碱渣对水泥稳定半刚性再生基层力学与水稳性能影响及微观分析

碱渣-水泥再生料不同养护龄期的无侧限抗压强度试验结果如表3所示。

由表3、图4可见，碱渣掺量从1%增加到2%时，各龄期试件的无侧限抗压强度增长量较大；碱渣掺量超过2%之后，材料的无侧限抗压强度就会大幅度减少，不管前期还是后期，都会造成很大影响。养护龄期为7 d时，碱渣掺量为5%的材料其无侧限抗压强度比水泥再生材料减少了34.84%；养护龄期为180 d时，无侧限抗压强度会比不掺碱渣的材料减少41.49%。综上可见，无侧限抗压强度在碱渣掺量为2%~5%时趋势呈现负增长。适量的碱渣会对水泥中混合物的活性起到激发作用，刺激水泥水化反应加速进行，导致前期材料强度形成较快，强度较大^［9］。如果碱渣占水泥原本数量的比例过高，会导致水化反应物的缺失、材料强度下降，但材料仍然会保持一定的强度。

图4  碱渣掺量对不同龄期无侧限抗压强度的影响

Fig.4  Influence of alkali slag content on unconfined compressive strength of different ages

由图5可见，由于前期水泥的水化反应剧烈，碱渣掺量为0~2%时无侧限抗压强度最高，前28 d强度形成最快。后期水泥水化基本完成，材料趋于稳定，因此强度变化较小，但因碱渣本身不会发生水化反应，因此掺碱渣的水泥再生材料的最终无侧限抗压强度均较小。综合考虑选择2%碱渣+3%水泥的再生料与水泥再生材料，进一步试验分析碱渣对水泥再生材料的力学与水稳定性的影响。

图5  养护龄期对不同碱渣掺量试件的影响

Fig.5  The effect of curing age on specimens with different alkali slag contents

本文以再生废旧半刚性基层材料的碱渣-水泥比例为0~5%和2%~3%的2种方案进行劈裂强度的对比试验，结果如表4所示。

由表4、图6可见，2种材料的劈裂强度均随着养护龄期的增大而增大。养护龄期为7 d时，水泥再生材料比碱渣-水泥再生材料的劈裂强度高55%，并且同养护龄期下，碱渣-水泥再生材料均比水泥再生材料的劈裂强度低，说明碱渣的掺入降低了材料的抗拉性能，使其脆性增加。养护龄期分别为7、28、90和180 d时，碱渣-水泥再生材料的劈裂强度比水泥再生材料分别降低了35.5%、30%、20.5%和22%，两者的差距是先减小后增加的，说明掺入碱渣不利于前期劈裂强度的形成，并且这种影响一直延续到后期，差距维持在20%左右。

图6  养护龄期对劈裂强度的影响

Fig.6  The effect of curing age on splitting strength

2种再生材料的动态模量试验结果如表5所示。

由表6、图7可见，2种材料的动态模量均与龄期呈正相关关系。养护龄期为28 d前，碱渣-水泥再生材料的动态模量均比水泥再生材料的高；养护龄期为28~180 d时，碱渣-水泥再生材料的动态模量低于水泥再生材料，动态模量的增长速度先高后低，而水泥再生材料的增速变化与之相反。综上说明，碱渣的掺入有利于再生材料前期动态模量的增长，碱渣提高了材料前期水化反应，有利于动态模量的提高，后期由于水泥含量不足，因此动态模量慢慢低于水泥再生材料，但降低幅度不大。养护龄期为180 d时2种材料的动态模量相差仅有7%。

图7  不同养护龄期对动态模量的影响

Fig.7  The effect of curing age on dynamic modulus

按静压法成型Φ150 mm×h150 mm圆柱形试件，2种再生方案制作了12个标准试件/龄期，脱模后进行养护，将其中半数试件进行干湿循环。养护龄期对应的干湿循环次数如表6所示。水稳定系数为

式中：Q为水稳定系数，%；P₁为试件干湿循环后无侧限抗压强度，MPa；P₀为试件未干湿循环的无侧限抗压强度，MPa。

水稳定性试验结果如表7所示。根据表7和图8可见，随着养护龄期的增长，2种废旧再生材料的水稳定系数也在增长，在养护龄期前28 d，2种材料的水稳定系数均提高最快，之后速度明显下降。养护初期试件的化学反应没能进行到底，颗粒间不具备较强粘结性，内部张力在干湿循环的不断作用下增大，容易使试件出现裂缝^［10］。当化学反应平稳下来，颗粒间粘结性增强，水稳定性也随之增加。材料前期具备较高的水稳定系数，后期稳定系数增幅不大。2种废旧半刚性基层再生材料的水稳定系数均在80%以上，说明2种材料在经历多次干湿循环后其抗压强度降低幅度均较小，因此水稳定性较好。由图8可知，碱渣-水泥再生材料明显比水泥再生材料的水稳定性要好，说明碱渣可以在一定程度上提高水泥再生材料的水稳定性能。

图8  水稳定系数随养护龄期的变化趋势

Fig.8  Variation trend of water stability coefficient with curing ages

碱渣中的CaCO₃是以方解石和文石等矿物结构方式存在^［11］，因此吸水性、保水性与微膨胀性能都较强，有利于降低混合料收缩程度与整体水分，提高材料pH值。碱性增强对水泥水化反应起到促进作用，增强早期强度^［12］。同时在碱渣中Ca（OH）₂和CaSO₄可以与水泥中的铝酸三钙（C₃A）反应。再生骨料的表面及孔隙中生成多种胶结物^［13］，通过增强骨料间的胶结，使再生半刚性基层整体性更强，对材料强度和水稳定性的提高有帮助，反应式如下：

Ca（OH）₂+C₃A+H₂O→C₄AH₁₃

C₄AH₁₃+CaSO₄·2H₂O→

3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

C₄AH₁₃+3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O→ 3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O

本文对5%水泥再生半刚性材料与2%碱渣+3%水泥复合再生材料内部矿物结构组成进行了分析，所得XRD图谱如图9所示，其中，2θ为衍射角。由图9、10可见，养护龄期为7、90 d时，水泥再生料与碱渣-水泥再生料图谱中主要矿物CaCO₃、C‒S‒H、C₄AH₁₃等可形成方解石和白云石等矿物结构，为碱渣-水泥再生料提供早期强度；掺入碱渣后再生料中会生成红辉沸石矿物质^［14］。与7 d龄期相比，90 d龄期时2种再生料中的矿物含量均有增加，其中水泥再生料主要矿物质强度提高42%~105%，碱渣-水泥再生料主要矿物质强度计数提高52%~69%。可见掺入适量碱渣不会对90 d龄期的水泥再生料中各物质含量和强度计数影响太大。

图9  水泥再生材料养护7、90 d的XRD图

Fig.9  XRD patterns of cement recycled materials after curing for 7 and 90 days

图10  碱渣-水泥再生材料7、90 d的XRD图

Fig.10  XRD patterns of alkali slag-cement recycled materials after curing for 7 and 90 days

通过扫描电镜对养护龄期为7、90 d的5%水泥再生料和2%碱渣+3%水泥复合再生料进行5 000倍放大，观察分析两者的微观形态结构及其反应进程，剖析碱渣对水泥再生半刚性基层的影响。

由图11可见，养护龄期为7 d时水泥再生料和碱渣-水泥再生料的颗粒大多呈现松散颗粒状，之间并没有明显的胶结，空间结构中存在很多细小的孔洞，呈松散状态。有少量粉煤灰等球状玻璃体，应该是刨铣旧料中本身存在的材料。2种材料中均生成少量胶凝物质、Ca（OH）₂和CaCO₃等晶体及部分较短纤维状的钙矾石等晶体，7 d养护龄期不足以反应太多胶凝物，因此集料颗粒只是被嵌挤起来，并没有真正粘结成整体，但碱渣-水泥再生料的集料粘结程度明显比水泥再生材料更高，说明碱渣中的活性物质增强了水泥水化生成胶凝材料的数量，使得材料结合更加紧密^［15］。

图11  2种材料养护龄期为7、90 d时的SEM扫描图

Fig.11  SEM scanning images of two materials at curing ages of 7 d and 90 d

养护龄期为90 d时，水泥再生料和碱渣-水泥再生料中晶体化现象很明显，空间结构变得更紧密。因长时间的化学反应生成了大量C‒S‒H、Ca（OH）₂和CaCO₃等晶体充填于孔隙中，使得材料整体强度提高。同时，2种材料中纤维状的钙矾石和方解石等晶体与C‒S‒H凝胶相互粘结成网状体^［16］，将集料颗粒与生成晶体及胶凝物缠绕起来，混合料的强度因此得到较大提升。

通过比较可以看出，碱渣的掺入有利于胶凝物质在集料表面的包裹、互相缠绕，连接晶体与集料颗粒，形成晶体与胶凝物互相附着的整体结构，大大提高混合料的整体强度，但空隙明显比水泥再生料更大，因此后期强度弱于水泥再生料。