新型粉煤灰激发剂在路面基层中应用的研究

董鹤 孙闯 岳嫣

1 概述

水泥是当今建筑业使用最为广泛的胶凝材料,但其生产过程中消耗了大量的土地资源和能量,同时对其周边环境造成了很大的污染。为了解决上述问题,近些年来一些具有水化活性的工业副产品,如粉煤灰、矿渣等按照一定的比例掺加到水泥中,既可以满足水泥使用的要求,又利用了大量的工业副产品,从而减小了其对周边环境的污染[1]。

研究表明,粉煤灰能与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次水化反应,但在常温下这种反应过程非常缓慢,使水泥早期强度过低,造成粉煤灰的利用率一直很低。大量的研究事实认为:粉煤灰的活性是“潜在”的,它需要一定条件的激发。这是因为:粉煤灰与水泥熟料等类的无机盐胶凝材料,在矿物组成、结构和性能方面,都有很大的不同,它本身没有胶凝性能。但是粉煤灰是具有一定潜在化学活性的火山灰材料,在常温、常压下和有水存在时,它所含的大量铝酸盐玻璃体中的活性组分,具有能与Ca(OH)2发生火山灰反应,并生成具有强度的胶凝物质,所以粉煤灰具有一定的胶凝性能。基于粉煤灰的潜在的活性,找到激发其活性的方法,使得粉煤灰的活性提早显现出来,将其掺入水泥中,部分替代水泥或是作为原料直接用于水泥的生产中,改善水泥早期强度。同时节约能源,减少环境污染[2]。

因此,本文对新型粉煤灰激发剂在水泥粉煤灰稳定风积砂作为路面基层材料中应用的研究是有现实意义和应用价值的。

2 试验原材料及性质分析

1)风积砂土的性质。试验中风积砂取于辽宁省阜新市彰武县。各项指标见表1。

表1 风积砂土的物理性质指标

2)粉煤灰性质。试验中粉煤灰取自阜新市发电厂的排灰。粉煤灰各项指标见表2。

表2 粉煤灰的化学组成 %

3)激发剂性质。本文采用吉林市天建材有限公司生产的JH-I型粉煤灰激发剂。激发剂技术指标如表3所示。

表3 激发剂技术指标 %

3 试验研究

本文选取水泥、粉煤灰、碎石、风积砂土作为影响因素,并根据均匀设计表安排试验,进行路面基层稳定土的击实试验和无侧限抗压强度试验,试验结果见表4。

表4 稳定土测量结果综合表

4 试验数据的回归优化

本文的试验采用均匀设计理论,有四个影响因素,属于多因素试验,回归分析是一项非常重要的工作。均匀设计的布点法是使试验点在多维空间中均匀分布,但不具有正交设计的整齐可比性,无法对数据进行直观分析,需借助于软件建立模型[4]。本文中分别采用SPSS软件进行回归分析。

通过SPSS软件中的逐步回归分析方法,用 x1表示水泥用量,x2表示粉煤灰用量,x3表示碎石用量,x4表示风积砂用量,Rc7表示7 d无侧限抗压强度,得到如下的回归方程与回归参数:

Rc7=0.052 367 941-0.002 026 466x1+0.000 418 457x2+0.017 007 834x3-0.007 252 504x4+0.000 000 487 727x1×x2+0.000 002 328 46x1×x3+0.000 000 537 486x1×x4-0.000 002 660 51x12+0.000 000 982 441x22-0.000 003 373 87x32+0.000 000 537 393x42(1)

R squared=1-Residual SS/Corrected SS=0.980 73。

经过分析研究,我们选取了无侧限抗压强度和回弹模量都能满足要求的第9组试验的配合比作为水泥粉煤灰稳定风积砂的最佳配合比:水泥(g)∶粉煤灰(g)∶碎石(g)∶风积砂(g)=10%∶4%∶30%∶55%。

5 对比试验

5.1 对比试验安排

为了更好地研究分析该新型粉煤灰激发剂的激发效果,这里又进行了几组对比试验。即对某一组试验,水泥、粉煤灰、碎石、风积砂土的用量不变,改变激发剂的用量,进行无侧限抗压强度试验,对比其强度大小。同时,将粉煤灰换成同等用量的水泥,其余材料用量不变(不加激发剂),测定其无侧限抗压强度,与加入粉煤灰的试样进行比较。这里需要注意的是,在添加激发剂的试验中,令激发剂充分溶解后再击实成形,使激发剂的激发效果可以充分发挥。

5.2 对比试验结果

试验结果见表5。

表5 对比试验结果 MPa

5.3 对比试验结论

1)不添加激发剂时(每组序号为1的项),粉煤灰的活性没有被充分发挥,主要充当胶凝材料的为水泥,与加入激发剂的试样相比抗压强度低;

2)加入部分激发剂时(每组序号为2的项),与不加激发剂相比,试样抗压强度有明显增加,表明粉煤灰的潜在活性被有所激发,表现出胶凝性能;

3)继续增加激发剂用量(每组序号为3,4,5,6的项),试样抗压强度也随之增长,当激发剂添加到0.8%时,抗压强度基本达到最高,再继续增加用量,抗压强度无明显变化,表明此时用量为最佳掺量,达到该激发剂激发粉煤灰活性的最好效果。

6 结语

1)对原材料水泥、粉煤灰、激发剂、碎石和风积砂土等性质进行分析。粉煤灰具有潜在活性,用激发剂来激发其活性,达到部分替代水泥的目的;

2)运用均匀设计理论,选用均匀设计表U12(124)确定试验配合比,以水泥、粉煤灰、碎石和风积砂四个变量作为影响因素,激发剂用量为推荐用量。进行击实后将试件养生7 d,得到抗压强度试验结果,试验中易造成激发剂不充分溶解,而影响试件强度,此外可能也与激发剂的激发效果有关。运用SPSS软件进行回归分析能达到较好结果,对实际工程施工有一定的指导意义。因此,在缺乏天然砂粒的风积砂地区应用水泥粉煤灰来稳定风积砂作为路面基层材料,可以做到就地取材,降低工程造价;

3)对激发剂用量进行对比试验,得到激发剂的最佳掺量,并将最佳掺量的抗压强度与将粉煤灰替换为同等用量的水泥进行对比,发现强度相差较小,表明激发剂可达到较好的激发效果。

[1] 向 新.我国粉煤灰利用研究的进展[J].粉煤灰综合利用,1999(2):50-53.

[2] 方军良,陆文雄,徐彩宣.粉煤灰的活性激发技术及机理研究进展[J].上海大学学报(自然科学版),2002(3):256-259.

[3] 智翠梅.均匀设计及优化[J].均匀设计及优化,2007(3):7-10.

[4] 徐培华,王安玲.公路工程混合料配合比设计与试验技术手册[M].北京:人民交通出版社,2001.