瀝青拌和站回收粉對水泥砂漿路用性能影響分析

楊 威,熊文君

（1.浙江浙交檢測技術有限公司,浙江 杭州 310000; 2.中交二航局建筑科技有限公司 , 湖北 武漢 430000）

0 引言

瀝青混合料由粗集料、細集料、瀝青、填料和部分摻合料組成，其中填料是瀝青混合料的重要組成部分，瀝青只有和填料形成膠漿并與粗細集料產生黏結作用，才能最大可能地發揮瀝青混合料應有的功能。瀝青混合料生產過程中，冷料倉的集料并未全部進入熱料倉用于瀝青混合料生產，原因是碎石經加工場加工完成后的粗細集料所含有的部分碎屑顆粒往往在生產過程中會被瀝青拌和站加熱除塵系統清除，不會出現在成品瀝青混合料中。這些通過加熱除塵系統清除的顆粒會通過回收裝置回收至特定的回收粉罐中儲存。對于回收粉的研究，張彥鋒[1]利用回收粉替代礦粉，研究回收粉對于瀝青混合料性能的影響，得出回收粉的摻入顯著增大了復合填料的塑性指數，且分別使動穩定度降低14%與20%、殘留穩定度降低5%與9%、凍融劈裂強度比降低9%與15%、破壞應變降低17%與25%。這些數據表明回收粉對填料性能指標以及瀝青混合料路用性能均具有顯著不利影響，因此不建議高等級公路使用回收粉。但回收粉在水泥混凝土中的應用研究涉及較少，在水泥砂漿中的應用研究更少[2]。

瀝青混合料生產單位針對回收粉，一般采用直接廢棄或作為填料摻入瀝青混合料中這兩種處理方法。施工過程中施工方以回收粉替代部分礦粉作為填料在瀝青混合料中應用，其依據是《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中4.10.2條規定：拌和機的粉塵可以作為礦粉一部分使用。但每盤用量不得超過填料總量的25%，摻有粉塵填料的塑性指數不得大于4%[3]。部分施工方因業主有質量要求，為保證瀝青混合料質量，只得將回收粉廢棄處理。廢棄的回收粉一方面會造成極大浪費，另一方面倘若處理不善，會對生態環境造成較大破壞[4]。兩種處理方式中第二種處理方式是相對經濟的，但是也只能解決一部分回收粉的歸屬，剩下的部分依然通過廢棄方式處理。縱觀公路工程建設項目，附屬結構設施對于抗壓強度要求較低，如漿砌排水溝、漿砌擋墻、砂漿墊層等。將回收粉利用到這些結構中去，一方面能解決回收粉的處理問題，另一方面也能節省一部分廢棄處理費，故而有必要研究回收粉對水泥砂漿的路用性能的影響。該文利用回收粉替代水泥砂漿中部分水泥拌制成回收粉砂漿，測定不同回收粉摻量下，水泥砂漿的抗壓強度、稠度指標，并對試驗結果進行分析。

1 研究背景

在我國瀝青路面發展建設初期，碎石加工工藝不完善，生產的碎石、機制砂中含有部分雜質和泥粉，在經過加熱除塵系統后，碎石和機制砂中的雜質和泥粉伴隨碎屑顆粒均被回收至儲存罐中，導致回收粉雜質和泥粉太多，不宜用于工程實體。隨著國家加大對公路建設行業資金投入，碎石加工生產工藝不斷進步和完善，加工的碎石質量越來越好。例如，臨建高速項目橋梁工程、路面工程碎石生產采用顎式破碎機、圓錐破碎機、沖擊式破碎機及振動篩進出口分別設置除塵裝置，以控制粉塵；機制砂設備通過對給料機、顎式破碎機、單缸液壓圓錐式破碎機、立式沖擊破碎機和除塵系統有效組合，以確保機制砂質量；采用智能化控制系統，實時全自動控制設備運行；通過塔樓自動化控制系統調整引風機的功率及風門大小，精確控制含粉量。先進的加工工藝確保所生產的碎石、機制砂中的雜質和泥粉含量降至最低。

回收粉是瀝青拌和站加熱除塵系統的產物，其自身質量會伴隨瀝青混合料生產過程、原材料含水率、原材料母巖性能變化而變化。瀝青拌和站除塵過程主要是通過重油或者天然氣燃燒、負壓除塵兩個過程將原材料加工成滿足溫度和石粉含量的熱料，而燃燒火焰長度和負壓大小主要是取決于原材料的含水率和碎石中碎屑含量。在工程建設標準化推進下，瀝青混合料拌和站基本都搭設了防雨雪料棚，基本能保證進入存料區的原材料含水率。但是，大多原材料加工場無法保證所加工材料的含水率，主要原因在于：為滿足環境保護要求，加工細集料時一般采用濕法除塵，且加工完后的原材料大多通過露天堆放等方式存儲，故而進入拌和場的原材料的含水率是存在一定波動的。當原材料的含水率波動較大，則負壓大小和火焰燃燒長度亦跟著調整，以使進入熱料倉的熱料滿足相應的溫度和石粉含量要求。隨著負壓大小的調整，被吸入回收倉的回收粉細度是隨時變化的[3]。負壓大，進入回收倉的顆粒粒徑越大。負壓小，進入回收倉的顆粒粒徑越小。瀝青混合料生產過程中，當所使用的原材料是自加工碎石時，其自加工碎石所用母材一般為隧道掘進的洞渣，而隧道洞渣是隨著掘進深度不斷發生變化的，不同掘進深度的洞渣其酸堿性是不同的，進一步導致回收粉的酸堿性發生變化。不同的酸堿性和不同細度的石粉顆粒組成，通過瀝青拌和站加工所形成的回收粉，其塑性指數也各不相同。綜上所述，難以控制的細度、變化較大的塑性指數、變化較大的酸堿性都是回收粉用于工程建設項目中需要考慮的問題。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

該次試驗所采用的水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，產地為安徽寧國，檢測結果見表1。細集料采用臨建高速某標段通過自建碎石加工場生產的機制砂，檢測結果見表2。水為試驗室自來水。回收粉采用臨建高速公路項目路面某分部生產的回收粉，其為SUP-25瀝青混合料施工過程中，通過瀝青拌和站加熱除塵系統回收的回收粉。檢測結果見表3。

表1 水泥檢測結果

表2 細集料檢測結果

表3 回收粉檢測結果

2.2 試驗配合比

水泥砂漿由水泥、砂及水組成，其強度取決于膠結材料與砂相互作用，即膠凝材料大小在很大程度上決定了水泥砂漿的路用性能。水泥砂漿抗壓強度和稠度是水泥砂漿路用性能的關鍵實測項目，故而研究水泥砂漿的抗壓強度和稠度即能反映其路用性能。該次采用臨建高速某項目M15砂漿配合比作為基準，確定不同摻量的回收粉進行處理方案的優劣研究。以質量比為0%、10%、20%、30%、40%、50%的回收粉替代相同質量的水泥來配制回收粉水泥砂漿，按替代質量比的大小將拌制成的回收粉砂漿分成5組，每組編號從小到大分別以1、2、3、4、5表示。具體試驗配合比及試驗結果見表4。

表4 配合比及試驗結果

2.3 試驗方法

2.3.1 回收粉水泥砂漿拌制方法

根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420—2020）拌制，將砂漿攪拌鍋清洗干凈，并保持鍋內濕潤；按配合比拌制不少于30%容量同配比砂漿，使攪拌機內壁掛漿，并將剩余料卸出；將稱量好的細集料、膠凝材料、水依次倒入攪拌機內，立即開動攪拌機，攪拌時間不少于120 s[5]，其中膠凝材料包括水泥和回收粉，回收粉和水泥在相同時間倒入攪拌鍋中。

2.3.2 砂漿稠度試驗方法

根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420—2020）測定砂漿稠度，用稠度值表示。

2.3.3 測定砂漿抗壓強度試驗方法

抗壓強度試件選擇70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體（有底試模），試驗采用30 t萬能試驗機進行抗壓強度測定，根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420—2020）的規定以0.3～0.5 MPa/s的速率進行加載，采用微機自動控制直至試件破壞記錄荷載力值，計算試件抗壓強度。

該次試驗選擇6個回收粉摻量共12組試件，共36個試件。

2.3.4 主要儀器與設備

砂漿攪拌機：STWJ—15，天津市建儀試驗儀器廠；

砂漿稠度儀：STSC—145，浙江土工儀器制造有限公司；

電子天平：JSB30—1，上海浦春計量儀器有限公司；

液壓萬能試驗機：WES—300B，浙江土工儀器制造有限公司。

3 試驗結果分析

3.1 不同回收粉摻量的砂漿稠度測定

由表4可以看出，當回收粉摻量從0%增加到10%時，稠度增加量為3.30 mm，增長率為4.1%；當回收粉摻量從10%增加到20%時，稠度增加量為0.53 mm，增長率為0.6%；當回收粉摻量從20%增加到30%時，稠度降低量為3.87 mm，稠度降低率為-4.6%；當回收粉摻量從30%增加到40%時，稠度降低量為0.21 mm，稠度降低率為-0.3%；當回收粉摻量從40%增加到50%時，稠度減少量為3.34 mm，稠度降低率為4.1%。根據試驗結果可以分析，當膠凝材料總量一定時，隨著回收粉摻量逐漸增加，稠度呈先上升后下降的趨勢，在回收粉摻量為20%時，回收粉水泥砂漿稠度數據存在峰值；膠凝材料總量一定，回收粉摻量從0%增加到20%過程中，砂漿稠度隨著回收粉摻量增加而增加；膠凝材料總量一定，回收粉摻量從20%增加到50%過程中，砂漿稠度隨著回收粉摻量增加而減小，而且明顯在該過程中下降速率較大。

綜上所述，當膠凝材料總量不變，砂漿稠度變化有兩個顯著過程，20%回收粉摻量為兩個變化過程的分水嶺，在回收粉摻量小于20%時，回收粉的摻加對水泥砂漿的稠度有促進作用，起著促進劑的效果，稠度數據隨回收粉摻量增加而增加；而回收粉摻量大于20%時，回收粉的弊端就暴露出來了，其在很大程度上對砂漿稠度起著抑制作用，稠度數據隨回收粉摻量增加而減小；回收粉摻量20%為水泥砂漿稠度的最佳摻入量。

3.2 不同回收粉摻量的砂漿抗壓強度測定

由表4可以看出，當總膠凝材料摻量保持不變，回收粉摻量從0%增加到10%時，砂漿7 d和28 d抗壓強度分別下降0.9 MPa和2.7 MPa，降低率分別為5.8%和11.2%；回收粉摻量從10%增加到20%時，砂漿7 d抗壓強度基本保持不變，28 d抗壓強度下降0.8 MPa，降低率為3.8%；回收粉摻量從20%增加到30%時，砂漿7 d和28 d抗壓強度分別下降3.0 MPa和4.5 MPa，降低率分別為20.3%和22.1%；回收粉摻量從30%增加到40%時，砂漿7 d和28 d抗壓強度分別下降3.8 MPa和4.0 MPa，降低率分別為32.2%和25.2%；回收粉摻量從40%增加到50%時，砂漿7 d和28 d抗壓強度分別下降2.2 MPa和3.4 MPa，降低率分別為27.5%和28.6%。根據試驗結果分析，當膠凝材料總量保持不變時，回收粉摻量從0%增加到50%的過程中，水泥砂漿的7 d和28 d抗壓強度均呈下降趨勢；膠凝材料總量保持不變，回收粉摻量從0%增加到10%的過程中砂漿的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度降低率分別為5.8%和11.2%，回收粉摻量從10%增加到20%時，砂漿強度降低率減小到5%以下，回收粉摻量超過20%后，砂漿的7 d和28 d抗壓強度呈陡降趨勢，降低率均大于20%。當膠凝材料總量保持不變，回收粉摻量控制在20%以內時，砂漿7 d抗壓強度下降趨勢緩慢，在20%摻量下其7 d抗壓強度能達到設計強度的99%；回收粉摻小于20%時，水泥砂漿28 d抗壓強度下降緩慢且摻量20%時28天抗壓強度能達到配合比的配置強度；當摻量達到30%時，其28 d抗壓強度能達到設計強度的106%；通過最小二乘法計算得出，當回收粉摻量達到32%時，砂漿28天抗壓強度能滿足設計強度要求。

4 結論

（1）水泥砂漿中摻加部分回收粉后，其稠度呈拋物線趨勢變化；摻量為20%時，稠度達到最大值，之后隨著回收粉摻量增加稠度呈下降的趨勢。

（2）水泥砂漿中摻加回收粉后，砂漿抗壓強度呈下降趨勢；當摻量從0%增加到20%過程中，砂漿抗壓強度下降幅度較小；當摻量超過20%后，砂漿抗壓強度急劇下降；當摻量超過32%后28 d抗壓強度將不滿足設計要求。

（3）回收粉摻量在小于32%情況下，水泥砂漿的28 d強度能保證達到設計要求，證明在保證設計要求的前提下，回收粉可以替代部分水泥。

（4）綜合各方面因素，最終確定回收粉摻量為20%時，水泥砂漿的路用性能最佳。