掺RAP和铁尾矿的水泥稳定碎石击实试验研究

张立群 周 辉 张学峰 杨欢欢 林起飞

(河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

我国每年会产生大量的固体废弃物，如废旧沥青混合料(RAP)、铁尾矿等，大量固体废料的堆积不但占用土地，而且污染环境，对人的健康也有危害，因此对RAP和铁尾矿的消耗迫在眉睫.水泥稳定碎石具有强度高、整体性好、抗冻性能好等优点，被广泛应用于公路的基层.若将RAP和铁尾矿分别替换水泥稳定碎石中的天然集料，并对混合料进行合理的设计，使其各项性能均满足规范的要求，则能更多的消耗固体废料，同时能够降低工程成本，具有较高的社会效益和经济效益.目前对RAP和铁尾矿的再生利用主要集中在水泥稳定废旧沥青混合料和水泥稳定铁尾矿的研究，林通[1-4]等对水泥稳定沥青路面铣刨料进行了研究，结果表明在合理设计的情况下，RAP可以替代部分的天然集料应用在公路基层，张智豪[5-7]等对改良铁尾矿用于道路基层材料进行了研究，结果表明将铁尾矿作为基层填料是可行的，而且掺有铁尾矿的水泥稳定碎石其力学性能和耐久性能得到了改善.

通过参考前人的研究，发现仅对掺有RAP水泥稳定碎石和掺有铁尾矿的水泥稳定碎石研究较多，鲜有见到对RAP和铁尾矿的综合再生利用进行研究，且固体废料的再生利用率也不高，因此有必要对RAP和铁尾矿的综合再生利用进行探究.且大部分人使用的是全因子试验方法，该方法虽然具有同时观察多个因素的效应、提高实验效率、最找最优方案等特点，但劣势也非常明显，例如试验次数多，耗费的人力、物力多，当考察的因素和水平较多时,研究者很难承受.若采用正交设计试验方法，则能达到更好的效果.正交设计是研究多因素、多水平的一种试验设计方法，从全面试验中挑选出部分具有代表性的点进行试验，这些点具有“均匀分散、齐整可比”的特点，以最少的试验次数达到与大量全面试验等效的结果[8].本文用正交设计方法对掺RAP和铁尾矿的水泥稳定碎石的击实特性进行研究，研究各因素掺量对水泥稳定碎石的最优含水量、最大干密度的影响规律，并对其进行回归分析，建立了最优含水量和最大干密度的预测模型.

1 试验的原材料

(1)水泥.采用张家口市金隅水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，水泥标号为P·O 32.5，试验用水为自来水.

(2)废旧沥青混合料(RAP).为张家口市公路改造扩建中废弃的沥青混合料,用颚式破碎机对其进行破碎，并对其进行筛分，筛分试验结果如表1所示.

表1 集料的筛分试验结果

(3)铁尾矿.来自张家口矿山上的铁尾矿，铁尾矿作为细集料使用.

(4)碎石、砂子.来自张家口本地的石料，共分为0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm四档新石料.

2 试验方案

2.1 级配的选择

混合料的级配采用的是《公路路面施工技术细则》(JTG F20-2015)[9]中针对高级公路和一级公路要求的级配，选用的是C-B-2型级配，将级配中值作为试验的设计级配，级配表见表2，级配曲线图见图1.

图1 级配曲线图

表2 水泥稳定碎石的筛孔通过率

2.2 混合料配合比设计

本文采用正交设计方法，将水泥掺量、RAP掺量、铁尾矿掺量做为三个自变量，其中水泥掺量取三个水平，分别为4%、5%、6%，RAP掺量和铁尾矿掺量均取0%、50%、100%三个水平.本试验只考虑了三个因素，每个因素有三水平，固选用4因素3水平正交表，用L9(34)表示，共做9组试验.其中A为水泥掺量，B为RAP掺量，C为铁尾矿掺量.其中RAP替换的是0.6～9.5 mm粒径范围的碎石，铁尾矿替换的是0.075～0.6 mm粒径范围的砂子.表3为因素水平表，正交试验表及实验结果如表4所示.

表3 因素水平表

表4 正交试验表及试验结果

2.3 击实试验

采用重型击实法进行击实试验，试验参数为：击锤质量4.5 kg,锤击面直径5.0 cm，击锤落高为45 cm，锤击层数3层，每层锤击次数98次，平均单位击实功为2.677 J,击实筒尺寸为直径15.2 cm，高度为12.0 cm，体积为2177 cm3，击实试验步骤根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[10]中的要求进行，为了保证每个试件的级配相同，混合料配料前碎石、RAP、铁尾矿、石屑均要进行筛分、分档.

3 试验结果分析及预测模型

3.1 方差分析

3.1.1 最优含水量方差分析

试验结果如表4所示，用SPSS 25.0软件对最优含水量进行方差分析，方差分析结果如表5所示，表5最优含水量一栏中P水泥小于0.05,可知水泥掺量对最优含水量的影响是显著的.而PRAP和P铁尾矿的值均大于0.05，可知RAP掺量和铁尾矿掺量对最优含水量的影响不显著.且F水泥>FRAP>F铁尾矿，可知各因素掺量对最优含水量影响的强弱顺序依次为水泥掺量、RAP掺量、铁尾矿掺量.

图2至图4为各因素掺量对最优含水量影响的趋势图，由图2可知，随着水泥掺量的增加，混合料的最优含水量是增大的，且增长速度较快.由图3可知，随着RAP掺量的增加，混合料的最优含水量是降低的，且降低速度较慢.由图4可知，随着铁尾矿掺量的增加，混合料的最优含水量是略微增大的，且增长速度缓慢，变化不大.

图4 铁尾矿掺量对最优含水量影响 图5 水泥掺量对最大干密度影响

图2 水泥掺量对最优含水量影响 图3 RAP掺量对最优含水量影响

3.1.2 最大干密度方差分析

对最大干密度进行方差分析，方差分析结果如表5所示，表5最大干密度一栏中PRAP小于0.05,可知RAP掺量对最大干密度的影响是显著的.而P水泥和P铁尾矿的值均大于0.05，可知水泥掺量和铁尾矿掺量对最大干密度的影响不显著.且FRAP>F铁尾矿>F水泥，可知各因素掺量对最大干密度影响的强弱顺序依次为RAP掺量、铁尾矿掺量、水泥掺量.

表5 方差分析结果

图5至图7为各因素掺量对最大干密度影响的趋势图，由图5可知，随着水泥掺量的增加，混合料的最大干密度是增大的，且增长速度较慢.由图6可知，随着RAP掺量的增加，混合料的最大干密度是降低的，且降低速度较快.由图7可知，随着铁尾矿掺量的增加，混合料的最大干密度是略微增大的，且增长速度缓慢.

图6 RAP掺量对最大干密度影响 图7 铁尾矿掺量对最大干密度影响

3.2 回归分析及预测模型

3.2.1 最优含水量回归分析及预测模型

用SPSS 25.0软件对最优含水量进行多元线性回归分析，回归分析结果如表6所示，表6可知最优含水量一栏中P值小于0.01，说明建立的最优含水量的多元线性回归模型是显著的,且R2=0.892，模型拟合度较高.其中P水泥小于0.01，表明水泥掺量对最优含水量影响显著，PRAP、P铁尾矿均大于0.01，表明RAP掺量和铁尾矿掺量对最优含水量影响不显著，分析结果与方差分析结果一致，表7为回归系数表，根据回归系数建立最优含水量的多元线性回归模型，回归模型如式1所示：

表7 回归模型系数

Y1=5.740+0.374X1-0.149X2+0.035X3

(1)

其中Y1表示最优含水量，X1表示水泥掺量、X2表示RAP掺量，X3表示铁尾矿掺量.

3.2.2 最大干密度回归分析及预测模型

对最大干密度进行多元线性回归分析，回归分析结果如表6所示，表6可知最大干密度一栏中P值小于0.01，说明建立的最大干密度的多元线性回归模型是显著的,且R2=0.906，模型拟合度较高.其中PRAP小于0.01，表明RAP掺量对最大干密度影响显著，P水泥、P铁尾矿均大于0.01，表明水泥掺量和铁尾矿掺量对最大干密度影响不显著，分析结果与方差分析结果一致，根据回归系数建立最大干密度的多元线性回归模型，回归模型如式2所示：

表6 回归模型分析表

Y2=2.323+0.002X1-0.012X2+0.004X3

(2)

其中Y2表示最大干密度，X1表示水泥掺量、X2表示RAP掺量，X3表示铁尾矿掺量.

5 结 论

(1)对最优含水量进行方差分析，可知水泥掺量对最优含水量的影响显著，RAP掺量和铁尾矿掺量对最优含水量的影响不显著，且各因素掺量对最优含水量影响的主次关系为水泥掺量、RAP掺量、铁尾矿掺量.随着水泥掺量和铁尾矿掺量的增加,最优含水量呈现增长的趋势，随着RAP掺量的增加,最优含水量呈现下降的趋势.

(2)对最大干密度进行方差分析，可知RAP掺量对最大干密度的影响显著，水泥掺量和铁尾矿掺量对最大干密度的影响不显著,且各因素掺量对最大干密度影响的主次关系为RAP掺量、铁尾矿掺量、水泥掺量.随着RAP掺量的增加,最大干密度呈现下降的趋势，随着水泥掺量和铁尾矿掺量的增加,最大干密度呈现上升的趋势.

(3)对最优含水量和最大干密度进行回归分析，分析结果与方差分析结果保持一致，并建立了多元线性回归模型，最优含水量预测模型为：Y1=5.740+0.374X1-0.149X2+0.035X3，最大干密度预测模型为：Y2=2.323+0.002X1-0.012X2+0.004X3，且两个模型的拟合度均较高.