于濱，陳德勇，李沛青，李帥君，李一林，賈致榮

(1. 山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049；2. 山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；3. 山東九強集團有限公司，山東 淄博 255000)

堿激發(fā)材料(alkali-activated material, AAM)是近年被研究用于取代水泥的一種綠色膠凝材料。AAM主要由含鋁硅酸鹽煅燒天然礦物或工業(yè)廢渣和堿性激發(fā)劑組成,與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相比,AAM具有凝結(jié)硬化快、能耗低、強度高、二氧化碳排放量低和耐高溫等特點[1-3]。

膠凝材料摻量是決定穩(wěn)定材料性能主要因素之一,已有大量研究報道膠凝材料摻量對穩(wěn)定材料性能的影響。研究表明,隨著水泥摻量的增加,水泥穩(wěn)定碎石強度增加,但裂縫數(shù)量也隨之增加[4-8]。Luo等[9]、Zhou等[10]研究了AAM摻量對AAM穩(wěn)定土強度的影響,研究結(jié)果表明適宜AAM摻量的AAM穩(wěn)定土的強度優(yōu)于水泥穩(wěn)定土。Huang等[11]研究了氟石膏基膠凝材料摻量對氟石膏基膠凝材料穩(wěn)定污泥強度的影響,結(jié)果表明當氟石膏基膠凝材料摻量為19%時,穩(wěn)定材料的14 d強度可達到4.7 MPa。Huang等[12]研究了AAM對鉻鐵礦廢渣的穩(wěn)定效果及最佳AAM摻量,研究結(jié)果表明最佳AAM摻量下的AAM穩(wěn)定鉻鐵礦廢渣性能優(yōu)于水泥鉻鐵礦廢渣。張立力等[13]研究了膠凝材料摻量對鹽漬土的穩(wěn)定效果,研究結(jié)果表明隨膠凝材料摻量的增加,穩(wěn)定材料的強度隨之增加,且高鎂鎳渣-磷石膏基膠凝材料穩(wěn)定鹽漬土的性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定土。

上述研究表明膠凝材料用量是影響穩(wěn)定材料性能的重要因素,且由于AAM的優(yōu)越性能,AAM已逐漸被應(yīng)用于穩(wěn)定土、穩(wěn)定廢渣中,但在穩(wěn)定碎石中的應(yīng)用較少,膠石比對AAM穩(wěn)定碎石強度和收縮性能的影響尚未明確。本文通過利用鈦石膏、赤泥、礦渣和級配碎石制備AAM穩(wěn)定碎石,測定其在不同膠石比下的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、軟化系數(shù)和干縮系數(shù),并進行SEM和XRD測試分析AAM的水化產(chǎn)物,為利用鈦石膏等固廢制備AAM并用于道路工程奠定基礎(chǔ)。

1 原材料

1.1 鈦石膏

取自山東金虹鈦白化工有限公司的堆場,呈紅黃色,含水量(質(zhì)量分數(shù))約為20%,pH值接近中性,化學組見表1。

1.2 礦渣

取自河北靈壽縣,主要成分為硅鋁酸鹽,化學組成見表2。

1.3 赤泥

取自山東鋁業(yè)公司,呈紅色,含水量約為20%,化學組成見表3。

表1 鈦石膏的化學組成 單位:%

表2 礦渣的化學組成 單位:%

表3 赤泥的化學組成 單位:%

1.4 硅酸鈉

購買自山東淄博華通化學試劑有限公司,Na2SiO3·9H2O,分析純,白色塊狀。

1.5 碎石

取自山東淄博鼎泰新材料科技有限公司,最大粒徑為26.5 mm,級配采用《公路路面基層施工技術(shù)細則》(JTG/T F20—2015)推薦的級配C-C-3的中值。

2 試驗方法

2.1 擊實試驗

AAM穩(wěn)定碎石的擊實試驗采用丙法擊實,擊實試驗的操作流程按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)T0804—1994執(zhí)行。

2.2 無側(cè)限抗壓強度

無側(cè)限抗壓強度試驗流程按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)T0805—1994執(zhí)行。

2.3 劈裂強度

劈裂強度試驗流程按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)T0806—1994執(zhí)行。

2.4 軟化系數(shù)

鈦石膏是AAM的主要成分之一,其含水量高,吸水易變軟,水穩(wěn)定性較差,且在AAM穩(wěn)定碎石材料中,AAM大摻量加入,因此有必要對材料的水穩(wěn)定進行測試。軟化系數(shù)計算公式為

(1)

式中:K為軟化系數(shù);f為浸水養(yǎng)護的無側(cè)限抗壓強度,MPa;F為標準養(yǎng)護的無側(cè)限抗壓強度,MPa。

2.5 干縮性能

干縮試驗操作流程按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)T0854—2009執(zhí)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 擊實試驗

通過擊實試驗得到的各膠石比下AAM穩(wěn)定碎石和水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度和最佳含水率見表4。

表4 不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的最大干密度和最佳含水率

3.2 無側(cè)限抗壓強度

AAM穩(wěn)定碎石經(jīng)標準養(yǎng)護和浸水養(yǎng)護7 d和28 d后在不同膠石比下的無側(cè)限抗壓強度強度如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出,在標準養(yǎng)護條件下,膠石比為5∶95的AAM穩(wěn)定碎石試件的無側(cè)限抗壓強度為3.5 MPa,明顯低于其他膠石比制備的試件,其僅滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》(JTG/T F20—2015)對二級及二級以下等級公路的重交通水泥穩(wěn)定碎石基層3～5 MPa的強度下限要求,這是由于AAM含量較少而級配碎石較多,此時試件的強度主要依靠碎石之間嵌擠形成的骨架來提供,AAM的數(shù)量不足以填充骨架間的空隙,導致試件總體強度較低;當膠石比增加到10∶90時,AAM穩(wěn)定碎石的強度達到了二級及二級公路以下極重、特重交通的下限,但未能超過上限;當膠石比增加到15∶85時,AAM穩(wěn)定碎石的強度超過了水泥穩(wěn)定材料路面基層的7 d強度標準,且隨著膠石比的進一步增大,后續(xù)膠石比的AAM穩(wěn)定碎石強度均超過了基層水泥穩(wěn)定材料的7 d強度標準,這是由于隨著膠石比的增大,AAM的含量逐漸增多,AAM充分填充在碎石形成的骨架空隙中形成骨架密實結(jié)構(gòu),因此AAM穩(wěn)定碎石的早期強度較高。

圖1 不同膠石比的AAM穩(wěn)定碎石養(yǎng)護7 d無側(cè)限抗壓強度

圖2 不同膠石比的AAM穩(wěn)定碎石養(yǎng)護28 d無側(cè)限抗壓強度

從圖2可以看出,標準養(yǎng)護28 d后,膠石比為25∶75的AAM穩(wěn)定碎石試件的無側(cè)限抗壓強度可以達到22.1 MPa,明顯高于其他組試件,可能是由于膠凝材料含量較多且聚合反應(yīng)充分進行,生成了更多且強度更高的凝膠產(chǎn)物,將試件內(nèi)部孔隙填滿,使試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)更緊密,有利于提高試件的后期強度。結(jié)合圖1和圖2可以看出,養(yǎng)護28 d后的試件強度明顯高于養(yǎng)護7 d的試件強度,各膠石比下標準養(yǎng)護28 d的試件較之養(yǎng)護7 d的強度分別增加了208.57%、134.48%、103.61%、94.29%和81.15%,這是由于隨著養(yǎng)護齡期的增加,試件內(nèi)部的硅鋁離子充分進行聚合反應(yīng),生成了更多的凝膠產(chǎn)物,充分填充了骨架間的空隙,使試件結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)更緊密,有利于強度的提高。從圖1和圖2還可以看出浸水養(yǎng)護后的強度在總體上低于標準養(yǎng)護的強度,各膠石比下浸水養(yǎng)護28 d的試件較之養(yǎng)護7 d的強度分別增加了240%、155.1%、117.72%、100%和73.27%。從圖2還可以看出,隨著膠石比的增加,AAM穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度也隨之增加,這是由于隨著膠凝材料含量的增加,在堿性環(huán)境中能更快的分解出硅鋁離子,能生成更多的水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石等產(chǎn)物[14-16],且生成凝膠的速度更快,充分填充試件內(nèi)部,能明顯提高試件的強度。

3.3 劈裂強度

不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的劈裂強度如圖3所示。從圖3可以看出,AAM穩(wěn)定碎石的劈裂強度隨膠石比的增加而不斷上升,7 d劈裂強度在膠石比為25∶75時達到0.79 MPa,同時劈裂強度也隨著齡期的增加而不斷增加,各膠石比下的劈裂強度分別增加了25%、30.19%、31.25%、29.58%和27.85%。

圖3 不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的劈裂強度

3.4 水穩(wěn)定性

AAM穩(wěn)定碎石在不同膠石比下的7 d和28 d軟化系數(shù)如圖4所示。

圖4 不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的軟化系數(shù)

由圖4可以看出,養(yǎng)護7 d的AAM穩(wěn)定碎石的軟化系數(shù)隨膠石比的增加呈先增加后減小的趨勢,軟化系數(shù)在膠石比為15∶85時出現(xiàn)峰值。養(yǎng)護7 d的試件隨著AAM含量的增加,AAM充分填充試件內(nèi)部空隙,使試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密,試件的水穩(wěn)定性顯著增加,故軟化系數(shù)呈先上升的趨勢,但當AAM含量超過15%時,鈦石膏的摻量超過界限,開始對試件的水穩(wěn)定性產(chǎn)生不良效應(yīng),故試件的水穩(wěn)定性開始逐漸下降,軟化系數(shù)后呈下降的趨勢。除了膠石比在15∶85至20∶80之間的AAM穩(wěn)定碎石的軟化系數(shù)大于0.85外,其他膠石比試件的軟化系數(shù)均小于0.85,說明AAM穩(wěn)定碎石在膠石比為15∶85至20∶80之間的水穩(wěn)定性較好。

從圖4還可以看出,養(yǎng)護28 d試件的軟化系數(shù)也隨著膠石比的增大呈先增大后減小的趨勢,峰值同樣出現(xiàn)在膠石比為15∶85處,與7 d水穩(wěn)定性的結(jié)果相同,說明該膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的水穩(wěn)定性最優(yōu)。除膠石比為5∶95和25∶75試件為0.79略低于要求的0.85外,其他各組試件的軟化系數(shù)均大于0.85,說明養(yǎng)護28 d后試件的水穩(wěn)定性整體較好。與養(yǎng)護7 d試件的軟化系數(shù)相比,養(yǎng)護28 d試件的軟化系數(shù)大部分有所提高,因此28 d的耐水性能較好,這是由于隨著養(yǎng)護齡期的增加且試件持續(xù)吸水,試件內(nèi)部水化反應(yīng)更充分的進行,水化產(chǎn)物使結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙被填滿,各組分之間聯(lián)結(jié)更加緊密,耐水性能有所提高。

3.5 干縮性能

圖5為不同膠石比的AAM穩(wěn)定碎石在不同時間下的失水率。從圖5可以看出,各個膠石比的AAM穩(wěn)定碎石的失水率變化趨勢基本一致,都是隨著時間的增加,失水率總體呈上升趨勢,且在前期增長較快,后期增長緩慢,這是由于前期試件內(nèi)部含水率高,但AAM水化反應(yīng)程度低且受外部環(huán)境影響使得試件內(nèi)部水分散失的較快。從圖5還可以看出,隨著膠石比的增加,AAM穩(wěn)定碎石的失水率也隨之下降,膠石比為5∶95試件的失水率明顯高于其他膠石比試件的,這是因為膠石比為5∶95試件的碎石含量較多而AAM含量較少,碎石嵌擠間的孔隙較多,AAM含量不足以填充孔隙,使得孔隙內(nèi)部自由水容易流失,因此失水率較大。隨著膠石比的增加,試件內(nèi)部的孔隙變少,自由水不易流失,故失水率隨之下降。

圖5 不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石在不同時間下的失水率

圖6為不同膠石比的AAM穩(wěn)定碎石在不同時間下的干縮系數(shù)。從圖6可以看出,隨著膠石比的增加,AAM穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)也隨之增加,這是因為在AAM摻量較少時,材料的強度可以對干縮變形起到一定限制作用,故干縮系數(shù)較小,但隨著AAM含量的增加,AAM穩(wěn)定碎石的強度和干縮變形也隨之增加,此時收縮作用大于強度對變形的限制作用,故干縮系數(shù)隨之變高。從圖6還可以看出,各個膠石比的AAM穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)變化趨勢基本相同,都是在前期干縮系數(shù)增長較快。后期基本持平甚至有所下降,這是因為早期試件內(nèi)自由水容易流失且早期試件內(nèi)部水化反應(yīng)還在初期,水化產(chǎn)物生成較少對試件內(nèi)部產(chǎn)生變形的約束效果較弱導致前期干縮系數(shù)增長較快。隨著水化反應(yīng)的進行,膠凝體系不斷生成鈣礬石等水化產(chǎn)物,鈣礬石具有膨脹作用,對試件內(nèi)部的變形起到較強的限制作用[15-16],且試件內(nèi)自由水基本散失完導致干縮系數(shù)的增長基本平緩甚至下降。

圖6 不同膠石比下AAM穩(wěn)定碎石在不同時間下的干縮系數(shù)

通過各膠石比下AAM穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度試驗結(jié)果可以確定,AAM穩(wěn)定碎石的膠石比越大,強度越優(yōu)。通過水穩(wěn)定性試驗結(jié)果可以確定,AAM穩(wěn)定碎石的膠石比應(yīng)在15∶85～20∶80范圍之間。通過干縮性能試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),膠石比為20∶80的試件的干縮系數(shù)大于膠石比15∶85的。綜合無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、水穩(wěn)定性、干縮性能等試驗結(jié)果確定,本試驗中AAM穩(wěn)定碎石的最優(yōu)膠石比為15∶85。

3.6 AAM穩(wěn)定碎石強度機理分析

3.6.1 XRD分析

利用X射線照射對AAM發(fā)生水化的水化產(chǎn)物進行分析,AAM在7 d和28 d齡期下的XRD圖如圖7所示。

圖7 AAM在不同養(yǎng)護齡期下的XRD圖

從圖7可以看出,AAM在7 d和28 d下的衍射峰圖譜的整體走向趨勢一致,說明AAM在養(yǎng)護期間的水化產(chǎn)物基本相同,經(jīng)分析AAM的水化產(chǎn)物主要是CaSO4·2H2O、鈣礬石和C-S-H。對比7 d和28 d的圖譜來看可以發(fā)現(xiàn),養(yǎng)護7 d試件的CaSO4·2H2O的峰強度明顯比28 d的高,這是因為養(yǎng)護7 d時,只有部分鈦石膏參與水化反應(yīng),但隨著養(yǎng)護齡期的增加,鈦石膏持續(xù)進行水化反應(yīng)而被消耗,所以養(yǎng)護28 d的鈦石膏的峰強相對較低。7 d圖譜中已經(jīng)存在鈣礬石和C-S-H的衍射峰,但鈣礬石峰強相對較高,說明早期主要依靠鈣礬石提供早期強度,28 d圖譜中的鈣礬石和C-S-H的峰強明顯有所提高,說明在此過程中鈣礬石和C-S-H大量生成,為試件提供后期強度保證。

3.6.2 SEM分析

借助SEM掃描電鏡可以觀察到AAM試件的微觀形貌,AAM在7 d和28 d齡期下的SEM圖如圖8和圖9所示。

圖8為養(yǎng)護7 d的試件在不同放大倍數(shù)下的微觀形貌。從圖8a放大2 000倍的電鏡圖中可以看出,7 d養(yǎng)護齡期的試件中存在較多的孔洞、微裂縫以及未參與水化反應(yīng)的板狀鈦石膏;從圖8b放大5 000倍的電鏡圖中可以看出,此時已有部分針棒狀鈣礬石、絮狀水化硅酸鈣生成,還有部分外漏的鈦石膏;繼續(xù)放大至10 000倍可以看到鈣礬石夾雜在板狀石膏的縫隙中,水化硅酸鈣凝膠粘附在膏體上;最后放大至20 000倍,可以清楚地觀察到鈣礬石穿插在板狀的石膏之間,絮狀凝膠物質(zhì)附著在石膏表面且存在較多空隙。

(a)2 000倍 (b)5 000倍

圖9為養(yǎng)護28 d的試件的微觀形貌,從圖9a放大2 000倍的電鏡圖中可以看出,28 d養(yǎng)護齡期的試件中存在的孔洞數(shù)和微裂縫數(shù)較之7 d試件的少很多,且可以看到膏體表面覆蓋著大量的水化產(chǎn)物,基本看不到完整的板狀鈦石膏,這表明隨著養(yǎng)護齡期的增加,AAM內(nèi)部水化反應(yīng)更加充分的進行,生成更多的鈣礬石等水化產(chǎn)物將孔洞填充,提高了試件的強度;從圖9b放大5 000倍的電鏡圖中可以看出,此時已有較多針棒狀鈣礬石和絮狀水化硅酸鈣生成,同時還有少部分外漏的鈦石膏;繼續(xù)放大至10 000倍可以看到鈣礬石夾雜在板狀石膏的縫隙中,較多的水化硅酸鈣凝膠粘附在石膏上,形成了致密的結(jié)構(gòu),基本看不到孔洞;最后放大至20 000倍,可以清楚地觀察到鈣礬石穿插在板狀的石膏之間,絮狀凝膠物質(zhì)附著在石膏表面,結(jié)構(gòu)相比于7 d試件的更加緊密,這表明隨著養(yǎng)護齡期的增加,試件內(nèi)部生成了更多的將各組成緊密相連的水化硅酸鈣等產(chǎn)物,使試件內(nèi)部更加聯(lián)結(jié)緊密而均勻。

3.6.3 強度形成機理

AAM穩(wěn)定碎石在強度形成過程中內(nèi)部不斷發(fā)生著物理和化學作用。物理作用主要是機械壓實作用,AAM穩(wěn)定碎石在機械壓實作用下,混合料內(nèi)部成分不斷密實,內(nèi)部空隙中的空氣被不斷擠出,從而空隙減小,此時粗細骨料緊密接觸并嵌擠形成骨架;同時AAM填充了混合料骨架之間的空隙,產(chǎn)生了微填充效果,提高了混合料內(nèi)部的致密性和穩(wěn)定性[17]?；瘜W作用主要是AAM的水化作用,據(jù)SEM和XRD分析結(jié)果可知,隨著養(yǎng)護時間的增加,水化反應(yīng)在AAM中逐漸進行,不斷生成鈣礬石和C-S-H凝膠,這些致密的凝膠材料填充了混合料內(nèi)部孔隙;其次,C-S-H凝膠的形成加強了混合料內(nèi)部各成分間的聯(lián)結(jié),提高了試樣的強度和致密性。

4 結(jié)論

1)當膠石比在5∶95～25∶75的范圍內(nèi)時,AAM穩(wěn)定碎石的7 d和28 d的無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度均隨膠石比的增大而增大, AAM穩(wěn)定碎石的7 d無側(cè)限抗壓強度最大可達到12.2 MPa,28 d抗壓強度可達到22.1 MPa,7 d劈裂強度最大可達到0.79 MPa,28 d劈裂強度最大可達到1.01 MPa。

2)養(yǎng)護7 d和28 d的AAM穩(wěn)定碎石的軟化系數(shù)均隨膠石比的增大呈先增加后減小的趨勢,在膠石比為15∶85時出現(xiàn)峰值,養(yǎng)護7 d時,膠石比為15∶85、20∶80的試件水穩(wěn)定性較好;養(yǎng)護28 d時,膠石比為10∶90、15∶85及20∶80的試件水穩(wěn)定性較好,養(yǎng)護28 d試件的水穩(wěn)定性優(yōu)于7 d。

3)在同一膠石比下,隨著養(yǎng)護齡期的增加,AAM穩(wěn)定碎石的失水率隨之增加,干縮系數(shù)也隨之增加,且在前期增加迅速,后期增長平緩甚至下降;在同一齡期下,隨著膠石比的增加,AAM穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)也隨之增加,失水率隨之下降。

4)綜合無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、水穩(wěn)定性、干縮性能等試驗結(jié)果確定,本試驗中AAM穩(wěn)定碎石的最佳膠石比為15∶85。

5)膠凝材料水化產(chǎn)物主要為鈣礬石和C-S-H,且隨著養(yǎng)護齡期的增長,水化產(chǎn)物不斷生成,為材料的強度增長提供了保障。