废旧沥青混合料和铁尾矿对水泥稳定碎石力学性能影响研究

赵 嘉 韩小文

(河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

近年来随着国家的发展，我国每年会产生大量的无机固体废弃物，如铁尾矿、RAP(废旧沥青混合料)等，大量无机固体废弃物的堆砌不仅会占用土地浪费国家资源，而且对环境造成污染，对人的身体健康造成危害，不利于社会的发展，因此对于此类无机固体废弃物的利用迫在眉睫.水泥稳定碎石具有稳定性好、强度高、整体性好等优点，被广泛应用于公路基层的建设施工中.若将铁尾矿和RAP分别替换水泥稳定碎石中的天然集料，并对混合料配比进行设计，使其各项性能均满足规范要求，从而既能保证实际工程施工质量，又能消耗无机固体废弃物，降低工程成本，保护环境，具有较高的社会价值和经济价值.

目前对于铁尾矿、RAP等再生集料的利用主要集中再水泥稳定铁尾矿和水泥稳定RAP的研究，尚宏世[1-4]等对废旧沥青进行了研究，结果表明RAP在合理掺入量的情况下可以代替部分天然集料在公路基层工程中使用.李军卫[5-7]等对改良铁尾矿用于道路基层材料进行了研究，结果表明铁尾矿可以作为公路基层施工材料使用.通过前人的研究发现，对铁尾矿和RAP单一利用的再生水泥稳定碎石的研究较多，对铁尾矿和RAP综合再生利用的研究较少，并且在单一利用一种无机固体废弃物的情况下，废弃物利用率不高，并且时常不能有很好的利用效果.

本文利用铁尾矿、RAP复合掺加的情况下，研究对水泥稳定碎石的强度的影响规律，并通过无侧限抗压强度与劈裂强度的比值衡量水泥稳定碎石的抗裂性能，得出公路基层施工中的推荐配比.

1 试验原材料

(1)试验采用的砂石为张家口市本地石料建材，水采用张家口市自来水.

(2)水泥采用河北金隅水泥厂生产的标号为P·O 42.5普通硅酸盐水泥.

(3)铁尾矿作为细集料使用，取自张家口本地的矿山.

(4)废旧沥青混合料(RAP)取自张家口市公路改造扩建工程中的废弃沥青混合料，并对其用颚式破碎机进行破碎.

对试验材料筛分试验结果如表1所示.

表1 集料的筛分试验结果

2 试验概况

2.1 混合料级配

根据《公路路面施工技术细则》(JTG F20-2015)[8]要求，混合料级配采用针对高级公路和一级公路的C-B-2型级配的级配中值作为设计级配.级配表见表2.级配曲线见图1.

表2 水泥稳定碎石的筛孔通过率

图1 级配曲线图

2.2 试验配比设计

根据《公路路面施工技术细则》(JTG F20-2015)[8]中推荐的水泥掺量范围，本实验采用水泥掺量4.5%，将铁尾矿掺量、RAP掺量作为自变量，采用复掺的方法，分别取0%、50%、100%三个水平.其中RAP替换的是0.6mm～9.5mm粒径范围的碎石，铁尾矿替换的是0.075mm～0.6mm粒径范围的沙子.实验分为五组，试验编号中R、T分别代表RAP和铁尾矿，数字代表掺量.试验分组概况如表3.

2.3 试件制备

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[9]进行击实试验，击实结果如表4所示.基于击实试验确定的最优含水率和最大干密度，按照压实度98%，采用静力压实的方法制备试件.试件尺寸直径为150mm，高为150mm，在标准养护室进行养护，养护龄期为7d.分别进行无侧限抗压强度试验、间接抗拉强度试验(劈裂试验).

表3 实验分组

表4 击实试验结果

3 试验结果与分析

3.1 无侧限抗压强度试验

固定一种集料掺量为50%的情况下，改变另一集料的掺量对水泥稳定碎石无侧限抗压强度影响试验结果如图2所示.

(a)固定RAP掺量为50% (b)固定铁尾矿掺量为50%

由图2可以看出固定一种集料掺量为50%的情况下，试件的无侧限抗压强度都随着另一集料掺量的增加而降低.由图2(a)可以看出在固定RAP掺量50%的情况下，试件的无侧限抗压强度随者铁尾矿掺量增加的影响并不强烈，呈现缓慢下降的趋势，并且三种配比中无侧限抗压强度最小值为5.75MPa，仍满足规范《公路路面施工技术细则》(JTG F20-2015)[8]中对水泥稳定材料7d无侧限抗压强度不小与5MPa的要求.而由图2(b)可以看出在固定铁尾矿掺量为50%情况下，三种配比强度平均值为6.185MPa超过了固定RAP掺量情况下三种配比强度平均值6.13MPa，但试件强度随着RAP掺量的增加下降较明显，并且三种配比中强度最小值为4.77MPa，不能满足要求.这是由于RAP替换的是0.6mm～9.5mm粒径范围的碎石，此粒径在混合料中是参与骨架的形成，而骨架对于试件的无侧限抗压强度影响较大，所以RAP的掺量对试件的无侧限抗压强度的影响较大.

3.2 间接抗拉强度试验(劈裂试验)

在不同配比情况下的水泥稳定碎石劈裂强度试验结果如表5所示.

表5 间接抗拉强度试验(劈裂试验)结果

(a)固定RAP掺量50% (b)固定铁尾矿掺量50%

(c)两种情况对比图

根据表5的实验数据，可以得出不同配比下水泥稳定碎石劈裂强度的关系如图3所示.由表5可以看出5种配比试件的劈裂强度都符合规范《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)[10]中不小于0.4MPa的要求.并且在固定一种集料掺量的情况下，试件劈裂强度都随着另一集料掺量的增加而降低.由图3(a)可以看出固定RAP掺量时，试件的劈裂强度随着铁尾矿掺量的增加缓慢下降，而在图3(b)中可以看出固定铁尾矿掺量的情况下，随着RAP掺量的增加而迅速降低，在图3(c)中可以看出固定铁尾矿掺量时试件的劈裂强度相对于固定RAP掺量时变化程度更加剧烈，并且固定RAP掺量的试件平均劈裂强度大于固定铁尾矿的情况，这说明混合料的劈裂强度相对于铁尾矿受RAP掺量的影响较大.

3.3 不同配比下劈裂强度与无侧限抗压强度之比

根据图2和图3可以发现在固定一种集料掺量的情况下，随着另一集料的掺入试件的无侧限抗压强度与劈裂强度都有着相同的规律性.水泥稳定碎石的劈裂强度其意义在于表征其抗拉性能，其无侧限抗压强度意义在于表征试件的抗压性能，在混凝土的研究领域内抗拉强度与抗压强度之比定义为拉压比，是评价混凝土抗裂性能的一个重要指标.本文借鉴混凝土领域内拉压比的概念[11]引入K值，其定义为劈裂强度与无侧限抗压强的比值，亦称其为拉压比.其大小用来衡量水泥稳定碎石的抗裂性能，K值越大抗裂性能越好，反之则抗裂性能越差.K值表达式如(1)所示.根据实验结果可得不同配比下各试件的K值，如表6所示.不同配比的K值对比如图4所示.

(1)

K——无侧限抗压强的与劈裂强度的之比，简称拉压比

Ri——试件的劈裂强度(MPa)

Rc——试件的无侧限抗压强(MPa)

表6 不同配比下各试件的K值

(a)固定RAP掺量50% (b)固定铁尾矿掺量50%

由图4可以看出在RAP掺量固定50%情况下，随着铁尾矿掺量增加值呈现先降低后猛烈增加的趋势，而在铁尾矿掺量固定50%时，随着RAP掺量增加值呈现先猛烈下降后趋于平缓，这说明固定铁尾掺量时，随着RAP掺量增加水泥稳定碎石的抗裂性能降低，而在RAP掺量50%情况下，高铁尾矿掺量的水泥稳定碎石值较大说明其有着良好的抗裂性能.

综上所述，编号R50T0、R50T50、R50T100、R0T50的试件都可以满足《公路路面施工技术细则》(JTG F20-2015)[8]中针对高级公路和一级公路的强度要求，其中RAP掺量50%、铁尾矿掺量100%配比的水泥稳定碎石有着较大的拉压比K值使得其抗裂性能优于其他配比.在工程实际中为了保证施工质量和高效率利用废弃无机材料，本文推荐在公路路面基层施工中使用配比为RAP掺量50%、铁尾矿掺量100%复掺的水泥稳定碎石.

4 结 论

本文通过研究RAP和铁尾矿的掺加对水泥稳定碎石强度的影响规律，主要得出如下结论：

(1)固定一种掺加剂掺量为50%的情况下，试件的无侧限抗压强度都随着另一掺加剂掺量的增加而降低，掺加RAP代替碎石形成骨架对试件的无侧限抗压强度相较于掺加铁尾矿的影响较大.

(2)在固定一种掺加剂量为50%的情况下，试件劈裂强度都随着另一掺加剂掺量的增加而降低.固定RAP掺量时，试件的劈裂强度随着铁尾矿掺量的增加缓慢下降，而在固定铁尾矿掺量的情况下，试件的劈裂强度随着RAP掺量的增加而迅速降低，所以改变RAP掺量对混合料的劈裂强度影响较大.

(3)利用拉压比来评价材料的抗裂性能.固定铁尾矿掺量50%时，随着RAP掺量增加水泥稳定碎石的抗裂性能降低，而在RAP掺量50%情况下，高铁尾矿掺量的水泥稳定碎石值较大说明其有着良好的抗裂性能.

(4)在工程实际中为了保证施工质量和尽可能多利用废弃无机材料的经济效益，推荐使用RAP掺量50%、铁尾矿掺量100%的配比.