回收粉对水泥稳定碎石基力学强度的影响.pdf

June2023年6 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.3第3期（总第2 8 2 期）山西交通科技回收粉对水泥稳定碎石基层力学强度的影响温浩（山西交通科学研究院集团有限公司，山西太原030006)摘要：回收粉是沥青混合物生产的主要副产品，其回收利用对保护环境和节约资源具有重要意义。为了探究回收粉在半刚性基层中规模化利用的可行性，研究了掺量对水泥稳定碎石力学性能的影响规律。结果表明，回收粉的掺加对水泥稳定碎石击实特性和力学强度影响显著，表现在最大干密度随掺量先增加后小幅下降，而最佳含水率随着掺量剧增，掺量大于4%以后趋于稳定；无侧限抗压强度随着回收粉掺量的增加而呈现抛物线趋势，并且存在最佳的回收粉掺量；劈裂强度随回收粉掺量线性增加。关键词：道路基层；回收粉；水泥稳定碎石；力学强度中图分类号：U416.212文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-35 2 8（2 0 2 3)0 3-0 0 1 6-0 3Influence of Recycled Powder on Mechanical Strength ofCement Stabilized Macadam FoundationWENHao(Shanxi Transportation Research Institute Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030006,China)Abstract:Recycled powder is the main side product in producing asphalt mixtures,and its recyclingand reuse have an important significance for protecting the environment and saving resources.To explore thefeasibility of the large-scale utilization of recycled powder in the semi-rigid foundation,this paper studiedthe influencing law of its content on the mechanical properties of the cement stabilized macadam.Theresults showed that adding recycled powder significantly affected the compaction characteristics andmechanical strength of the cement stabilized macadam.Specifically,with the increasing content of recycledpowder,the maximum dry density initially increased and then slightly decreased,while the optimal watercontent dramatically increased and tended to be stable after the content was over 4%.The unconfinedcompressive strength showed a parabolic trend with the increase of recycled powder,and there was theoptimum content.However,the splitting strength increased linearly with the increasing content of recyclingpowder.Key words:road foundation;recycled powder;cement stabilized macadam;mechanical strength0引言半刚性基层由于其刚度大、耐久性好等优点，被广泛用于国内外路面施工。然而，由于砂石材料的短缺导致高质量的道路建筑材料变得越来越稀缺且价格急剧上涨。为解决不可再生建筑资源短缺问题，将工业废弃物转化为道路建设材料的方法已成为学者们最具挑战性的话题之一。目前，有大量的工业废料残渣逐渐被认为可以替代砂石材料并应用于路面施工，如尾矿、赤泥、钢渣、粉煤灰以及建筑固体废物和再生路面材料等 2-7 回收粉是指在沥青混合料生产过程中获得的粉尘颗粒，其粒径一般小于0.0 7 5 mm，主要矿物成分为碳酸钙和二氧化硅。作为工业废物，大量堆积或填埋处理浪费大量土地且对环境造成不可逆的危害，如果回收粉能够充分回收并应用于道路施工，这对促进资源再收稿日期：2 0 2 2-1 1-0 7；修回日期：2 0 2 2-1 2-2 9作者简介：温治浩（1 9 8 8 一），男，山西柳林人，工程师，工程硕士，2 0 1 6 年毕业于北京交通大学软件工程专业。17温浩：回收粉对水泥稳定碎石基层力学强度的影响2023年第3期生和环境保护具有重要意义，国内外学者对此展开了大量研究。李媛媛8 研究了回收粉的粒度分布、密度和化学成分对沥青混合料的影响，认为过量添加回收粉会使沥青混合物变硬，变脆且难以压实。张彦锋 9 研究了用回收粉替代矿粉在沥青混合料中应用的可行性，指出掺回收粉的沥青混合料马歇尔稳定度和流值满足要求。钟小霞1 0 认为回收粉掺量小于1 5%时对混凝土强度基本无负面影响。姜炜则认为回收粉作为矿粉使用会对沥青混合料水稳定性和高温性能不利。上述研究主要集中在回收粉对沥青混合料和水泥混凝土性能的影响上，关于回收粉在路面基层中的利用鲜有研究。基于此，本文开展了回收粉对水泥稳定碎石力学强度的影响研究，提出了回收粉在道路基层应用的合理掺量。1原材料与试验方法1.1原材料1.1.1回收粉试验所用回收粉取自河南平顶山某沥青混合料拌合站，其技术指标见表1。表1回收粉技术性质比表面积/密度/下列筛孔通过率/%(mkgl)(gm)0.6 mm0.3 mm0.075 mm4382.6110097.195.41.1.2水泥试验所用水泥为P.042.5，技术指标见表2。表2 水泥技术指标凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa试验指标安定性/%初凝 终凝3d28d3d28d检测结果11583604.95.526.743.41.2级配级配采用公路沥青路面施工技术规范中骨架密实级配，筛孔通过率见表3。表3集料级配范围单位：%通过下列筛孔尺寸质量百分率级配37.531.5199.54.752.360.60.075mmmmmmmmmmmmmmmm骨架密实级配10090100609350753055522371016151.3试验方案研究回收粉掺量和龄期对水泥稳定碎石力学强度的影响，掺量选择2%、4%6%、8%，并选择不掺回收粉作为对照组，龄期为7 d、1 4 d、2 8 d、6 0 d、9 0 d,参照无机结合料试验规程进行强度试验2结果与讨论2.1最大干密度和最佳含水率使用重型击实法测试不同回收粉掺量下水泥稳定碎石的最大干密度和最佳含水率，结果如图1 所示。水泥掺量选择4%，回收粉掺量选择0、2%、4%、6%、8%。2.3604.854.802.3554.752.3504.702.345最佳含水率一最天密度4.652.340元4.6002468回收粉掺量/%图1最大干密度和最佳含水率变化规律如图1 所示，水泥稳定碎石的最大干密度随回收粉掺量的增加而逐渐增加，当回收粉掺量为4%时达到最大值2.35 5 g/cm，此后，随回收粉掺量持续增加小幅度下降。最佳含水率随着回收粉掺量的增加急剧增加，在掺量4%8%时轻微增长。究其原因在于回收粉的微聚合填充效应，可以将适量的回收粉填充到水泥稳定碎石的骨架结构中以增加其最大干密度，然而，过量的回收粉会影响骨架结构的形成，从而减少最大干密度。此外，由于回收粉的比表面积大于天然细集料的比表面积，因此在压实过程中需要更多的水，导致混合料的最佳含水率随回收粉掺量的增长而逐渐增大2.2无侧限抗压强度研究龄期和回收粉掺量对水泥稳定碎石力学强度的影响，使用的水泥掺量为4%，采用的回收粉掺量为0、2%、4%、6%、8%。如图2 所示，掺回收粉的水泥稳定碎石无侧限抗压强度随龄期的增长逐渐增大，具体而言，混合料在14d龄期之前急剧增加，并在2 8 d后减慢。5.65.45.25.04.84.6RP-0RP=2%-4-RP=4%RP=6%4.0+RP=8%福3.820406080100养生龄期d图2无侧限抗压强度随龄期增长规律无论何种掺量下，水泥稳定碎石的强度增长曲线均有一条相应的水平渐近线。从曲线可以看出，当龄期超过9 0 d后无侧限抗压强度基本不会继续增长，即说明水泥稳定碎石的强度随着龄期的增加而无限接近水平渐近，因此水平渐近线表示极限强度。主要原因在于含有回收粉的水泥稳定碎石的力学强度的形成主要来自于水泥和集料间骨架，在骨架强度不变的情况下，水泥和水之间不断发生各种复杂的化学反应对混合料强度影响较大。混合料的初始强度主要是由于物理作用和物理化学反应，即骨料之间的摩擦和部分水182023年第3期山西交通科技泥水化，随着养生龄期的增加水化产物逐渐增加，因此提高了力学强度，但水化产物生成速率逐渐减缓直至所有水泥熟料反应完毕，从而达到混合料的极限抗压强度。图3显示了在7 d和1 4 d龄期时，回收粉掺量对水泥稳定碎石力学强度的影响。无侧限抗压强度随回收粉掺量先增大后减小，呈现抛物线趋势，当回收粉掺量为4%时达到峰值。强度增长的原因在于，适量的回收粉可以用作细集料来填充空隙，并降低水泥稳定碎石中空隙率，从而增加无侧限抗压强度。然而，过量的回收粉可以降低水泥稳定碎石的无侧限抗压强度，主要是因为大多数回收粉是直径小于0.0 7 5 mm的细颗粒，主要矿物成分是碳酸钙和二氧化硅，可以参与水泥的水化反应。二氧化硅可促进水化硅酸钙的形成，而碳酸钙可抑制水泥石的转化，导致水化产物分布不均，从而影响水泥稳定碎石骨架密实结构的形成，导致抗压强度降低。因此掺加适量回收粉时二氧化硅对强度的提升大于碳酸钙的负面作用，因此强度随回收粉掺量的增加先增大后减小。5.3-8-7d-o-14d4.84.33.802468回收粉掺量/%图3无侧限抗压强度随回收粉掺量变化规律2.3劈裂强度回收粉对水泥稳定碎石劈裂强度影响规律如图4所示。0.8r-8-7d-o-14d0.70.60.50.42468回收粉掺量/%图4劈裂强度随回收粉掺量增长规律如图4 所示，水泥稳定碎石劈裂强度随回收粉掺量的增加呈线性增加。回收粉掺量每增加1%，7 d龄期的水泥稳定碎石的劈裂强度平均增加7.2%，在1 4 d龄期强度平均增加6.3%。究其原因在于水泥稳定碎石的界面黏结强度主要与水泥和骨料的表面粗糙度有关，回收粉比石屑粒径小很多且比表面较大，可以改善级配增大密度。在水泥稳定碎石中添加回收粉不仅可以填充混合物中的空隙并改善微观组织，还可以提供润滑作用，降低混合料压实过程中的摩阻力使混合料压实更为密实，从而提高混合料的劈裂强度。3结论本文研究了回收粉对水泥稳定碎石力学强度的影响，提出了回收粉在道路基层应用的合理掺量，结论如下：a)掺回收粉的水泥稳定碎石的最大干密度随回收粉掺量的增加而增加后小幅度下降，而最佳含水率随着回收粉掺量的增加而急剧增加后趋于稳定b)掺回收粉的水泥稳定碎石无侧限抗压强度随龄期先迅速增加后趋于稳定，即在1 4 d龄期之前急剧增加，并在2 8 d后减慢，无论何种掺量下，水泥稳定碎石的强度增长曲线均有一条相应的水平渐近线，即存在极限强度。c)适量回收粉对水泥稳定碎石抗压强度有一定提升作用，过量掺量则会产生负面作用，因此在实际工程中对掺量应严格限制，而劈裂强度随回收粉掺量的增加呈线性增加，综合考虑建议回收粉掺量为4%。参考文献：房娜仁，胡士清，李琪琪，等.基于半刚性基层强度控制的反射裂缝防治对策研究 J.公路，2 0 2 2,6 7（9）：5 1-6 0.2唐双美，张立明，梁高荣，等.赤泥掺量对水泥稳定碎石基层性能影响 J.公路,2 0 2 2,6 7（4）：9 1-9 4.3王通，高杰，袁东东，等，基于建筑垃圾的热再生沥青混合料性能研究 CJ/2022世界交通运输大会（WTC2022）论文集（公路工程篇），2 0 2 2：1 9 8-2 0 3.4张厚记，宗炜，区桦.工业固废磷石膏在公路路面大修工程的应用研究 J.公路工程，2 0 2 34 8（1：9 8-1 0 1，1 0 7.5刘宝，潘钢华，高敏，等.助磨剂对铁尾矿助磨效果及混合水泥水化性能的影响 J.东南大学学报（自然科学版），2 0 2 2，5 2(5):907-916.6邱瑞芳，刘红宇，薛芳斌.高掺量粉煤灰水泥混凝土性能的试验研究J.山西建筑，2 0 1 7，4 3（2 8）：1 0 3-1 0 5.7赵利杰，张彤，黄伟，等.煤气化粗渣-矿渣基地质聚合物的制备与性能 J.硅酸盐通报，2 0 2 2，4 1（1 0）：35 4 2-35 4 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