再生矿渣胶结料稳定混合料强度研究.pdf

对再生骨料替换率为 60%、80%和 100%的矿渣和水泥胶结料稳定混合料进行强度试验研究。结果表明,与同条件的水泥相比,使用矿渣胶结料的再生混合料 7 d 的无侧限抗压强度可提高 75%以上,间接拉伸强度可提高 50%以上;在矿渣胶结料用量为4.0%时,再生骨料为100%的试件强度可达到 5.1 MPa,满足高速公路和一级公路路面基层重交通强度要求。关键词:矿渣胶结料;再生骨料;再生混合料;强度中图分类号:U 414 文献标识码:A引言近年来,再生水泥稳定混合料作为道路基层材料已经被认可和应用,但是随着再生骨料用量的增加,水稳碎石的强度逐渐下降1-2。为进一步增加再生骨料的使用,许多学者研究了替代率为 100%时水稳碎石的力学强度,徐驰3在 P 42.5 水泥用量为 4.0%、5.0%和 6.0%时测得其 7 d 无侧限抗压强度为 3.5 MPa、4.1 MPa 和 4.4 MPa;李清富等4使用同样比例的水泥测得强度为 3.5 MPa、4.3 MPa 和 5.0 MPa。从数据上看,要达到高速公路和一级公路路面基层重交通强度 4.0 6.0 MPa的要求5,水泥用量须在 5%以上。但高用量的水泥会使材料干缩量增加,容易出现裂缝,同时水泥生产过程碳排放量高,环境污染大。试验拟采用新型高活性激发剂来激发粒化高炉矿渣的活性,让活性组分与熟料、石膏反应,生成高强度水化产物,从而制备出力学性能优异、耐腐蚀的新型矿渣胶凝材料。由于大量使用粒化高炉矿渣(80%),且不含高水化放热矿物 C3S 和 C3A,其水化放热量远小于 P O 水泥,所以该胶结料具有极低的碳排放,约为 80 kgt-1,仅为 PO 42.5 水泥的10%15%。1 试验与材料1.1 矿渣胶结料该原料来自于北京智华通科技有限公司,如图 1 所示,由 20%激发剂和 80%高炉矿渣粉混合而25Research&Application of Building Materials成,其基本性能见表 1。图 1 矿渣胶结料表 1 矿渣胶结料性能指标检测结果试验项目比表面积/m2 kg-1抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 凝结时间/min3 d28 d3 d28 d初凝终凝规定值30017.0 42.53.56.5180360实测值44722.445.84.912.1182370 注:规定值来自于 GB 1752007通用硅酸盐水泥 通过表中数据可知,所使用矿渣胶结料初凝和终凝时间符合标准,抗压强度和抗折强度合格,各项性能指标符合 JTG/T F202015公路路面基层施工技术细则的要求5,可以使用。为了进一步探究矿渣胶结料的水化性能,对其水化产物进行电镜扫描,结果如图 2 所示。图 2 电子显微镜扫描图图 2(a)中可以看到,存在错综复杂的网状和席状组织,并有成簇的倾向,像杂乱的纤维结构,这是典型的 C-S-H(水化硅酸钙)凝胶体,同时图中有六方薄板层状的晶体,呈不太规则的形状甚至大的板状堆积形状,这是 Ca(OH)2晶体。图 2(b)中,存在大量的六方棱柱体和针棒状晶体,棱面清晰,说明水化物中含有钙矾石。从微观形貌可以看出,该矿渣胶结料水化产物致密,有不规则的结晶体,晶粒大小不一,联结紧密。1.2 水泥试验所用水泥为苏州天山牌 P O 42.5 水泥,检测其安定性、抗压强度、抗折强度和凝结时间等性能指标见表 2。表 2 水泥性能指标检测结果试验项目比表面积/m2 kg-1安定性/mm抗压强度/MPa抗折强度/MPa 凝结时间/min3 d28 d3 d28 d初凝终凝规定值3005.0 17.0 42.5 3.5 6.5 180360实际值3551.025.048.84.77.1324405 注:规定值来自于 GB 1752007通用硅酸盐水泥 通过表中数据可知,所水泥凝结时间和安定性合格,且各项性能指标符合 JTG/T F202015 要求5,可以使用。1.3 骨料所选再生骨料和天然骨料来源于苏州新亿泰建材有限公司,其基本性能指标均满足 JTG/T F202015 要求5,具体见表 3 和表 4。表 3 再生骨料性能检测结果骨料粒径/mm针片状含量/%表观密度/g cm-3吸水率/%压碎值/%含泥量/%粗9.531.57.711.797.6114.940.73中4.7519.06.612.349.5218.780.27细04.75 2.7910.81 JTG/T F202015要求301 表中“”为不需要检测的数据表 4 天然骨料性能检测结果骨料粒径/mm针片状含量/%表观密度/g cm-3吸水率/%压碎值/%含泥量/%粗9.531.514.761.952.1813.350.20中4.7519.05.392.412.8815.670.93细04.75 2.863.44 JTG/T F202015要求15301 表中“”为不需要检测的数据1.4 级配设计选择 3 个级配再生骨料与水泥配料,其中再生骨料替换率为 60%、80%和 100%,编号分别为RCA60、RCA80 和 RCA100。作为对比,选择 3 个相同级配的再生骨料与矿渣胶结料配料,再生骨料替换率同为 60%、80%和 100%,编号为 SCA60、SCA80和 SCA100,采用的 3 个合成级配如图 3 所示。图 3 再生骨料合成级配曲线击实试验选取了 3 个不同的胶结料用量,分别35建材技术与应用 4/2023为 4.0%、4.5%和 5.0%,使用内掺法对各个级配进行击实试验,得到不同胶结料用量的最大干密度和最佳含水量,如图 4 和图 5 所示。图 4 再生混合料最大干密度图 5 再生混合料最佳含水量由图可以看出,矿渣胶结料用量越多,最佳含水率越大,最大干密度越大;再生骨料用量越多,最佳含水率变大,最大干密度变小。从数据上分析,在再生骨料替换率为 60%时,矿渣胶结料试件比水泥试件干密度最大增长为 3.0%,最佳含水率最大增长为 2.8%;在再生骨料替换率为 80%和 100%时,这两个值分别为 4.9%、21.1%和 4.7%、8.0%,增长呈现出先变大再变小的趋势,在再生骨料替代率为80%时达到了峰值。2 结果与讨论2.1 无侧限抗压强度按照 JTG E512009公路工程无机结合料稳定材料试验规程6中 T0843-2009、T0845-2009 和T0805-1994 相应的试验方法对试件进行制作、养护和无侧限抗压强度试验,结果如图 6 所示。图 6 不同胶结料用量的再生混合料抗压强度从图中可以看出,随着胶结料用量的增多,再生混合料的 7 d 无侧限抗压强度呈逐渐增长状态,当胶结料用量从 4.0%增大到 4.5%时,矿渣胶结料试件的强度增长为 46.3%62.7%,而水泥试件为20.7%26.5%;当胶结料用量从 4.5%增大到5.0%时,矿渣胶结料和水泥试件强度增长范围分别为 2.4%11.4%和 11.6%21.6%。矿渣胶结料试件的强度增幅为先大后小,而水泥试件正好相反,呈现出先小后大的规律。从 7 d 无侧限抗压强度数据分析,在 4.0%的胶结料 用 量 下,SCA60、SCA80 和、SCA100 相 对 于RCA60、RCA80、RCA100 强度增加了 78.8%、80.0%和 75.9%;在 4.5%的胶结料用量下分别增加了104.7%、113.5%和 137.1%;在 5.0%的胶结料用量下分别增加了 89.6%、95.6%和 102.4%。矿渣胶结料试件强度远大于水泥试件强度。另外,在矿渣胶结料含量为 4.0%时,再生骨料替代率为 100%的试件强度达到了 5.1 MPa,展现出良好的力学性能。2.2 间接抗拉强度通过击实试验确定的最佳含水量和最大干密度重新制备各级配和各胶结料用量的试件,在标准养护后进行 7 d 间接抗拉强度试验,试验结果如图 7所示。图 7 不同胶结料用量下再生混合料的间接抗拉强度分析图 7 中数据可知,矿渣胶结料各用量下的试件间接抗拉强度均大于水泥试件,在 4.0%的胶结料 用 量 下,SCA60、SCA80 和 SCA100 相 对 于RCA60、RCA80、RCA100 强度增加了 53.8%、82.1%和 95.5%;在 4.5%的胶结料用量下分别增加了67.9%、121.2%和 176.0%;在 5.0%的胶结料用量下分别增加了 62.5%、102.6%和 150.0%,可见矿渣胶结料的强度更高。分析图 7 还可知,矿渣胶结料试件在用量从4.0%增加到 4.5%时,试件强度最大增幅为 60.4%;继续增大到 5.0%时,试 件 强 度 最 大 增 幅 仅 为8.2%,呈先大后小的规律,增幅明显减缓。因此,在45Research&Application of Building Materials使用矿渣胶结料再生骨料施工道路基层时,矿渣胶结料并不是用量越多越好,应 4.5%,以 4.0%为宜。2.3 拉压强度比值材料抗拉强度与抗压强度的比值即为拉压强度比(以下简称拉压比)。拉压比是反映材料脆性和延性的指标之一,拉压比越大,代表混凝土的延性越好,脆性越差。试件的7 d 间接抗拉强度与7 d 无侧限抗压强度比值如图 8 所示。图 8 不同胶结料用量下再生混合料的拉压比可以看出,随着两种胶结料用量的增加,试件的无侧限抗压强度会相应增大,其间接抗拉强度也会增大,但拉压比会逐渐减小,脆性随之增加,延性减小。在胶结料相同用量下,再生骨料替换率为 60%的再生混合料中,矿渣胶结料试件拉压比小于水泥试件,但是在替换率为 80%和 100%再生混合料中,矿渣胶结料试件拉压比均大于水泥试件,在高替代率再生骨料中,矿渣胶结料试件表现出了更好的延性。3 结论3.1 矿渣胶结料能大幅度提高再生混合料的强度。其中,7 d 无侧限抗压强度提高 75%以上,间接拉伸强度提高 50%以上。3.2 在胶结料高用量的再生混合料中,矿渣胶结料试件较之水泥试件表现出更好的延性。3.3 在矿渣胶结料用量为 4.0%时,再生骨料替代率为 100%的试件强度能满足高速公路和一级公路重型交通路面基层强度要求。参考文献:1 CAI X,WU K H,HUANG W K,et al.Application of recycled concrete aggregates and crushed bricks on permeable concrete road base J.Road Materials and Pavement Design,2020:1-16.2 田源,牛冬瑜.铣刨料掺量及掺配方式对再生水稳碎石路用性能的影响J.长安大学学报:自然科学版,2020,40(4):39-49.3 徐驰.利用再生集料的半刚性基层抗裂性能研究D.广州:华南理工大学,2012.4 LI Q F,HU J.Mechanical and durability properties of cement-stabilized recycled concrete aggregate J.Sustainability,2020,12(18):1-18.5 JTG/T F202015,公路路面基层施工技术细则S.北京:人民交通出版社,2015.6 JTG E512009,公路工程无机结合料稳定材料试验规程S.北京:人民交通出版社,2009.Study on Strength of Stable Mixture of Recycled Slag CementZHANG He,SONG Chang-qing,YAO Jun(Suzhou Xinyitai Building Materials Co.,Ltd.,Suzhou,Jiangsu,215143,China)Abstract:A strength test study was carried out on the stable mixture of slag and cement binder with replacement rates of 60%,80%and 100%of recycled aggregate.The results show that the unconfined compressive strength and the indirect tensile strength of the recycled mixture using slag cement can be increased by more than 75%and 50%,respectively,compared with those of the cement under the same condition.When the amount of slag cement is 4.0%,the strength of the specimen with 100%recycled aggregate can reach 5.1 MPa,which meets the requirements of heavy traffic intensity of highway and first-class highway pavement.Key words:slag binder;recycled aggregate;recycled mixture;mechanical strength作者简介:张翯(1979-),男,贵州印江人,高级工程师,硕士,2003 年 6 月本科毕业于苏州科技大学土木工程专业,2018 年 6 月硕士研究生毕业于湖北工业大学建筑与土木工程专业,现从事建筑材料及其应用方面的研究工作。收稿日期:2023-03-21(编辑 赵海晋)55建材技术与应用 4/2023