硼灰穩(wěn)定碎石路用性能分析

王 穎，馬紅全，詹曉松，陳鐵林

(1.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150050；2.黑龍江省公路工程質(zhì)量監(jiān)理咨詢公司，哈爾濱 150001)

硼灰，產(chǎn)自我國(guó)東北地區(qū)，產(chǎn)量多且集中，是硼鎂礦生產(chǎn)硼砂排出的廢料。堿性極強(qiáng)，其排放之處，寸草不生，大片農(nóng)田受到污染，使得生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。工業(yè)廢料硼灰主要應(yīng)用于鎂化工產(chǎn)品[1]、農(nóng)業(yè)用肥料和除草劑、做污水處理[2]和煉鋼用添加劑等。

為了解決硼灰的堆積帶來的環(huán)境污染，同時(shí)也為了使硼礦產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本降低，黑龍江省教育廳項(xiàng)目“硼灰穩(wěn)定碎石基層的路用性能試驗(yàn)研究”研究了硼灰是否能夠代替粉煤灰做道路基層材料修筑道路，這樣不僅可以降低公路工程造價(jià)，同時(shí)也可以保護(hù)環(huán)境促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 硼灰的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)

作為道路基層材料，其主要性能就是結(jié)合性能，本研究中研究了硼灰的化學(xué)成分，并與道路中常用的粉煤灰、石灰做了比較，看其是否具有利用價(jià)值。通過研究表明，硼灰是通過排濕的方法從工業(yè)高爐中排出，因此濕度大、雜質(zhì)多、易結(jié)塊。實(shí)驗(yàn)室中取其烘干并過1.18 mm篩，發(fā)現(xiàn)硼灰易溶于水，密度較小，水底可見大量的不溶水細(xì)砂，約占硼灰質(zhì)量的77.8%。其主要化學(xué)成分見表1，把其化學(xué)成分與粉煤灰和石灰的成分做了比較，粉煤灰與石灰的成分見表2。

表1 硼灰化學(xué)成分 w%

表2 粉煤灰化學(xué)成分 w%

從表中可以看出，硼灰與粉煤灰的成分相似，含量不同，說明硼灰在理論上同石灰一起可以作為道路建筑材料使用，具體每種成分的含量多少是否可以代替粉煤灰用作道路基層需進(jìn)一步研究。

2 含有硼灰的二灰碎石路用力學(xué)指標(biāo)測(cè)定

2.1 道路基層材料的強(qiáng)度理論

道路中半剛性基層典型的結(jié)構(gòu)就是二灰碎石，二灰是指石灰和粉煤灰，二灰碎石基層的作用機(jī)理是石灰在堿性環(huán)境下與粉煤灰活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成大量膠凝性物質(zhì)，生成物相互粘連，膠織在一起，形成具有一定強(qiáng)度的致密結(jié)構(gòu)，而且該反應(yīng)在水分的條件下能夠持續(xù)進(jìn)行，其宏觀表現(xiàn)就是強(qiáng)度隨齡期而增長(zhǎng)。在基層中，要求這些材料要有足夠的強(qiáng)度和粘結(jié)力，二灰碎石混合料強(qiáng)度形成包括以下幾個(gè)方面：第一，具有足夠的粘結(jié)力。二灰主要為混合料提供粘結(jié)成分。第二，具有較高的強(qiáng)度和較好的抗收縮性。將細(xì)集料砂和水摻入二灰中，形成砂漿。在一定的摻配比例下，砂可以改善二灰的性能，使得混合料具有較高的強(qiáng)度、較好的抗收縮性能。第三，具有整體穩(wěn)定性。碎石在混合料中緊密排列形成良好的骨架結(jié)構(gòu)，而砂漿又可以填充骨架的空隙，并粘結(jié)成一個(gè)穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，使其具有較高的強(qiáng)度，較好的穩(wěn)定性和耐久性[3]。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定

在以往的經(jīng)驗(yàn)中，二灰碎石的配合比中二灰∶集料為20∶80，石灰∶粉煤灰為1∶3，外加劑2%。本次研究做了石灰粉煤灰碎石，石灰硼灰碎石、石灰粉煤灰硼灰碎石三種混合料的擊實(shí)和無側(cè)限實(shí)驗(yàn)[4]，選用外加劑的劑量均為2%，其結(jié)果見表3。

表3 硼灰與粉煤灰的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比表

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，用硼灰代替粉煤灰后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)有所下降，但隨著石灰量的增加，強(qiáng)度會(huì)增大，增大到3∶0∶3時(shí)會(huì)下降；實(shí)驗(yàn)中又考慮到粉煤灰的細(xì)度的作用，所以實(shí)驗(yàn)中又在石灰硼灰碎石中加入了部分粉煤灰，發(fā)現(xiàn)加入粉煤灰后強(qiáng)度會(huì)增加，尤其在三者比例為1∶2∶3時(shí)強(qiáng)度達(dá)到頂峰，說明只含有硼灰和石灰的穩(wěn)定結(jié)合料與含有硼灰、石灰、粉煤灰的穩(wěn)定結(jié)合料相比，結(jié)合料試件的強(qiáng)度前者要明顯弱于后者。說明硼灰與石灰結(jié)合后穩(wěn)定碎石的作用是弱于粉煤灰與石灰的結(jié)合，但如果單純從無側(cè)限抗壓強(qiáng)度角度來講，這種材料可以用于道路基層當(dāng)中。

3 其他路用指標(biāo)測(cè)定

通過對(duì)硼灰的化學(xué)成分分析可知，硼灰易溶于水，水穩(wěn)定性較差，但是由于二灰碎石具有使用效果好、應(yīng)用范圍廣及施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，特別是在路面翻漿的防治方面，二灰碎石一直發(fā)揮著重要的作用。為了進(jìn)一步驗(yàn)證硼灰的使用效果，本次研究在無側(cè)限強(qiáng)度滿足要求的前提下又進(jìn)一步研究了石灰硼灰碎石的抗凍性、劈裂強(qiáng)度、彈性模量[4]等路用性能。

研究中把1∶3∶0的二灰(石灰、粉煤灰)碎石和1∶2∶3的三灰(石灰、粉煤灰、硼灰)碎石分別作了抗凍融試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)試劈裂強(qiáng)度、回彈模量與凍融強(qiáng)度的試件尺寸均為φ15 cm×h15 cm圓柱形試件，制件時(shí)以1∶3∶0的二灰(石灰、粉煤灰)碎石和1∶2∶3的三灰(石灰、粉煤灰、硼灰)碎石做配合比，每組制取6個(gè)試件，作為平行試件，測(cè)試抗彎拉強(qiáng)度的試件尺寸為10 cm×10 cm×10 cm長(zhǎng)方形小梁試件，每組制作3個(gè)平行試件。試件制作及實(shí)驗(yàn)過程嚴(yán)格遵守現(xiàn)行《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ E51-2009)[5]及《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-2000)[6]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 二灰碎石與三灰碎石路用性能指標(biāo) MPa

3.1 劈裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

抗拉強(qiáng)度是評(píng)價(jià)半剛性材料力學(xué)性能的最直接的指標(biāo)，而劈裂強(qiáng)度是間接地測(cè)無機(jī)結(jié)合料碎石力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知劈裂強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)，其強(qiáng)度也在增長(zhǎng)，但是前期增長(zhǎng)較慢，后期增長(zhǎng)較快；同時(shí)，摻加二灰的碎石劈裂強(qiáng)度無論是28 d的齡期還是90 d的齡期，其強(qiáng)度值都弱于三灰碎石。

3.2 回彈模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基層選擇材料時(shí)，應(yīng)選擇剛度(回彈模量)適中，且應(yīng)與面層的剛度相適應(yīng)的材料。若選擇的材料剛度過小，面層剛度過大，則會(huì)由于過大的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變而出現(xiàn)開裂破壞；若選擇的材料剛度過大，則容易因干縮和溫縮而產(chǎn)生開裂破壞，影響基層的抗裂性能[7]。穩(wěn)定碎石類基層材料的回彈模量不僅與組成材料本身的模量有關(guān)，同時(shí)也與反應(yīng)后生成物的模量有關(guān)，從數(shù)據(jù)顯示，二者在反應(yīng)初期所測(cè)模量接近，是由于混合料尚未形成整體，還處于松散狀態(tài)，但隨著膠結(jié)物的逐漸增多，整體結(jié)構(gòu)不斷增強(qiáng)[8]，剛度明顯增大，尤其三灰碎石增長(zhǎng)迅速。

3.3 凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

上表中把兩種配比的碎石經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，測(cè)其90 d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，從數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過凍融循環(huán)后，強(qiáng)度均有所下降，但下降的幅度不同，說明材料配比不同凍融的作用亦不同，經(jīng)計(jì)算二灰的凍融系數(shù)為0.375，三灰的凍融系數(shù)為0.674，雖然都滿足低等級(jí)公路基層凍融強(qiáng)度應(yīng)大于1 MPa的要求，但三灰要優(yōu)于二灰。

4 討論與結(jié)論

以成熟的道路基層材料二灰(石灰與粉煤灰)碎石作為基礎(chǔ)，在硼灰完全代替粉煤灰的二灰碎石中，雖然都有外加劑的摻入，但石灰硼灰碎石與石灰粉煤灰碎石相比，其早期的無側(cè)限強(qiáng)度，尤其是7 d和28 d的強(qiáng)度并無太大差別，可后期(90 d)卻有著較大的差別，而現(xiàn)行《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-2000)中，對(duì)各級(jí)公路的穩(wěn)定碎石混合料基層唯一指標(biāo)就是7 d無側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度≥0.8 MPa[4](二級(jí)以下)，單純從強(qiáng)度角度來說，硼灰完全可以代替粉煤灰。從道路的使用功能角度出發(fā)，要求道路具有一定的耐久性，這也要求作為基層的材料應(yīng)滿足道路使用的耐久性，同時(shí)也為了防止面層反射裂縫[9]的發(fā)生，通常驗(yàn)算基層材料的劈裂強(qiáng)度，抗壓回彈模量、抗凍融強(qiáng)度等[10-11]，因此在石灰硼灰碎石滿足無側(cè)限強(qiáng)度的前提下，通過測(cè)試其路用性能指標(biāo)(劈裂強(qiáng)度、回彈模量、凍融系數(shù))來驗(yàn)證這種材料的合理性與可行性，路用性能指標(biāo)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，硼灰在完全代替粉煤灰時(shí)，雖然各項(xiàng)指標(biāo)能滿足要求，但同粉煤灰相比，各項(xiàng)結(jié)果明顯弱于有粉煤灰參與的穩(wěn)定碎石材料，可見硼灰代替部分粉煤灰做基層材料是可行的，實(shí)驗(yàn)表明，三灰(石灰、粉煤灰、硼灰)比例在1∶2∶3時(shí)，無論是強(qiáng)度指標(biāo)還是路用性能指標(biāo)都是最佳的。

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