回收粉塵摻配水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析

梁東彪， 吳紅勝

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610000； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木交通學(xué)院，遼寧阜新 123000)

瀝青路面是我國(guó)公路路面結(jié)構(gòu)的主要型式,然而在瀝青混合料的生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。粉塵對(duì)于環(huán)境和土地的污染極大，瀝青拌合站每年都要投入大量資金對(duì)廢粉進(jìn)行處理[1]，因此如何對(duì)粉塵進(jìn)行有效利用已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。水泥穩(wěn)定碎石是我國(guó)公路建設(shè)中常用的一種基層材料，具有很高的強(qiáng)度[2]。劉景東[3]對(duì)粉塵摻配水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能進(jìn)行了研究，但對(duì)其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響尚不明確。故本次試驗(yàn)針對(duì)瀝青拌合站回收粉塵代替部分礦粉摻配水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行研究，分析粉塵的摻入對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響[4-6]。對(duì)比道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范[7]，通過(guò)分析粉塵的摻入對(duì)水泥級(jí)配碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響，給出粉塵摻量的合適范圍，使其能用于道路路基混合料施工當(dāng)中，同時(shí)對(duì)能源生產(chǎn)、資源利用、環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題的進(jìn)一步研究也具有重要意義。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試件設(shè)計(jì)

1.1.1 集料配合比設(shè)計(jì)

采用10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm三檔碎石集料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)。配合比設(shè)計(jì)主要是以獲得良好的碎石級(jí)配、壓實(shí)效果和施工可行性為原則。本次試驗(yàn)中，回收粉塵采用的是瀝青拌合站的回收粉塵；水泥選取普通硅酸鹽水泥，進(jìn)行篩分試驗(yàn)(圖1)，經(jīng)篩分試驗(yàn)，得出結(jié)果見(jiàn)表1，利用Excel分析工具得出所用集料的合成級(jí)配如圖2所示。

由于級(jí)配碎石的配合比以其各篩孔的通過(guò)量達(dá)到或接近規(guī)范要求的級(jí)配中值為最佳配合比。通過(guò)圖2可以看出，合成級(jí)配是選擇穩(wěn)定碎石中10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm三檔碎石的比值為25∶45∶30，接近中值滿足規(guī)范的要求和穩(wěn)定碎石級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 篩分試驗(yàn)

圖2 穩(wěn)定碎石級(jí)配

1.1.2 確定最大干密度和最佳含水量

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得試樣的最佳含水量和最大干密度，用于后期無(wú)機(jī)結(jié)合料試樣制作。試驗(yàn)方法：分別對(duì)0 %～5 %粉塵摻量的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，同時(shí)在最佳含水率附近取6個(gè)不同含水率，再按預(yù)定加水量和最佳配合比制備試樣。對(duì)每一組粉塵摻合水泥級(jí)配碎石取不同預(yù)加含水量為3 %、3.5 %、4 %、4.5 %、5 %、6 %進(jìn)行六組擊實(shí)試驗(yàn)，得出不同粉塵摻量水泥級(jí)配碎石的最佳含水量和最大干密度見(jiàn)表2。

1.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度力學(xué)試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)過(guò)程

(1)試件制備：依據(jù)表1的穩(wěn)定碎石的最優(yōu)級(jí)配設(shè)計(jì)選擇集料的配比，依照表2的最大干密度和最佳含水率進(jìn)行加水拌和制作試件，試件尺寸為直徑150 mm高150 mm，平行試件個(gè)數(shù)為6個(gè)。

表1 穩(wěn)定碎石集料級(jí)配設(shè)計(jì)

表2 最大干密度和最佳含水量試驗(yàn)結(jié)果

(2)試件養(yǎng)生：依據(jù)T0845-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[8]無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料養(yǎng)生方法，采用7 d、28 d、90 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，最后一天均將試件浸水。

(3)試驗(yàn)操作：采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，壓力機(jī)速度為1 mm/min。記錄試件破壞時(shí)的最大壓力P(N)。按照式(1)計(jì)算試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

(1)

式中:R為試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；P為試件破壞時(shí)的最大壓力(kN)；A為試件的截面積。

D為試件的直徑。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

取不同粉塵摻量下試件的最大抗壓強(qiáng)度值的均值得出表3，不同粉塵參量水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比折線如圖3所示，不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比折線如圖4所示，不同粉塵參量水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較基本型減少百分比對(duì)比折線如圖5所示。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)分析

(1)分析圖3、圖4，相同粉塵摻量時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值增大。養(yǎng)護(hù)時(shí)間一定時(shí)，隨著粉塵摻量的增加，抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。采用的水泥穩(wěn)定碎石材料是粗集料，水泥、細(xì)集料則填充于粗集料形成的空隙之中，而硬化后的水泥石以及細(xì)集料在混合料中所在的體積較小，不足以填滿骨架之間的空隙。隨著粉塵的逐漸加入，不斷填充結(jié)構(gòu)中的空隙，使材料由原來(lái)的懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)向更加懸浮的情況加大，使粗顆粒相互分開(kāi)，致使抗壓強(qiáng)度降低。

表3 不同粉塵摻量的最大抗壓強(qiáng)度值 MPa

圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比折線

圖4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比折線

圖5 較基本型減小百分比對(duì)比

(2)分析圖5，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí)，1 %、2 %、3 %、4 %、5 %粉塵摻量較基本型減小分別為4.96 %、 8.18 %、13.65 %、32.20 %、34.24 %。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)，1 %、2 %、3 %、4 %、5 %粉塵摻量較基本型減小分別為8.85 %、11.91 %、18.77 %、40.91 %、45.19 %。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為90 d時(shí)，1 %、2 %、3 %、4 %、5 %粉塵摻量較基本型減小分別為7.04 %、14.32 %、19.35 %、39.14 %、43.08 %。得出隨粉塵的摻量大，其無(wú)側(cè)限抗壓值均減弱，但是摻加量小于3 %時(shí)對(duì)強(qiáng)度影響較小；超過(guò)3 %時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降的幅度相對(duì)較大。

(3)分析可知表3和表4，養(yǎng)護(hù)7 d后的試件粉塵劑量1 %～3 %達(dá)到3.48 MPa以上，滿足中、重交通的標(biāo)準(zhǔn)，但粉塵摻量4 %與5 %水泥摻量后的抗壓強(qiáng)度只達(dá)到2.73 MPa，僅能滿足輕交通的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)表3所示養(yǎng)護(hù)28 d和90 d后的試件的抗壓強(qiáng)度均大于養(yǎng)護(hù)7 d試件的抗壓強(qiáng)度值，所以大于或等于7 d養(yǎng)護(hù)齡期下的，粉塵摻量小于3 %時(shí)，均能滿足重、中交通道路的標(biāo)準(zhǔn)，大于3 %時(shí)，只能滿足輕交通道路的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)論

(1)粉塵的摻入對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有密切的影響。選擇穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料，在最大干密度和最佳含水率的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加。

表4 水泥穩(wěn)定類(lèi)材料的壓實(shí)度及7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求

(2)同一養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著粉塵摻量的增加，抗壓強(qiáng)度值減弱，但是摻加量小于3 %時(shí)對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較??；摻加量過(guò)多時(shí)對(duì)強(qiáng)度影響較大。

(3)當(dāng)粉塵摻量小于3 %時(shí)，抗壓強(qiáng)度能滿足重中交通道路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

因此，在道路施工中水泥穩(wěn)定碎石摻入一定量的粉塵不會(huì)造成強(qiáng)度的明顯降低，并且減少其它材料用量的同時(shí)還可以有效地利用瀝青拌合站回收的粉塵，減少空氣污染等環(huán)保問(wèn)題。