回收粉对水泥稳定碎石基力学强度的影响

温 浩

（山西交通科学研究院集团有限公司，山西太原 030006）

0 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[1]。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0.075 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[10]认为回收粉掺量小于15%时对混凝土强度基本无负面影响。姜炜[11]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

1.1.2 水泥

试验所用水泥为P·O 42.5，技术指标见表2。

表2 水泥技术指标

1.2 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：%

1.3 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、14 d、28 d、60 d、90 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%。

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2.355 g/cm3，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14 d 龄期之前急剧增加，并在28 d 后减慢。

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90 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14 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0.075 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。

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。

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14 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14 d 龄期之前急剧增加，并在28 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%。