電石渣/磺酸稀釋劑穩(wěn)定路面基層性能分析

張 恒

(武漢綜合交通研究院有限公司 武漢 430074)

瀝青路面作為典型的柔性路面,其性能受結(jié)構(gòu)層類型、施工時(shí)間、材料性能、交通荷載,以及氣候等多因素耦合作用影響[1-2]。而基層的剛度對瀝青面層底部的拉應(yīng)變和粒料類基層中間層的壓應(yīng)變有著顯著影響。常見柔性路面的基層多為粒料類或無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料基層。在靜載條件下,粒料類基層進(jìn)行化學(xué)穩(wěn)定可以顯著降低由路面交通荷載而導(dǎo)致的路面臨界層位置的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變,然而,在動載條件下,使用穩(wěn)定劑穩(wěn)定粒料類基層往往會表現(xiàn)出破壞屈服應(yīng)變和易碎特性[3-5]。此外,水泥、石灰等傳統(tǒng)穩(wěn)定劑在生產(chǎn)過程中會釋放出大量的CO2,加劇了能源的消耗和溫室氣體的排放。

由于傳統(tǒng)穩(wěn)定劑存在的諸多缺點(diǎn),研究人員開始尋求與傳統(tǒng)穩(wěn)定劑性能相似的替代品。地聚合物具有與混凝土相比更加優(yōu)異的環(huán)境優(yōu)勢和性能優(yōu)勢,是道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中替代水泥混凝土的一種最具潛力的材料[6-7]。電石渣作為一種潛在的堿性活化劑,可以與粉煤灰、偏高嶺土和礦渣等多種硅鋁酸鹽類固體廢棄物發(fā)生堿活化反應(yīng),生成比普通混凝土強(qiáng)度更高、耐久性能更好的地聚合物?；撬嶙鳛橄礈靹┬袠I(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品,在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用,部分研究人員嘗試將其用作穩(wěn)定劑應(yīng)用于土工材料中,特別是用于穩(wěn)定粒料類基層以構(gòu)建強(qiáng)度更高、耐久性更好的基層。

研究表明,與生產(chǎn)水泥混凝土相比,生產(chǎn)地聚合物的過程更加安全環(huán)保,其中能源減少約60%、CO2排放量減少50%～80%。在道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中,地聚合物具有諸多環(huán)境與性能優(yōu)勢,是一種應(yīng)用潛力巨大的道路基礎(chǔ)建設(shè)水泥混凝土的替代品。此外,地聚合物具有更低的收縮性能和更優(yōu)異的耐久性能,這也表明地聚合物用做基層穩(wěn)定材料具有降低瀝青面層出現(xiàn)反射裂縫的可能性[8]。吳昱等[9]選用鋼渣礦渣制備地聚合物穩(wěn)定基層,并對其強(qiáng)度特征和微觀形貌進(jìn)行分析,結(jié)果表明,外摻石灰后,鋼渣礦渣基層強(qiáng)度明顯提升,同時(shí)原材料活性不同,產(chǎn)物也有所不同,基層性能差異性顯著。

綜上所述,本文擬通過探索使用工業(yè)固體廢棄物電石渣制備地聚合物來進(jìn)行可持續(xù)路面的建設(shè),研究電石渣/磺酸基地聚合物作為粒料類基層穩(wěn)定劑的可行性。通過改變原材料摻配參數(shù)及養(yǎng)護(hù)條件,對比未處理集料和電石渣/磺酸改性集料,進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析和應(yīng)力-應(yīng)變分析,分別確定電石渣/磺酸基地聚合物的最佳摻配參數(shù)及隨溫度/濕度變化條件下強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律和影響機(jī)理,制備用于道路基層建設(shè)的可持續(xù)穩(wěn)定基層混合料,為后續(xù)此類固體廢棄物的回收利用提供一種新的應(yīng)用思路。

1 原材料

骨料選自廣東省內(nèi)某采石場,其主要物理、化學(xué)性能見表1。電石渣由廣東省內(nèi)某礦場提供,淺灰色呈粉末狀,使用380 μm篩對電石渣進(jìn)行篩分,其相對密度為2.219,25 ℃條件下pH值為12.47。電石渣顆粒為不規(guī)則形狀,具有高度絮凝和多孔裝結(jié)構(gòu),粒徑中值為40 μm。本試驗(yàn)所用磺酸為制造洗滌劑和清潔行業(yè)所用十二烷基苯磺酸,深棕色液體,密度為1.048 5 g/cm3,形態(tài)主要表現(xiàn)為網(wǎng)狀和玻璃化分散基質(zhì),結(jié)晶顆粒較少。電石渣及磺酸主要化學(xué)組成見表2。

表1 骨料特性

表2 電石渣與磺酸主要化學(xué)組成 %

常溫條件下,磺酸為黏性液體,為了使其具有均勻的改性效果,在混合前使用蒸餾水對其進(jìn)行稀釋,每1 000 mL水中磺酸含量分別為100,200,300,400 mL,分別記為A1組、A2組、A3組與A4組。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣見表3。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣

試件制備過程如下:先將電石渣與水混合均勻一段時(shí)間后,再同時(shí)制備未經(jīng)處理和擬經(jīng)地聚合物處理的骨料試件,將電石渣與水的混合物摻入至擬經(jīng)地聚合物處理的骨料樣品,最后加入稀釋的磺酸溶液形成地聚合物,并充分混合均勻,進(jìn)行養(yǎng)護(hù)固化。參考常規(guī)混凝土養(yǎng)護(hù)溫度為5～35 ℃,當(dāng)溫度過低時(shí),混凝土凝結(jié)過于緩慢,而當(dāng)溫度過高,混凝土凝結(jié)過快,易產(chǎn)生收縮裂縫,導(dǎo)致自身開裂,同時(shí)考慮沿海城市主要?dú)夂驗(yàn)闇嘏睗駳夂?因此養(yǎng)護(hù)固化條件設(shè)定3組進(jìn)行對比分析,第一組模擬溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(80±5) %的短降雨條件下養(yǎng)護(hù);第二組模擬溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(40±5) %的常溫條件下正常養(yǎng)護(hù);第三組模擬溫度為(35±2) ℃,相對濕度為(80±5) %的溫暖條件下養(yǎng)護(hù)。

2 路用性能分析

2.1 地聚合物摻量影響分析

為確定地聚合物的最佳摻量,在處理過后的骨料混合物分別以2%,4%,6%,8%的比例摻入地聚合物,并在室溫養(yǎng)護(hù)7 d后,測試其軸向應(yīng)力,結(jié)果見圖1。

圖1 地聚合物混合物應(yīng)力-應(yīng)變曲線

據(jù)圖1可知,隨著地聚合物摻入比例的不斷提高,軸向應(yīng)力越大,并在8%時(shí)存在最大值,但6%與8%摻量條件下,兩者結(jié)果相差不大,因此選定地聚合物摻量為6%。分析其原因,當(dāng)?shù)鼐酆衔飺饺肓吭黾訒r(shí),地聚合物基質(zhì)得以完全在粒料類基層中擴(kuò)散,并將其包裹,形成了額外的顆粒聯(lián)系,地聚合物將顆粒完全包裹形成密實(shí)整體。此時(shí),地聚合物在骨料顆粒中的填充程度就成了影響整體強(qiáng)度的主要因素,這在軸向應(yīng)變中的變化也非常明顯,并隨地聚合物摻入量的增加而減少。

2.2 養(yǎng)護(hù)條件影響分析

分別對3種養(yǎng)護(hù)條件下(溫度(20±2) ℃,相對濕度為(80±5) %的短降雨條件下;溫度為(20±2) ℃,相對濕度為(40±5) %的常溫條件下;溫度為(35±2) ℃,相對濕度為(80±5) %的溫暖條件下)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定,試驗(yàn)結(jié)果見圖2。不同養(yǎng)護(hù)條件與時(shí)間條件下混合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境和時(shí)間條件下試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3 不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境和時(shí)間條件下試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

據(jù)圖2可知,在養(yǎng)護(hù)前期,強(qiáng)度迅速提升。3種不同養(yǎng)護(hù)條件下,養(yǎng)護(hù)時(shí)間從7 d增加至28 d時(shí),抗壓強(qiáng)度分別提高了9.80%,12.28%,12.56%,而養(yǎng)護(hù)時(shí)間從28 d增加至60 d時(shí),抗壓強(qiáng)度僅提高了3.64%,4.55%,6.44%,表明超過28 d后,養(yǎng)護(hù)時(shí)間對強(qiáng)度影響較小。其原因?yàn)樵陴B(yǎng)護(hù)時(shí)間前28 d,高濃度電石渣與磺酸快速反應(yīng)生成水化硅酸鈣產(chǎn)物,此時(shí)強(qiáng)度提升較快,截止28 d,水化反應(yīng)基本完成,形成穩(wěn)定強(qiáng)度;28 d后,未反應(yīng)電石渣與磺酸質(zhì)量僅占初始原材料總質(zhì)量的一小部分,此時(shí)地聚合物反應(yīng)減緩,強(qiáng)度提升速度較28 d之前有所降低。此外,與普通粒料基層相比,摻入地聚合物后的試件表現(xiàn)出了更高的抗壓強(qiáng)度,如當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了104%,128%,176%,這是因?yàn)榈鼐酆衔镒鳛槟z結(jié)劑將骨料顆粒進(jìn)行膠結(jié)固化,實(shí)現(xiàn)骨料顆粒之間的團(tuán)聚和膠結(jié),從而提高整體強(qiáng)度。摻入地聚合物的混合物強(qiáng)度主要由2部分因素所決定:骨料本身的強(qiáng)度和地聚合物提供的額外強(qiáng)度。在較低的含水量下,地聚合物會失水收縮,產(chǎn)生顯著的骨料-地聚合物連接,此時(shí)顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度相對更高,對抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生正向影響。

與此同時(shí),養(yǎng)護(hù)溫度對地聚合物反應(yīng)也有很大影響,如在相同濕度條件下,養(yǎng)護(hù)溫度為35 ℃的試件28 d抗壓強(qiáng)度為2.33 MPa,較養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃的試件提高了38.69%。這是因?yàn)闇囟瑞B(yǎng)護(hù)促進(jìn)了地聚合物-骨料混合物中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),進(jìn)一步提高地聚合物聚合度,因此,抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度提高而顯著增加。影響地聚合物強(qiáng)度和特性最主要的因素是固化溫度,溫度越高,反應(yīng)物溶解速率越快,水化硅酸鈣凝膠的生成速度也相應(yīng)提高,因此高溫條件可以明顯提高地聚合物反應(yīng)速度。

圖3展示了軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系,在處理過的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中觀察到明顯的應(yīng)力峰值,隨著養(yǎng)護(hù)溫度的逐漸提高,峰值應(yīng)力隨之提升;而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后,軸向應(yīng)力逐漸下降,這在3種不同的養(yǎng)護(hù)條件下均表現(xiàn)出相同的變化趨勢。據(jù)圖3還可觀察到,隨著養(yǎng)護(hù)條件的不斷變化,即養(yǎng)護(hù)溫度的升高和相對濕度的降低,峰值應(yīng)力處對應(yīng)的軸向應(yīng)變逐漸減小。當(dāng)應(yīng)變越長,地聚合物反應(yīng)過程中,混合料的韌性越強(qiáng);同時(shí),當(dāng)?shù)鼐酆衔锓磻?yīng)發(fā)生顆粒重新排序時(shí),地聚合物通過增強(qiáng)顆粒間連接,進(jìn)而增加其延展性,同時(shí)控制其塑性變形來抑制裂紋的擴(kuò)展。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的不斷推移,混合料強(qiáng)度不斷增加,此時(shí)地聚合物脫水相互反應(yīng),從較軟的狀態(tài)逐漸硬化,地聚合物的黏結(jié)作用將骨料黏結(jié)成整體,此時(shí)混合料抗壓縮剪切能力明顯提高,強(qiáng)度提升。盡管在3種不同的養(yǎng)護(hù)條件下,模擬短降雨條件峰值應(yīng)力最小,但仍優(yōu)于對照組。這就表明,地聚合物薄膜的吸水率較低,因此水對其反應(yīng)產(chǎn)物和機(jī)械性能的影響較小。同時(shí),骨料與地聚合物之間的黏結(jié)損壞作用可能是由于地聚合物與骨料表面的親水基團(tuán)對濕度的高敏感性導(dǎo)致,從而使得同樣為20 ℃條件下,相對濕度為40%的地聚合物混合料峰值應(yīng)力更優(yōu)于相對濕度為80%的地聚合物。

2.3 混合比例影響分析

根據(jù)原材料種類不同,地聚合物前期反應(yīng)速率有所不同,常規(guī)條件下,3 d強(qiáng)度可達(dá)45%～60%,7 d強(qiáng)度可達(dá)70%,為了探究不同時(shí)間段內(nèi)地聚合物強(qiáng)度變化趨勢。在不同的稀釋條件及固液比條件下,對模擬室溫條件下養(yǎng)護(hù)固化3,7 d后的試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析,結(jié)果見圖4。

圖4 不同磺酸稀釋比例及不同固液比條件下3,7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖4可知,當(dāng)磺酸稀釋比例為300 mL/1 000 mL,且固液比為6∶4時(shí),混合料抗壓強(qiáng)度最高,3 d強(qiáng)度為1 388.9 kPa,7 d強(qiáng)度為1 986.33 kPa。A1組中,混合料在固液比為1時(shí)存在最大抗壓強(qiáng)度,且電石渣摻量低于50%時(shí),抗壓強(qiáng)度隨電石渣摻量增加而增加,電石渣摻量高于50%時(shí),抗壓強(qiáng)度隨電石渣摻量增加而降低。這可能是因?yàn)锳1組中磺酸稀釋比例較高,磺酸含量較少,此時(shí)電石渣的效果更加明顯,而在A4組中,磺酸稀釋比例最低,磺酸整體狀態(tài)較為黏稠,地聚合物中的泡沫更多,影響了Ca2+的溶解,從而導(dǎo)致水化硅酸鈣的生成物減少,雖然此時(shí)磺酸含量較高,但Ca2+的溶解度較低,硫酸鈣水泥的聚合度降低,進(jìn)而使得整體強(qiáng)度降低。

值得注意的是,在A2組中,磺酸稀釋比例為200 mL/1 000 mL,此時(shí)試件強(qiáng)度隨固液比的增加而增加。這可能是因?yàn)榇藭r(shí)溶液中磺酸濃度較A1組更高,當(dāng)電石渣含量增加時(shí),Ca2+溶解與硫酸鈣水泥反應(yīng)生成更加充分,因此強(qiáng)度不斷提升。

3 結(jié)語

本文通過系列室內(nèi)試驗(yàn),改變不同參數(shù)類別,評價(jià)了磺酸和電石渣在處理骨料作為粒料類基層的路用性能。研究結(jié)果如下。

1) 隨著地聚合物摻入比例的增加,軸向應(yīng)力不斷提高。但6%摻量和8%摻量條件下,應(yīng)力峰值與變化趨勢基本類似,綜合考慮,確定地聚合物最佳摻量為6%。

2) 對比模擬低降水條件到溫暖氣候條件下的所有養(yǎng)護(hù)試件結(jié)果,養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)間內(nèi)試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度迅速增加,28～60 d內(nèi)試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度雖然也有增加,但變化較緩;且對比未處理集料,添加地聚合物后,試件強(qiáng)度明顯高于未處理集料,7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了104%,128%,176%。

3) 在確定地聚合物摻配比例及養(yǎng)護(hù)條件后,改變磺酸稀釋比例,并調(diào)整固液比,確定磺酸稀釋比例為300 mL/1 000 mL,且固液比為6∶4時(shí),試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高,3 d強(qiáng)度為1 388.9 kPa,7 d強(qiáng)度為1 986.33 kPa。