且水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣路面基層已在山西省推廣應(yīng)用40 km，未發(fā)現(xiàn)一條干縮裂縫，充分表明爐渣路面基層具有良好的干縮抗裂性。

5 結(jié)論

為研究煤氣化多孔爐渣制備的水泥(粉煤灰)穩(wěn)定爐渣的抗裂性能，對(duì)比進(jìn)行了水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定爐渣、水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣的一系列對(duì)比試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)與水泥穩(wěn)定碎石相比，水泥穩(wěn)定爐渣早期干縮應(yīng)變低于水泥穩(wěn)定碎石，摻入粉煤灰后，干縮應(yīng)變進(jìn)一步降低。

(2)由于爐渣具有多孔特性，水泥(粉煤灰)穩(wěn)定爐渣含水率高、儲(chǔ)水性好，在干燥條件下釋水周期長(zhǎng)，失水收縮敏感性低。

(3)爐渣吸水率高，配制的水泥穩(wěn)定爐渣干縮系數(shù)小，固化劑增強(qiáng)作用與爐渣集料嵌鎖作用則有利于提高水泥穩(wěn)定爐渣的劈裂強(qiáng)度，爐渣多孔特性降低了水泥穩(wěn)定爐渣模量，所以水泥穩(wěn)定爐渣干縮系數(shù)顯著高于水泥穩(wěn)定碎石；摻入粉煤灰可提高基層材料密實(shí)度，起到降低失水速率、提升抗拉強(qiáng)度的作用，因此水泥粉煤灰穩(wěn)定爐渣干縮抗裂系數(shù)高于水泥穩(wěn)定爐渣。

(4)水泥穩(wěn)定爐渣路面基層應(yīng)用效果良好，工程觀測(cè)表明爐渣路面基層具有優(yōu)良的抗干縮、抗裂性能。