水泥稳定炉渣碎石的强度性能

刘 栋，李立寒，崔华杰

（同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

生活垃圾焚烧炉渣（以下均简称为炉渣）是生活垃圾焚烧发电厂的烧结物，其产量约为垃圾质量的20%.目前，国内炉渣多采用堆置或填埋措施处理，这带来管理和环境上的问题.经适当处理并满足一定要求［1］的炉渣可作为集料用于道路工程材料，如水泥混凝土、沥青混合料、路基回填或基层材料等［2］.有关研究表明：炉渣的主要化学组成为SiO2，CaO，Al2O3及Fe2O3，一般占到炉渣总质量的60%～70%［3］；炉渣具有明显区别于天然石料的特性，其强度、密度较低，孔隙率较高［3］；由于炉渣经过水淬处理，其在急冷过程中产生的矿物成分处于亚稳定状态，因此炉渣在堆放过程中会发生诸如氧化、分解、沉淀、碳化、酸碱中和等反应，矿物学特性会发生改变，产生黏土矿物新生物等［4］；炉渣是一种水硬性材料，含有水泥熟料矿物，如C2S，C3A 和C4AF，可用作矿物掺合料或原材料生产水泥［5］.

国内对炉渣资源化利用的研究刚刚起步.文献［6］从炉渣的物理特性、化学组成上证明了其代替集料的可行性；文献［7］研究了用于路基回填炉渣的土工性质，结果表明炉渣熟化时间对其土工性质存在影响；文献［8］测试了水泥稳定炉渣碎石的强度，但未对其强度性能的影响因素作深入探讨.综上，炉渣作为一种新型的废旧材料其基本性能还有待研究；炉渣对水泥稳定碎石强度性能的影响研究还不充分.为此，本文采用炉渣集料（BAA）替代部分天然集料制备水泥稳定炉渣碎石试件，通过无侧限抗压强度试验和劈裂试验测试试件强度性能，探讨炉渣集料熟化时间和粒径、混合料养生龄期和养生温度、水泥用量对水泥稳定炉渣碎石强度性能的影响，并比较水泥稳定炉渣碎石强度性能与普通水泥稳定碎石的差异.

1 试验材料

1.1 原材料

炉渣集料产自上海市某生活垃圾焚烧发电厂.炉渣集料的熟化条件为：室内，25～30 ℃，通风，摊铺厚度25cm，定时翻动.将炉渣集料筛分为细粒径部分（0～9.5mm）与粗粒径部分（9.5～19.5mm及19.5～31.5mm）.炉渣集料基本性能见表1.

水泥采用江苏太仓海螺牌32.5级复合硅酸盐水泥.天然集料采用石灰岩碎石，其公称最大粒径为26.5mm，基本性能见表1.

表1 集料的基本性能Table 1 Basic properties of aggregates

1.2 混合料

未筛分炉渣集料的级配见表2.石灰岩集料逐级筛分后，按照表2混合料级配，分别与0～9.5mm，9.5～19.5mm 及19.5～31.5mm 粒径炉渣集料混合，其中炉渣集料的替代量分别为28%（质量分数，下同），35%和17%，相应水泥稳定炉渣碎石混合料代号分别为SWLZ－X，SWLZ－Z和SWLZ－C.普通水泥稳定碎石混合料代号为SWSS.水泥用量除特别说明外，均采用4.5%（以占矿质混合料质量分数计）.

表2 炉渣集料及混合料级配Table 2 Gradations of BAA and mixture

2 试验方法

2.1 试件制备与养生

采用击实试验确定不同混合料的最佳含水量和最大干密度.以最大干密度的98%压实成型φ100×100mm 圆柱体试件.试件成型后用塑料薄膜包裹，除特殊说明外，在温度为25℃、相对湿度为95%的环境下养生至规定龄期.

2.2 试验方法与试验方案

炉渣集料压碎值试验按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》中的T0350—2005 进行.水泥稳定炉渣碎石击实试验、无侧限抗压强度试验和劈裂试验依据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行.试验数据均采用4～5个试件的平均值.

采用不同熟化时间的0～9.5mm 炉渣集料制备水泥稳定炉渣碎石试件，通过无侧限抗压强度试验研究试件7d无侧限抗压强度随炉渣集料熟化时间的变化.采用熟化时间为60d的3组不同粒径炉渣集料制备水泥稳定炉渣碎石试件，然后养生至不同龄期，再通过无侧限抗压强度试验及劈裂试验研究试件无侧限抗压强度和劈裂强度随养生龄期的变化.采用熟化60d的0～9.5mm 炉渣集料制备水泥稳定炉渣碎石试件，其中水泥用量分别为3.5%，4.5%及5.5%，然后通过无侧限抗压强度试验及劈裂试验研究水泥用量对试件7d无侧限抗压强度和劈裂强度的影响.采用熟化60d的0～9.5mm 炉渣集料制备水泥稳定炉渣碎石试件，然后分别在10，25℃下养生，通过无侧限抗压强度试验及劈裂试验研究养生温度对养生7d试件无侧限抗压强度和劈裂强度的影响.

3 试验结果与分析

3.1 炉渣集料熟化时间对无侧限抗压强度的影响

水泥稳定炉渣碎石（SWLZ－X）7d无侧限抗压强度与炉渣集料熟化时间的关系见图1.由图1 可见，随炉渣集料熟化时间的延长，水泥稳定炉渣碎石7d无侧限抗压强度增大；当炉渣集料熟化时间为30d时，水泥稳定炉渣碎石7d无侧限抗压强度可达到4.0MPa.

图1 SWLZ－X无侧限抗压强度与炉渣集料熟化时间的关系Fig.1 Relationship between unconfined compressive strength of SWLZ－X and weathering time of BAA

炉渣集料压碎值（质量分数）随其熟化时间的变化见图2.由图2可见，不同粒径炉渣集料压碎值均在30d内急剧降低，30d之后变化趋缓.这是因为炉渣集料熟化过程中形成新生矿物，如方解石（CaCO3）、钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）等［4］，并且新生矿物填充到炉渣的孔隙中，使得其强度得到提高，压碎值降低.由于炉渣矿物成分的变化主要发生在前30d内，因此炉渣压碎值在前30d内急剧降低.

图2 不同粒径炉渣集料压碎值随熟化时间的变化Fig.2 Crushing value（by mass）of different sizes of BAA changing with weathering time

水泥稳定炉渣碎石7d无侧限抗压强度与炉渣集料压碎值之间的关系见图3.由图3可见，水泥稳定炉渣碎石7d无侧限抗压强度随着炉渣集料压碎值的降低而增大，表明炉渣集料强度越高则水泥稳定炉渣碎石7d无侧限抗压强度越高.

图3 水泥稳定炉渣碎石7d无侧限抗压强度与炉渣集料压碎值的关系Fig.3 Relationship between 7dunconfined compressive strength of cement stabilized aggregate containing BAA and crushing value（by mass）of BAA

依据水泥稳定炉渣碎石7d无侧限抗压强度随炉渣集料熟化时间增长规律和JTG D50—2006《公路沥青路面设计规范》中对水泥稳定碎石7d无侧限抗压强度要求（不低于4.0MPa），炉渣集料熟化时间应在30d以上.

3.2 养生龄期对强度的影响

水泥稳定炉渣碎石无侧限抗压强度、劈裂强度随养生龄期的变化分别见图4，5.

图4 无侧限抗压强度随养生龄期的变化Fig.4 Unconfined compressive strength changing with curing time

图5 劈裂强度随养生龄期的变化Fig.5 Splitting strength changing with curing time

由图4可见，随养生龄期延长，水泥稳定炉渣碎石无侧限抗压强度增大.SWLZ－X 前期（28d之前）无侧限抗压强度与SWSS无明显差异，而后期（28d之后）无侧限抗压强度增长放缓，至90d时SWLZX 无侧限抗压强度为SWSS的90%左右.SWLZ－Z，SWLZ－C的7d无侧限抗压强度均小于4.0 MPa，分别为SWLZ－X 的79%，50%，表明替代碎石的炉渣集料粒径越大，水泥稳定炉渣碎石的7d无侧限抗压强度越低.

水泥稳定炉渣碎石早期无侧限抗压强度主要由粗集料形成的嵌挤结构提供，而粗粒径炉渣集料的强度较低，承受外部荷载时容易发生破坏.炉渣集料的粒径越大，强度越低，所能抵抗外部荷载的能力越小，相应水泥稳定炉渣碎石的早期无侧限抗压强度越低.

由图5可见：（1）随养生龄期延长，水泥稳定炉渣碎石劈裂强度增大.（2）SWLZ－X 的劈裂强度大于SWSS.这一方面是因为炉渣集料表面比碎石粗糙，有较多孔隙，在混合料拌和过程中，水泥浆渗入炉渣集料表面，提高了炉渣集料与水泥石的黏结力；另一方面炉渣中活性物质在养生过程中发生水化反应，较水泥稳定碎石生成更多的水化产物，造成水泥石的强度较高，且炉渣集料粒径越小活性物质含量越高［9］，同时炉渣集料粒径越小，比表面积越大，反应活性也越高，因此劈裂试验过程中使炉渣集料颗粒与水泥石界面或水泥石破坏需要更大的力.

3.3 水泥用量对强度的影响

不同水泥用量下SWSS 和SWLZ－X 的强度见表3.由表3可见，与水泥稳定碎石相似，水泥稳定炉渣碎石的7d无侧限抗压强度及劈裂强度均随水泥用量的增加呈增大趋势.

表3 不同水泥用量下SWSS和SWLZ－X的强度Table 3 Strengths of SWSS and SWLZ－X with different cement contents（by mass）

JTG D50—2006规范推荐水泥稳定碎石的水泥用量一般为3.0%～5.5%，最大不超过6.0%.在此水泥用量范围内，水泥稳定炉渣碎石的7d无侧限抗压强度可满足JTG D50—2006规范中特重交通基层强度要求（3.5～4.5MPa），因此水泥稳定炉渣碎石的水泥用量可采用与普通水泥稳定碎石相同的范围.

水泥稳定炉渣碎石的7d劈裂强度在3.5%水泥用量时与水泥稳定碎石相差不大，在4.5%时较高，在5.5%时则略低，这是因为炉渣集料活性物质及水泥的水化反应发生均存在最佳含水量，且两者之间又相互影响的缘故.

3.4 养生温度对强度的影响

不同养生温度下SWSS 和SWLZ－X 的强度见表4.由表4可见，养生温度较高时水泥稳定碎石和水泥稳定炉渣碎石的7d无侧限抗压强度及劈裂强度均较高；对于7d无侧限抗压强度，10℃较25℃条件下，水泥稳定碎石降低32%，水泥稳定炉渣碎石降低12%；对于7d劈裂强度，10℃较25℃条件下，水泥稳定碎石降低3%，水泥稳定炉渣碎石降低43%.表明养生温度对水泥稳定碎石的7d无侧限抗压强度和水泥稳定炉渣碎石的7d劈裂强度影响较大.因此，为保证水泥稳定炉渣碎石强度的形成，应在养生过程中保证合理的养生温度.

表4 不同养生温度下SWSS和SWLZ－X的强度Table 4 Strengths of SWSS and SWLZ－X with different curing temperatures

4 结论

（1）水泥稳定炉渣碎石（SWLZ－X）7d无侧限抗压强度随炉渣集料熟化时间延长而增大，且主要发生在熟化前30d内.随着炉渣集料压碎值降低，水泥稳定炉渣碎石7d无侧限抗压强度提高.掺熟化30d炉渣集料的水泥稳定碎石（SWLZ－X）7d无侧限抗压强度可达到4.0MPa.

（2）水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度和劈裂强度随养生龄期的延长而提高.养生28d后，水泥稳定炉渣碎石（SWLZ－X）的无侧限抗压强度增长较水泥稳定碎石缓慢.水泥稳定炉渣碎石（SWLZX）的劈裂强度高于水泥稳定碎石.

（3）炉渣集料的粒径越小，其强度越高，水泥稳定炉渣碎石7d无侧限抗压强度越高.

（4）与水泥稳定碎石相似，随着水泥用量的增加、养生温度的提高，水泥稳定炉渣碎石的强度性能提高.

［1］住房和城乡建设部.GB／T 25032—2010 生活垃圾焚烧炉渣集料［S］.北京：中国标准出版社，2010：1－4.Ministry of Housing and Urban－rural Development.GB／T 25032—2010 Municipal solid waste incineration bottom ash aggregate［S］.Beijing：China Standards Press，2010：1－4.（in Chinese）

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