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建筑垃圾渣土试验结果分析

目前,我国正处于基础设施大量建设时期,城建项目、旧城改造和轨道交通等工程进展产生的大量渣土,作为固体废弃物严重制约着城市发展。据估计,目前我国城市建筑渣土的堆积量达到100亿t,且以每年3亿t的速度增长;而矿山资源保护力度逐年增大,工程建设所需建材存在缺口,尤其是用量较大的路基材料,以固化渣土替代传统道路填筑材料成为解决建材原料供需紧张的有效途径。土壤固化是指在土壤中添加一定量的增强土壤粘结性,改善土体工程技术性能的固化材料。按材料种类划分,土壤固化材料分为无机固化剂、有机固化剂和离子类固化剂,其中无机固化剂主要为水泥、石灰、粉煤灰、矿渣等无机结合料,通过自身反应生成的胶凝材料形成稳定密实的结构[1];有机固化剂通过包裹土壤颗粒,增强土壤表面吸附力使颗粒聚集固化[2];离子类固化剂具有较高的电荷强度,解离出的阳离子置换出土壤颗粒中的阳离子后可降低土体之间的相互排斥力,在压实功的作用下使固化土体达到一定强度[3,4]。目前我国路基填料固化土多采用水泥、石灰等无机固化剂,但无机固化土体存在多种问题,如水泥固化土体存在收缩大、易开裂问题,石灰固化土体存在早期强度低、强度增长慢、水稳定差等缺点。因此,以离子固化剂增强无机固化的方式,分析不同固化材料掺量、渣土颗粒组成对固化土性能的影响规律,提供一系列满足工程需求的配合比,寻求经济效益最佳方案,为路基填料用固化土的工程应用提供依据。

1原材料及试验设计

1.1原材料

1.1.1水泥试验采用北京金隅琉水环保科技有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥,其主要性能指标如表1所示。1.1.2石灰试验所用石灰有效钙镁含量为60%,其中大于0.3mm颗粒含量为0.3%。1.1.3渣土试验所采用渣土为首钢资源综合利用科技开发有限公司建筑垃圾处理线筛余渣土,渣土中4.75mm以上颗粒占比23.1%,4.75mm以下颗粒占比76.9%(筛分结果见表2),4.75mm以上颗粒压碎值为17.1。为提高固化土强度,需保证一定量的粗骨料含量,本试验所用渣土控制4.75mm以上颗粒含量为75±5%。依据GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》,试验所用渣土的塑性指数属粉质粘土类(塑性指数10≤IP≤17),液塑限试验结果见表3。1.1.4固化剂试验所用固化剂为美国贝塞尔固化剂,棕色,液态、离子型固化剂。

1.2试验设计

固化土基本性能试验选定离子类固化剂(以下简称固化剂)的掺量和水泥、石灰、渣土的比例。在渣土颗粒级配的3种影响因素中,固化剂掺量对固化土性能的影响选用单因素研究法,固化剂掺量分别为0,0.01%,0.02%,0.03%,0.04%,0.05%,0.06%,以外掺方式添加,水泥、石灰、渣土掺量及渣土颗粒级配对固化土性能的影响以三角等焓图方法设计配合比。三角等焓图指三角等值线图类似地形的等高线图,可用于观察某性能指标的最高值区域和最低值区域。三角等焓图的设计原则为三种因素之和为100%,图1研究了水泥、石灰、渣土掺量对固化土7d无侧限抗压强度的影响,水泥的含量从0到8%,石灰的掺量从0增加到8%,渣土的掺量从92%增加到100%。三角等焓图坐标的读取方法为平行线法,以G点为例,按图中箭头方向作三角形三边的平行线,平行线与“渣土掺量(%)”坐标线的交点即为渣土的掺量94%,平行线与“水泥掺量(%)”坐标线的交点即为水泥的掺量2%,平行线与“石灰掺量(%)”坐标线的交点即为石灰的掺量4%,三者之加和为100%。右侧为抗压强度标签值,三角等焓图内的各点所对应的颜色即为不同配比下净浆的强度。

2试验结果分析

2.1固化剂掺量对固化土性能的影响

为探讨离子固化剂掺量对固化土性能的影响,试验研究了水泥∶渣土为4∶96时,不同固化剂掺量对7d无侧限抗压强度和抗冻性能的影响规律,试验结果如图2、图3所示。从试验结果可看出,随离子固化剂掺量增加,固化土的7d无侧限抗压强度呈增长趋势;随离子固化剂掺量增加,固化土抗冻性能增强。贝塞尔土壤固化剂通过改变土壤颗粒表面电荷的特性,降低了土壤颗粒间的排斥力,使土壤中的含水量达到稳定平衡,同时形成结晶盐,进而增强了土体的密实度,提高了强度和抗冻性。考虑到固化土应用的经济性,建议固化剂掺量在0.02%左右。

2.2配合比参数对固化土性能的影响

固定离子固化剂掺量为0.02%,以三角等焓图为基础设计不同水泥、石灰、渣土的比例,研究三者掺量对固化土7d无侧限抗压强度及抗冻性能的影响规律。在图4和图5中,沿A-B-C-D-E方向,在石灰掺量不变、水泥掺量增加的同时减少渣土掺量,可以看出随水泥掺量增加,固化土的7d和28d无侧限抗压强度明显提高,F-G-H-I,J-K-L,M-N方向同理;沿O-N-L-I-E方向,在渣土掺量不变、水泥掺量增加的同时减少石灰掺量,可以看出固化土的7d和28d强度随水泥掺量增加而提高,M-K-H-D,J-G-C,F-B方向同理;沿A-F-J-M-O方向,在水泥掺量不变、石灰掺量增加的同时减少渣土掺量,可以看出随石灰掺量增加,固化土7d强度无明显变化,28d强度略有提高。石灰固化渣土存在早期强度低、强度发展缓慢的问题;而沿着B-G-K-N、C-H-L、D-I方向,即有一定水泥掺加量后,固化土强度较高时在试验龄期内石灰掺量增加对固化土强度的影响有限。从图4和图5中无侧限抗压强度在三角等焓图上的分布特征可看出,等高线梯度方向与水泥掺量增加方向一致,表明水泥是增强固化土强度的关键因素。在工程应用中,按工程设计强度要求,可依此三角等焓图找到相应的配合比,同时找到经济性最佳方案。不同水泥、石灰、渣土掺量下固化土的28d残留抗压强度比如图6所示,从图6可看出,与无侧限抗压强度趋势相似,随水泥用量增加固化土的抗冻性能增强;随石灰用量增加,固化土的抗冻性能略有增强。水泥、石灰水化生成硅酸钙、铝酸钙及铁酸钙等胶凝材料,同时水化产物与土壤中的活性成分反应生成胶凝材料,使土体密实度增加,一方面提高了耐水性;另一方面提高了抵抗水分结冰膨胀的压力,进而提高了抗冻性。

2.3渣土级配对固化土力学性能的影响

建筑渣土是现代城市建设过程中产生的固体废弃物,产生于城市的新建、改扩建和拆除等施工过程,例如城建项目地基管沟开挖、旧城改造和轨道交通盾构等,因地质、施工条件差异,渣土的成分较复杂,本试验选用的渣土为建筑垃圾资源化处理线分选出的渣土,含部分砂石骨料。试验选用离子固化剂掺量为0.02%,水泥掺量为4%,渣土掺量为96%,以三角等焓图为基础设计渣土中0~5mm,5~10mm,10~25mm颗粒比例,研究渣土颗粒级配对固化土无侧限抗压强度及抗冻性能的影响规律。图7、图8可以看出,与水泥、石灰、渣土掺量对无侧限抗压强度的影响规律不同,渣土颗粒级配存在合理区间,A点[(0~5mm)∶(5~10mm)∶(10~25mm)=40%∶20%∶40%]和K点[(0~5mm)∶(5~10mm)∶(10~25mm)=50%∶40%∶10%]固化土的无侧限抗压强度最高。渣土中粗骨料自身具有较高的强度,粗骨料的掺加有利于提高固化土强度,但当渣土中粗骨料较多时,存在的空隙也较多,细颗粒不能完全填充空隙使得整体强度降低,因此合理的颗粒级配有利于提高固化土的强度[5]。在三角等焓图上的分布特征,与无侧限抗压强度分布特征相似,颗粒级配对固化土抗冻性对的影响存在最佳区间。结合抗压强度及残留抗压强度比特征分布图分析,渣土中颗粒级配最佳方案为(0~5mm)∶(5~10mm)∶(10~25mm)=40%∶20%∶40%或50%∶40%∶10%。

3结论

(1)固化土无侧限抗压强度及抗冻性随离子类固化剂掺量的增加而提高,离子固化剂通过改变颗粒表面电荷增强颗粒间的粘聚性,综合考量固化土性能及经济成本,建议固化剂掺量为0.02%。(2)离子类固化剂掺量一定时,固化土无测限抗压强度及残留抗压强度在三角等焓图上的等高线梯度方向与水泥掺量增加方向一致,表明水泥对固化土强度及抗冻性的提升效果起主要作用,三角等焓图给出了一系列配合比时固化土的强度,可根据工程需求找对最佳方案。(3)渣土级配对固化土无侧限抗压强度及抗冻性能的影响存在最佳区间,综合考虑抗压强度及残留抗压强度比,渣土中颗粒级配建议为0~5mm∶5~10mm∶10~25mm=40%∶20%∶40%或50%∶40%∶10%。

作者:王福晋 赵磊 梁勇 马刚平 刘慧慧 杨婷婷 单位:首钢环境产业有限公司 首钢资源综合利用科技开发有限公司

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