回收粉尘掺配水泥稳定碎石抗压强度试验分析

梁东彪， 吴红胜

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610000； 2.辽宁工程技术大学土木交通学院，辽宁阜新 123000)

沥青路面是我国公路路面结构的主要型式,然而在沥青混合料的生产中会产生大量的粉尘。粉尘对于环境和土地的污染极大，沥青拌合站每年都要投入大量资金对废粉进行处理[1]，因此如何对粉尘进行有效利用已成为一个亟待解决的问题。水泥稳定碎石是我国公路建设中常用的一种基层材料，具有很高的强度[2]。刘景东[3]对粉尘掺配水泥稳定碎石的干缩性能进行了研究，但对其无侧限抗压强度的影响尚不明确。故本次试验针对沥青拌合站回收粉尘代替部分矿粉掺配水泥稳定碎石进行研究，分析粉尘的掺入对水泥稳定碎石的无侧限抗压强度影响[4-6]。对比道路工程设计规范[7]，通过分析粉尘的掺入对水泥级配碎石的无侧限抗压强度影响，给出粉尘掺量的合适范围，使其能用于道路路基混合料施工当中，同时对能源生产、资源利用、环境保护等问题的进一步研究也具有重要意义。

1 试验内容

1.1 试件设计

1.1.1 集料配合比设计

采用10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm三档碎石集料进行配比设计。配合比设计主要是以获得良好的碎石级配、压实效果和施工可行性为原则。本次试验中，回收粉尘采用的是沥青拌合站的回收粉尘；水泥选取普通硅酸盐水泥，进行筛分试验(图1)，经筛分试验，得出结果见表1，利用Excel分析工具得出所用集料的合成级配如图2所示。

由于级配碎石的配合比以其各筛孔的通过量达到或接近规范要求的级配中值为最佳配合比。通过图2可以看出，合成级配是选择稳定碎石中10～20 mm、5～10 mm、0～5 mm三档碎石的比值为25∶45∶30，接近中值满足规范的要求和稳定碎石级配标准。

图1 筛分试验

图2 稳定碎石级配

1.1.2 确定最大干密度和最佳含水量

通过击实试验测得试样的最佳含水量和最大干密度，用于后期无机结合料试样制作。试验方法：分别对0 %～5 %粉尘掺量的混合料进行击实试验，同时在最佳含水率附近取6个不同含水率，再按预定加水量和最佳配合比制备试样。对每一组粉尘掺合水泥级配碎石取不同预加含水量为3 %、3.5 %、4 %、4.5 %、5 %、6 %进行六组击实试验，得出不同粉尘掺量水泥级配碎石的最佳含水量和最大干密度见表2。

1.2 无侧限抗压强度力学试验

1.2.1 试验过程

(1)试件制备：依据表1的稳定碎石的最优级配设计选择集料的配比，依照表2的最大干密度和最佳含水率进行加水拌和制作试件，试件尺寸为直径150 mm高150 mm，平行试件个数为6个。

表1 稳定碎石集料级配设计

表2 最大干密度和最佳含水量试验结果

(2)试件养生：依据T0845-2009《公路工程无机结合稳定材料试验规程》[8]无机结合料稳定材料养生方法，采用7 d、28 d、90 d的标准养生，最后一天均将试件浸水。

(3)试验操作：采用万能试验机对试件进行无侧限抗压强度测试，压力机速度为1 mm/min。记录试件破坏时的最大压力P(N)。按照式(1)计算试件的无侧限抗压强度。

(1)

式中:R为试件的无侧限抗压强度(MPa)；P为试件破坏时的最大压力(kN)；A为试件的截面积。

D为试件的直径。

1.2.2 实验数据

取不同粉尘掺量下试件的最大抗压强度值的均值得出表3，不同粉尘参量水泥稳定碎石无侧限抗压强度对比折线如图3所示，不同养护龄期水泥稳定碎石无侧限抗压强度对比折线如图4所示，不同粉尘参量水泥稳定碎石无侧限抗压强度较基本型减少百分比对比折线如图5所示。

1.2.3 实验分析

(1)分析图3、图4，相同粉尘掺量时，随着养护时间的延长，无侧限抗压强度值增大。养护时间一定时，随着粉尘掺量的增加，抗压强度呈下降趋势。采用的水泥稳定碎石材料是粗集料，水泥、细集料则填充于粗集料形成的空隙之中，而硬化后的水泥石以及细集料在混合料中所在的体积较小，不足以填满骨架之间的空隙。随着粉尘的逐渐加入，不断填充结构中的空隙，使材料由原来的悬浮密实型结构向更加悬浮的情况加大，使粗颗粒相互分开，致使抗压强度降低。

表3 不同粉尘掺量的最大抗压强度值 MPa

图3 试验数据对比折线

图4 试验数据对比折线

图5 较基本型减小百分比对比

(2)分析图5，当养护时间为7 d时，1 %、2 %、3 %、4 %、5 %粉尘掺量较基本型减小分别为4.96 %、 8.18 %、13.65 %、32.20 %、34.24 %。当养护时间为28 d时，1 %、2 %、3 %、4 %、5 %粉尘掺量较基本型减小分别为8.85 %、11.91 %、18.77 %、40.91 %、45.19 %。当养护时间为90 d时，1 %、2 %、3 %、4 %、5 %粉尘掺量较基本型减小分别为7.04 %、14.32 %、19.35 %、39.14 %、43.08 %。得出随粉尘的掺量大，其无侧限抗压值均减弱，但是掺加量小于3 %时对强度影响较小；超过3 %时，抗压强度下降的幅度相对较大。

(3)分析可知表3和表4，养护7 d后的试件粉尘剂量1 %～3 %达到3.48 MPa以上，满足中、重交通的标准，但粉尘掺量4 %与5 %水泥掺量后的抗压强度只达到2.73 MPa，仅能满足轻交通的标准。根据表3所示养护28 d和90 d后的试件的抗压强度均大于养护7 d试件的抗压强度值，所以大于或等于7 d养护龄期下的，粉尘掺量小于3 %时，均能满足重、中交通道路的标准，大于3 %时，只能满足轻交通道路的标准。

2 结论

(1)粉尘的掺入对于水泥稳定碎石的无侧限抗压强度有密切的影响。选择稳定级配碎石混合料，在最大干密度和最佳含水率的条件下，随着养护龄期的延长，无侧限抗压强度增加。

表4 水泥稳定类材料的压实度及7d无侧限抗压强度要求

(2)同一养护龄期下，随着粉尘掺量的增加，抗压强度值减弱，但是掺加量小于3 %时对抗压强度影响较小；掺加量过多时对强度影响较大。

(3)当粉尘掺量小于3 %时，抗压强度能满足重中交通道路设计的标准。

因此，在道路施工中水泥稳定碎石掺入一定量的粉尘不会造成强度的明显降低，并且减少其它材料用量的同时还可以有效地利用沥青拌合站回收的粉尘，减少空气污染等环保问题。