回收粉塵摻配水泥穩定碎石抗壓強度試驗分析

梁東彪， 吳紅勝

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

瀝青路面是我國公路路面結構的主要型式,然而在瀝青混合料的生產中會產生大量的粉塵。粉塵對于環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廢粉進行處理[1]，因此如何對粉塵進行有效利用已成為一個亟待解決的問題。水泥穩定碎石是我國公路建設中常用的一種基層材料，具有很高的強度[2]。劉景東[3]對粉塵摻配水泥穩定碎石的干縮性能進行了研究，但對其無側限抗壓強度的影響尚不明確。故本次試驗針對瀝青拌合站回收粉塵代替部分礦粉摻配水泥穩定碎石進行研究，分析粉塵的摻入對水泥穩定碎石的無側限抗壓強度影響[4-6]。對比道路工程設計規范[7]，通過分析粉塵的摻入對水泥級配碎石的無側限抗壓強度影響，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中，同時對能源生產、資源利用、環境保護等問題的進一步研究也具有重要意義。

1 試驗內容

1.1 試件設計

1.1.1 集料配合比設計

采用10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm三檔碎石集料進行配比設計。配合比設計主要是以獲得良好的碎石級配、壓實效果和施工可行性為原則。本次試驗中，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，進行篩分試驗(圖1)，經篩分試驗，得出結果見表1，利用Excel分析工具得出所用集料的合成級配如圖2所示。

由于級配碎石的配合比以其各篩孔的通過量達到或接近規范要求的級配中值為最佳配合比。通過圖2可以看出，合成級配是選擇穩定碎石中10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm三檔碎石的比值為25∶45∶30，接近中值滿足規范的要求和穩定碎石級配標準。

圖1 篩分試驗

圖2 穩定碎石級配

1.1.2 確定最大干密度和最佳含水量

通過擊實試驗測得試樣的最佳含水量和最大干密度，用于后期無機結合料試樣制作。試驗方法：分別對0 %～5 %粉塵摻量的混合料進行擊實試驗，同時在最佳含水率附近取6個不同含水率，再按預定加水量和最佳配合比制備試樣。對每一組粉塵摻合水泥級配碎石取不同預加含水量為3 %、3.5 %、4 %、4.5 %、5 %、6 %進行六組擊實試驗，得出不同粉塵摻量水泥級配碎石的最佳含水量和最大干密度見表2。

1.2 無側限抗壓強度力學試驗

1.2.1 試驗過程

(1)試件制備：依據表1的穩定碎石的最優級配設計選擇集料的配比，依照表2的最大干密度和最佳含水率進行加水拌和制作試件，試件尺寸為直徑150 mm高150 mm，平行試件個數為6個。

表1 穩定碎石集料級配設計

表2 最大干密度和最佳含水量試驗結果

(2)試件養生：依據T0845-2009《公路工程無機結合穩定材料試驗規程》[8]無機結合料穩定材料養生方法，采用7 d、28 d、90 d的標準養生，最后一天均將試件浸水。

(3)試驗操作：采用萬能試驗機對試件進行無側限抗壓強度測試，壓力機速度為1 mm/min。記錄試件破壞時的最大壓力P(N)。按照式(1)計算試件的無側限抗壓強度。

(1)

式中:R為試件的無側限抗壓強度(MPa)；P為試件破壞時的最大壓力(kN)；A為試件的截面積。

D為試件的直徑。

1.2.2 實驗數據

取不同粉塵摻量下試件的最大抗壓強度值的均值得出表3，不同粉塵參量水泥穩定碎石無側限抗壓強度對比折線如圖3所示，不同養護齡期水泥穩定碎石無側限抗壓強度對比折線如圖4所示，不同粉塵參量水泥穩定碎石無側限抗壓強度較基本型減少百分比對比折線如圖5所示。

1.2.3 實驗分析

(1)分析圖3、圖4，相同粉塵摻量時，隨著養護時間的延長，無側限抗壓強度值增大。養護時間一定時，隨著粉塵摻量的增加，抗壓強度呈下降趨勢。采用的水泥穩定碎石材料是粗集料，水泥、細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，不斷填充結構中的空隙，使材料由原來的懸浮密實型結構向更加懸浮的情況加大，使粗顆粒相互分開，致使抗壓強度降低。

表3 不同粉塵摻量的最大抗壓強度值 MPa

圖3 試驗數據對比折線

圖4 試驗數據對比折線

圖5 較基本型減小百分比對比

(2)分析圖5，當養護時間為7 d時，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 %。當養護時間為28 d時，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 %。當養護時間為90 d時，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，其無側限抗壓值均減弱，但是摻加量小于3 %時對強度影響較小；超過3 %時，抗壓強度下降的幅度相對較大。

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

2 結論

(1)粉塵的摻入對于水泥穩定碎石的無側限抗壓強度有密切的影響。選擇穩定級配碎石混合料，在最大干密度和最佳含水率的條件下，隨著養護齡期的延長，無側限抗壓強度增加。

表4 水泥穩定類材料的壓實度及7d無側限抗壓強度要求

(2)同一養護齡期下，隨著粉塵摻量的增加，抗壓強度值減弱，但是摻加量小于3 %時對抗壓強度影響較小；摻加量過多時對強度影響較大。

(3)當粉塵摻量小于3 %時，抗壓強度能滿足重中交通道路設計的標準。

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