回收粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基力學(xué)強(qiáng)度的影響

溫 浩

（山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)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(diǎn)，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(jià)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?jiān)饾u被認(rèn)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(fèi)大量土地且對(duì)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(duì)促進(jìn)資源再生和環(huán)境保護(hù)具有重要意義，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(duì)瀝青混合料的影響，認(rèn)為過量添加回收粉會(huì)使瀝青混合物變硬，變脆且難以壓實(shí)。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(rèn)為回收粉摻量小于15%時(shí)對(duì)混凝土強(qiáng)度基本無負(fù)面影響。姜煒[11]則認(rèn)為回收粉作為礦粉使用會(huì)對(duì)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(duì)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(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)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(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 回收粉

試驗(yàn)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(biāo)見表1。

表1 回收粉技術(shù)性質(zhì)

1.1.2 水泥

試驗(yàn)所用水泥為P·O 42.5，技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.2 級(jí)配

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

表3 集料級(jí)配范圍 單位：%

1.3 試驗(yàn)方案

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

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(shí)法測(cè)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(dāng)回收粉摻量為4%時(shí)達(dá)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(shí)輕微增長(zhǎng)。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(huì)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(xì)集料的比表面積，因此在壓實(shí)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(zhǎng)而逐漸增大。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

研究齡期和回收粉摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)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(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)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(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)規(guī)律

無論何種摻量下，水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線均有一條相應(yīng)的水平漸近線。從曲線可以看出，當(dāng)齡期超過90 d 后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本不會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，即說明水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的形成主要來自于水泥和集料間骨架，在骨架強(qiáng)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(duì)混合料強(qiáng)度影響較大。混合料的初始強(qiáng)度主要是由于物理作用和物理化學(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(qiáng)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(dá)到混合料的極限抗壓強(qiáng)度。

圖3 顯示了在7 d 和14 d 齡期時(shí)，回收粉摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)度的影響。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨回收粉摻量先增大后減小，呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，當(dāng)回收粉摻量為4%時(shí)達(dá)到峰值。強(qiáng)度增長(zhǎng)的原因在于，適量的回收粉可以用作細(xì)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(qiáng)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(qiáng)度，主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)回收粉是直徑小于0.075 mm 的細(xì)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(jìn)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(shí)結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。因此摻加適量回收粉時(shí)二氧化硅對(duì)強(qiáng)度的提升大于碳酸鈣的負(fù)面作用，因此強(qiáng)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(qiáng)度隨回收粉摻量變化規(guī)律

2.3 劈裂強(qiáng)度

回收粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度影響規(guī)律如圖4所示。

圖4 劈裂強(qiáng)度隨回收粉摻量增長(zhǎng)規(guī)律

如圖4 所示，水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)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(qiáng)度平均增加7.2%，在14 d齡期強(qiáng)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(qiáng)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(jí)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(shí)過程中的摩阻力使混合料壓實(shí)更為密實(shí)，從而提高混合料的劈裂強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本文研究了回收粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度增長(zhǎng)曲線均有一條相應(yīng)的水平漸近線，即存在極限強(qiáng)度。

c）適量回收粉對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度有一定提升作用，過量摻量則會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用，因此在實(shí)際工程中對(duì)摻量應(yīng)嚴(yán)格限制，而劈裂強(qiáng)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%。