回收粉對水泥穩(wěn)定碎石基力學(xué)強度的影響

溫 浩

（山西交通科學(xué)研究院集團有限公司，山西太原 030006）

0 引言

半剛性基層由于其剛度大、耐久性好等優(yōu)點，被廣泛用于國內(nèi)外路面施工[1]。然而，由于砂石材料的短缺導(dǎo)致高質(zhì)量的道路建筑材料變得越來越稀缺且價格急劇上漲。為解決不可再生建筑資源短缺問題，將工業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為道路建設(shè)材料的方法已成為學(xué)者們最具挑戰(zhàn)性的話題之一。目前，有大量的工業(yè)廢料殘渣逐漸被認為可以替代砂石材料并應(yīng)用于路面施工，如尾礦、赤泥、鋼渣、粉煤灰以及建筑固體廢物和再生路面材料等[2-7]。

回收粉是指在瀝青混合料生產(chǎn)過程中獲得的粉塵顆粒，其粒徑一般小于0.075 mm，主要礦物成分為碳酸鈣和二氧化硅。作為工業(yè)廢物，大量堆積或填埋處理浪費大量土地且對環(huán)境造成不可逆的危害，如果回收粉能夠充分回收并應(yīng)用于道路施工，這對促進資源再生和環(huán)境保護具有重要意義，國內(nèi)外學(xué)者對此展開了大量研究。李媛媛[8]研究了回收粉的粒度分布、密度和化學(xué)成分對瀝青混合料的影響，認為過量添加回收粉會使瀝青混合物變硬，變脆且難以壓實。張彥鋒[9]研究了用回收粉替代礦粉在瀝青混合料中應(yīng)用的可行性，指出摻回收粉的瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度和流值滿足要求。鐘小霞[10]認為回收粉摻量小于15%時對混凝土強度基本無負面影響。姜煒[11]則認為回收粉作為礦粉使用會對瀝青混合料水穩(wěn)定性和高溫性能不利。

上述研究主要集中在回收粉對瀝青混合料和水泥混凝土性能的影響上，關(guān)于回收粉在路面基層中的利用鮮有研究?；诖?，本文開展了回收粉對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強度的影響研究，提出了回收粉在道路基層應(yīng)用的合理摻量。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 回收粉

試驗所用回收粉取自河南平頂山某瀝青混合料拌合站，其技術(shù)指標見表1。

表1 回收粉技術(shù)性質(zhì)

1.1.2 水泥

試驗所用水泥為P·O 42.5，技術(shù)指標見表2。

表2 水泥技術(shù)指標

1.2 級配

級配采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中骨架密實級配，篩孔通過率見表3。

表3 集料級配范圍 單位：%

1.3 試驗方案

研究回收粉摻量和齡期對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強度的影響，摻量選擇2%、4%、6%、8%，并選擇不摻回收粉作為對照組，齡期為7 d、14 d、28 d、60 d、90 d，參照無機結(jié)合料試驗規(guī)程進行強度試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 最大干密度和最佳含水率

使用重型擊實法測試不同回收粉摻量下水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度和最佳含水率，結(jié)果如圖1 所示。水泥摻量選擇4%，回收粉摻量選擇0、2%、4%、6%、8%。

圖1 最大干密度和最佳含水率變化規(guī)律

如圖1 所示，水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度隨回收粉摻量的增加而逐漸增加，當回收粉摻量為4%時達到最大值2.355 g/cm3，此后，隨回收粉摻量持續(xù)增加小幅度下降。最佳含水率隨著回收粉摻量的增加急劇增加，在摻量4%～8%時輕微增長。究其原因在于回收粉的微聚合填充效應(yīng)，可以將適量的回收粉填充到水泥穩(wěn)定碎石的骨架結(jié)構(gòu)中以增加其最大干密度，然而，過量的回收粉會影響骨架結(jié)構(gòu)的形成，從而減少最大干密度。此外，由于回收粉的比表面積大于天然細集料的比表面積，因此在壓實過程中需要更多的水，導(dǎo)致混合料的最佳含水率隨回收粉摻量的增長而逐漸增大。

2.2 無側(cè)限抗壓強度

研究齡期和回收粉摻量對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強度的影響，使用的水泥摻量為4%，采用的回收粉摻量為0、2%、4%、6%、8%。

如圖2 所示，摻回收粉的水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度隨齡期的增長逐漸增大，具體而言，混合料在14 d 齡期之前急劇增加，并在28 d 后減慢。

圖2 無側(cè)限抗壓強度隨齡期增長規(guī)律

無論何種摻量下，水泥穩(wěn)定碎石的強度增長曲線均有一條相應(yīng)的水平漸近線。從曲線可以看出，當齡期超過90 d 后無側(cè)限抗壓強度基本不會繼續(xù)增長，即說明水泥穩(wěn)定碎石的強度隨著齡期的增加而無限接近水平漸近，因此水平漸近線表示極限強度。主要原因在于含有回收粉的水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)強度的形成主要來自于水泥和集料間骨架，在骨架強度不變的情況下，水泥和水之間不斷發(fā)生各種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)對混合料強度影響較大?；旌狭系某跏紡姸戎饕怯捎谖锢碜饔煤臀锢砘瘜W(xué)反應(yīng)，即骨料之間的摩擦和部分水泥水化，隨著養(yǎng)生齡期的增加水化產(chǎn)物逐漸增加，因此提高了力學(xué)強度，但水化產(chǎn)物生成速率逐漸減緩直至所有水泥熟料反應(yīng)完畢，從而達到混合料的極限抗壓強度。

圖3 顯示了在7 d 和14 d 齡期時，回收粉摻量對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強度的影響。無側(cè)限抗壓強度隨回收粉摻量先增大后減小，呈現(xiàn)拋物線趨勢，當回收粉摻量為4%時達到峰值。強度增長的原因在于，適量的回收粉可以用作細集料來填充空隙，并降低水泥穩(wěn)定碎石中空隙率，從而增加無側(cè)限抗壓強度。然而，過量的回收粉可以降低水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度，主要是因為大多數(shù)回收粉是直徑小于0.075 mm 的細顆粒，主要礦物成分是碳酸鈣和二氧化硅，可以參與水泥的水化反應(yīng)。二氧化硅可促進水化硅酸鈣的形成，而碳酸鈣可抑制水泥石的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致水化產(chǎn)物分布不均，從而影響水泥穩(wěn)定碎石骨架密實結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致抗壓強度降低。因此摻加適量回收粉時二氧化硅對強度的提升大于碳酸鈣的負面作用，因此強度隨回收粉摻量的增加先增大后減小。

圖3 無側(cè)限抗壓強度隨回收粉摻量變化規(guī)律

2.3 劈裂強度

回收粉對水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度影響規(guī)律如圖4所示。

圖4 劈裂強度隨回收粉摻量增長規(guī)律

如圖4 所示，水泥穩(wěn)定碎石劈裂強度隨回收粉摻量的增加呈線性增加?；厥辗蹞搅棵吭黾?%，7 d 齡期的水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強度平均增加7.2%，在14 d齡期強度平均增加6.3%。究其原因在于水泥穩(wěn)定碎石的界面黏結(jié)強度主要與水泥和骨料的表面粗糙度有關(guān)，回收粉比石屑粒徑小很多且比表面較大，可以改善級配增大密度。在水泥穩(wěn)定碎石中添加回收粉不僅可以填充混合物中的空隙并改善微觀組織，還可以提供潤滑作用，降低混合料壓實過程中的摩阻力使混合料壓實更為密實，從而提高混合料的劈裂強度。

3 結(jié)論

本文研究了回收粉對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強度的影響，提出了回收粉在道路基層應(yīng)用的合理摻量，結(jié)論如下：

a）摻回收粉的水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度隨回收粉摻量的增加而增加后小幅度下降，而最佳含水率隨著回收粉摻量的增加而急劇增加后趨于穩(wěn)定。

b）摻回收粉的水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度隨齡期先迅速增加后趨于穩(wěn)定，即在14 d 齡期之前急劇增加，并在28 d 后減慢，無論何種摻量下，水泥穩(wěn)定碎石的強度增長曲線均有一條相應(yīng)的水平漸近線，即存在極限強度。

c）適量回收粉對水泥穩(wěn)定碎石抗壓強度有一定提升作用，過量摻量則會產(chǎn)生負面作用，因此在實際工程中對摻量應(yīng)嚴格限制，而劈裂強度隨回收粉摻量的增加呈線性增加，綜合考慮建議回收粉摻量為4%。