2023, Vol. 40扩展功能
文章信息
- 王平, 敬超, 冯文力, 汤建华, 史文华.
- WANG Ping, JING Chao, FENG Wen-li, TANG Jian-hua, SHI Wen-hua
- 多元固废联合洞渣用于沥青路面水稳基层的收缩特性
- Shrinkage Characteristics of Cement Stabilized Base of Asphalt Pavement with Multi-solid Waste Combined Tunnel Slag
- 公路交通科技, 2023, 40(6): 9-16
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2023, 40(6): 9-16
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2023.06.002
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文章历史
- 收稿日期: 2023-01-10
, 2. 燕山大学 城市固废无害化协同处置及利用河北省工程研究中心, 河北 秦皇岛 066004;
3. 中交投资有限公司, 北京 100020
2. Hebei Provincal Engineering Research Center for Harmless Synergistic Treatment and Recycling of Municipal Solid Waste, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China;
3. CCCC Investment Co., Ltd., Beijing 100020, China
由中华人民共和国生态环境部发布的《2020年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》可知，大宗工业固废前7名依次是尾矿、粉煤灰、煤矸石、冶炼废渣、炉渣、脱硫石膏、磷石膏。据统计，我国尾矿和磷石膏累计堆积分别超过146亿t和8.5亿t[1-3]。铁尾矿砂和磷石膏的大量堆积不仅占用大量土地资源，还会对周围环境造成污染以及形成安全隐患。铁尾矿砂堆积形成的铁尾矿坝是具有高势能的结构物，一旦溃坝，后果十分严重。磷石膏中的氟、磷等物质，严重影响动植物生长及人类健康，还会造成赤潮现象，破坏生态平衡。因此固废无害化与资源化处置已经成为我国乃至全世界亟需解决的问题[4]。
随着隧道工程日益增多，其开挖过程中必然会产生大量洞渣，若得不到合理利用，就会占用大量土地资源，还会影响环境，处置不当也易形成安全隐患，所以对于洞渣的资源化利用也十分必要。若将铁尾矿、磷石膏、洞渣用作路面基层材料，100%替代水稳碎石中的集料，不仅可以减轻固废堆积造成的一系列问题，还可以减少开山采石造成的资源消耗、环境污染和安全隐患，同时还能改善基层的一些路用性能[5-10]。
然而，铁尾矿砂和磷石膏等固废在道路基层的应用都是以水泥等无机结合料稳定固废的形式[11-12]，属于半刚性材料。半刚性材料以其强度高、刚度大、承载能力强等优点，20世纪80年代就已被广泛应用到我国高等级公路的基层中。然而半刚性基层材料的收缩不可避免，一旦形成收缩微裂缝，此裂缝则成为半刚性材料的薄弱点，在应力的反复作用下，此微裂缝将不断扩展，从而反射到沥青面层，形成反射裂缝，进而加速路面的破坏。因此，研究半刚性材料的收缩对提高路面的使用性能和使用寿命具有十分重要的作用[13-14]。近年来，很多学者对半刚性材料的收缩性能展开研究，并取得一系列进展。张立群等[15]研究了掺加废旧沥青混合料和掺加铁尾矿砂的再生水泥稳定碎石的干缩性能。朱云升等[16]针对水稳碎石和水稳石屑分析其干缩应变、干缩系数、温缩应变、温缩系数等参数的变化规律。于保阳[17]研究低水泥剂量稳定级配碎石的收缩特性，得到水稳碎石的收缩系数及变化规律。Biswal等[18]研究了水泥稳定红土样品的干燥收缩。毋庸置疑，半刚性基层的收缩问题一直是关键问题也是热点问题，但相关研究多是针对无机结合料稳定土或稳定粒料, 而对无机结合料稳定多元固废和洞渣的长期收缩问题则关注较少。
因此，本研究将挖掘隧道的洞渣、铁尾矿砂、磷石膏应用到路面水稳基层，研究多种水泥剂量下系列集料的长期收缩性能，为固废在道路半刚性基层中的综合利用提供参考。
1 试验 1.1 原材料本研究原材料中的结合料是水泥，集料为洞渣、铁尾矿砂和磷石膏。
1.1.1 洞渣洞渣为秦皇岛地区挖掘隧道产生的碎石，材质多为花岗岩，破碎后将其分为4.75~9.5 mm，9.5~19 mm，19~31.5 mm和石屑4个档，性能指标均满足《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)的相关要求, 其中粗集料压碎值为13.7%，石屑压碎值为88.66%。
1.1.2 铁尾矿砂铁尾矿砂为黑灰色颗粒，表观密度为2.86 g/cm3，压碎值为95.84%。
1.1.3 磷石膏磷石膏是生产磷酸时产生的工业废渣，按《生活饮用水标准检验方法感官性状和物理指标》(GB/T 5750.4—2006)电位法测得其pH值为2.3，采用水质快速检测盒检验其F-(氟离子)超过25 mg/L，考虑其对水质的污染及酸性环境会对水泥水化反应造成不良影响，加入5%生石灰将其pH值调整到10，并将F-降至10 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)，因此采用处理后的磷石膏进行无侧限抗压强度、干缩和温缩试验。
1.1.4 水泥水泥使用的是42.5普通硅酸盐水泥。各项指标见表 1。
| 安定性/mm | 标准稠度用水量/% | 水泥胶砂抗折强度/MPa | 水泥胶砂抗压强度/MPa | 凝结时间/min | |||||
| 3 d | 28 d | 3 d | 28 d | 初凝 | 终凝 | ||||
| 1.5 | 32 | 4.6 | 7.9 | 24.6 | 49.5 | 439 | 486 | ||
1.2 试验方案设计与试件制备
本研究中的水稳基层试件有多种，即不同水泥剂量下SWG，SW (G+I)，SW (G+I+3%P)，SW (G+I+6%P)，SW (G+I+9%P)试件，级配类型为C-B-1骨架密实型，具体见表 2。
| 水泥剂量/% | 集料类型 | ||||
| SWG | SW(G+I) | SW(G+I+3%P) | SW(G+I+6%P) | SW(G+I+9%P) | |
| 5 | 未添加固废的水稳洞渣 | 水稳(洞渣+铁尾矿砂)，其中铁尾矿砂替代洞渣中1.18 mm以下粒径的颗粒，其质量占集料的14%。 | 水稳(洞渣+铁尾矿砂+3%磷石膏) | 水稳(洞渣+铁尾矿砂+6%磷石膏) | 水稳(洞渣+铁尾矿砂+9%磷石膏) |
| 5.5 | |||||
| 6 | |||||
首先测试了5%水泥剂量下，SWG，SW (G+I)，SW (G+I+3%P)，SW (G+I+6%P)，SW (G+I+9%P)试件的无侧限抗压强度，如表 3所示，表明本研究的水稳洞渣在掺入铁尾矿砂后，其无侧限抗压强度会降低，在掺入铁尾矿砂基础上再掺入磷石膏，抗压强度进一步降低，但均满足《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)要求。
| 类型 | 7 d | ||
| 平均值/MPa | 变异系数/% | 代表值/MPa | |
| SWG | 7.3 | 9.39 | 6.1 |
| SW(G+I) | 6.6 | 7.10 | 5.9 |
| SW(G+I+3%P) | 5.3 | 6.86 | 5.04 |
| SW(G+I+6%P) | 5.2 | 4.13 | 5.08 |
| SW(G+I+9%P) | 5.4 | 4.30 | 5.14 |
采用100 mm×100 mm×400 mm的梁式试件进行干缩和温缩试验。对于养护龄期不大于28 d的试件，均采用标准条件养护，对养护龄期大于28 d的试件，在标准养护28 d后放入干缩室, 保持温度(20±2) ℃，湿度60%养护至所需龄期。本研究中，干缩试件连续观测180 d，温缩试件观测7 d和90 d两种龄期。
1.3 干缩试验本试验按照《无机结合料稳定材料干缩试验方法》(T0854—2009)要求，将梁式试件放置标准养护箱6 d泡水1 d后，在干缩室中进行干缩测试。
1.4 温缩试验本试验按照《无机结合料稳定材料温缩试验方法》(T0855—2009)要求，分别对7 d和90 d的梁式试件进行温缩试验，温度分为5档，分别为50~30 ℃，30~15 ℃，15~5 ℃，5~-5 ℃，-5~-20 ℃。
2 结果 2.1 干缩特性 2.1.1 干缩应变对于干缩应变，如图 1所示，每种水泥剂量下的5个系列试件表现出相似的变化规律。整个观测期180 d，呈现3个阶段，即30 d以内是干缩变形快速增长阶段，30~90 d是缓慢增长阶段，90 d以后是干缩变形恒定阶段。各系列试件干缩应变都随着水泥剂量的增加而增大。30 d内，各系列干缩应变的排序是SW (G+I+3%P) < SW (G+I+6%P) < SW (G+ I+9%P) < SW (G+I) < SWG。30~90 d期间，各系列试件干缩应变的发展速率不同，不同水泥剂量下，各系列试件应变的发展趋势基本一致，SWG和SW (G+I)干缩应变速率逐渐降低，而含磷石膏系列随着磷石膏含量增多，干缩应变以较高的速率持续一段时间，使得在75 d时SW (G+I+9%P)干缩应变最大，SW (G+I+6%P)干缩应变与SW (G+I)接近。在90 d后，各类型试件干缩变形稳定不再发展，干缩应变SW (G+I+3%P)最小，具体排序为SW (G+I+3%P) < SW (G+I+6%P) < SW (G+I) < SWG < SW (G+I+9%P)。
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| 图 1 不同水泥剂量的累计干缩应变 Fig. 1 Cumulative dry shrinkage strains with different cement dosages |
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另外，每种水泥剂量下含磷石膏系列试件在早期都出现膨胀，不同水泥剂量下各系列15 d的干缩应变值如图 2所示，表明15 d内的干缩应变随水泥剂量的增加而增大。每种水泥剂量下，SWG和SW (G+I)都是第2 d开始出现干缩，含磷石膏系列试件在早期都出现膨胀，水泥剂量越高，膨胀量越大，相同水泥剂量下，膨胀量SW (G+I+3%P)最小，SW (G+I+6%P)和SW (G+I+9%P) 膨胀量接近。
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| 图 2 不同水泥剂量下15 d内各系列试件的累计干缩应变值 Fig. 2 Dry shrinkage strain values of each series specimen with different cement dosages (15 d) |
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2.1.2 干缩系数
对于干缩系数，如图 3所示，每种水泥剂量下的5个系列试件表现出相似的变化规律。整个观测期180 d，呈现3个阶段，即30 d以内是干缩变形快速增长阶段，30~90 d是缓慢增长阶段，90 d以后是干缩系数恒定阶段。各系列试件干缩系数都随着水泥剂量的增加而增大。30 d内，各系列干缩系数SW (G+I+3%P)最小，SW (G+I+6%P)和SW (G+I+9%P)接近大于SW (G+I+3%P)，SWG最大。30~90 d期间，各系列试件干缩系数的发展速率不同，不同水泥剂量各系列试件应变的发展趋势基本一致。在90 d后，各类型试件干缩系数稳定不再发展，干缩系数也是SW (G+I+3%P)最小，具体排序为SW (G+I+3%P) < SW (G+I+9%P) < SW (G+I+6%P) < SW (G+I) < SWG。
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| 图 3 不同水泥剂量的干缩系数 Fig. 3 Dry shrinkage coefficients with different cement dosages |
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另外，跟干缩应变类似，每种水泥剂量下含磷石膏系列试件在早期也都出现干缩系数的负值(膨胀系数)，不同水泥剂量下各系列15 d的干缩系数如图 4所示，表明15 d内的各系列试件干缩系数随水泥剂量的增加而增大。每种水泥剂量下，含磷石膏系列试件在早期都出现膨胀，水泥剂量越高，干缩系数绝对值即膨胀系数越大，膨胀系数SW (G+I+3%P)最小，SW (G+I+6%P)和SW (G+I+9%P) 膨胀量接近。SW (G+I+3%P)试件在第3 d达到膨胀系数的最大值，直到接近11 d时膨胀系数降为零。SW (G+I+6%P)和SW (G+I+9%P)试件在第2 d达到膨胀系数的最大值，分别在第10 d和第9 d将膨胀系数降为零。相同水泥剂量下，15 d时，干缩系数SW (G+I+3%P)与SW (G+I+6%P)接近，SW (G+I+9%P) < SW (G+I) < SWG。
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| 图 4 不同水泥剂量下15 d内各系列试件的干缩系数 Fig. 4 Dry shrinkage coefficients of each series specimens with different cement dosages (15 d) |
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2.2 温缩特性
不同水泥剂量下试件的温缩系数如图 5所示。不同水泥剂量下，各系列试件温缩系数的变化规律一致，所有温区都是随水泥剂量的增加而增大，各系列试件90 d龄期的温缩系数要小于7 d龄期。
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| 图 5 不同水泥剂量的温缩系数 Fig. 5 Temperature shrinkage coefficients with different cement dosages |
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对于3种水泥剂量下的7 d龄期试件，50~30 ℃温区的温缩系数最大，-5~-20 ℃温区的各系列温缩系数差别不大。50~30 ℃，30~15 ℃，15~5 ℃及-5~-20 ℃温区的SW (G+I)最小，SW (G+I+9%P)最大。5~-5 ℃温区的SW (G+I+3%P)最小，SW (G+I+9%P)最大。
对于3种水泥剂量下的90 d龄期试件，30~15 ℃温区的各系列温缩系数比较接近。50~30 ℃和15~5 ℃温区的SW (G+I)最小，SW (G+I+9%P)最大。-5~-20 ℃温区的SWG最小，SW (G+I+9%P)最大。5~-5 ℃温区的SW (G+I+3%P)最小，SW (G+I+9%P)最大。
3种水泥剂量下，各类型试件随着龄期增长，温度敏感性降低。在7 d时，含磷石膏系列试件对于温度较敏感，随着磷石膏含量的增加，温缩系数逐渐增大。在90 d时，含磷石膏系列试件与SWG和SW (G+I)差距缩小。其原因是加入了磷石膏，早期强度较低，对收缩应力的抑制效果不强，表现出对温度的敏感性。随着龄期的增长，水泥水化反应更加彻底，从而温缩系数降低。
2.3 干缩温缩综合性能比较干缩温缩综合性能如图 6所示，表明每项指标都随着水泥剂量的增加而增大。对于干缩温缩综合性能，SW (G+I+3%P)最好，SW (G+I+9%P)最差，收缩性能具体排序为SW (G+I+3%P)，SW (G+I+6%P)，SW (G+I)，SWG，SW (G+I+9%P)。
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| 图 6 不同水泥剂量的干缩温缩综合性能(90 d) Fig. 6 Comprehensive performances of dry and temperature shrinkages with different cement dosages (90 d) |
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3 结论
本研究开展了3种水泥剂量下的5种集料的干缩温缩测试，并对干缩温缩综合性能的结果进行评价。得到以下结论：
(1) 每种水泥剂量下的5个系列试件都表现出相似的变化规律。无论干缩还是温缩，所有系列试件都是随着水泥剂量的增加而增大。
(2) 对于干缩，在90 d后，各类型试件干缩变形与干缩系数稳定不再发展，干缩应变SW (G+I+3%P)最小，具体排序为SW (G+I+3%P) < SW (G+I+6%P) < SW (G+I) < SWG < SW (G+I+9%P)。干缩系数也是SW (G+I+3%P)最小，具体排序为SW (G+I+3%P) < SW (G+I+9%P) < SW (G+I+6%P) < SW (G+I) < SWG。
(3) 每种水泥剂量下含磷石膏系列试件在早期都出现膨胀，水泥剂量越高，膨胀量越大，相同水泥剂量下，膨胀量SW (G+I+3%P)最小，SW (G+I+6%P)和SW(G+I+9%P) 膨胀量接近。
(4) 对于温缩，所有温区的温缩系数都是随水泥剂量的增加而增大，各系列试件90 d龄期温缩系数要小于7 d龄期。
(5) 对于3种水泥剂量下7 d龄期试件，50~30 ℃，30~15 ℃，15~5 ℃及-5~-20 ℃温区的SW (G+I)最小，SW (G+I+9%P)最大。5~-5 ℃温区的SW (G+I+3%P)最小，SW (G+I+9%P)最大。
(6) 对于3种水泥剂量下90 d龄期试件，50~30 ℃和15~5 ℃温区的SW (G+I)最小，SW (G+I+9%P)最大。-5~-20 ℃温区的SWG最小，SW (G+I+9%P)最大。5~-5 ℃温区的SW (G+I+3%P)最小，SW (G+I+9%P)最大。
(7) 干缩温缩综合性能的评价结果表明，SW (G+I+3%P)系列试件最优。
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