趙 嘉 韓小文

(河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來隨著國家的發(fā)展，我國每年會(huì)產(chǎn)生大量的無機(jī)固體廢棄物，如鐵尾礦、RAP(廢舊瀝青混合料)等，大量無機(jī)固體廢棄物的堆砌不僅會(huì)占用土地浪費(fèi)國家資源，而且對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)人的身體健康造成危害，不利于社會(huì)的發(fā)展，因此對(duì)于此類無機(jī)固體廢棄物的利用迫在眉睫.水泥穩(wěn)定碎石具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、整體性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于公路基層的建設(shè)施工中.若將鐵尾礦和RAP分別替換水泥穩(wěn)定碎石中的天然集料，并對(duì)混合料配比進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其各項(xiàng)性能均滿足規(guī)范要求，從而既能保證實(shí)際工程施工質(zhì)量，又能消耗無機(jī)固體廢棄物，降低工程成本，保護(hù)環(huán)境，具有較高的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值.

目前對(duì)于鐵尾礦、RAP等再生集料的利用主要集中再水泥穩(wěn)定鐵尾礦和水泥穩(wěn)定RAP的研究，尚宏世[1-4]等對(duì)廢舊瀝青進(jìn)行了研究，結(jié)果表明RAP在合理摻入量的情況下可以代替部分天然集料在公路基層工程中使用.李軍衛(wèi)[5-7]等對(duì)改良鐵尾礦用于道路基層材料進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鐵尾礦可以作為公路基層施工材料使用.通過前人的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)鐵尾礦和RAP單一利用的再生水泥穩(wěn)定碎石的研究較多，對(duì)鐵尾礦和RAP綜合再生利用的研究較少，并且在單一利用一種無機(jī)固體廢棄物的情況下，廢棄物利用率不高，并且時(shí)常不能有很好的利用效果.

本文利用鐵尾礦、RAP復(fù)合摻加的情況下，研究對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度的影響規(guī)律，并通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的比值衡量水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能，得出公路基層施工中的推薦配比.

1 試驗(yàn)原材料

(1)試驗(yàn)采用的砂石為張家口市本地石料建材，水采用張家口市自來水.

(2)水泥采用河北金隅水泥廠生產(chǎn)的標(biāo)號(hào)為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.

(3)鐵尾礦作為細(xì)集料使用，取自張家口本地的礦山.

(4)廢舊瀝青混合料(RAP)取自張家口市公路改造擴(kuò)建工程中的廢棄瀝青混合料，并對(duì)其用顎式破碎機(jī)進(jìn)行破碎.

對(duì)試驗(yàn)材料篩分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 集料的篩分試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)概況

2.1 混合料級(jí)配

根據(jù)《公路路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F20-2015)[8]要求，混合料級(jí)配采用針對(duì)高級(jí)公路和一級(jí)公路的C-B-2型級(jí)配的級(jí)配中值作為設(shè)計(jì)級(jí)配.級(jí)配表見表2.級(jí)配曲線見圖1.

表2 水泥穩(wěn)定碎石的篩孔通過率

圖1 級(jí)配曲線圖

2.2 試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F20-2015)[8]中推薦的水泥摻量范圍，本實(shí)驗(yàn)采用水泥摻量4.5%，將鐵尾礦摻量、RAP摻量作為自變量，采用復(fù)摻的方法，分別取0%、50%、100%三個(gè)水平.其中RAP替換的是0.6mm～9.5mm粒徑范圍的碎石，鐵尾礦替換的是0.075mm～0.6mm粒徑范圍的沙子.實(shí)驗(yàn)分為五組，試驗(yàn)編號(hào)中R、T分別代表RAP和鐵尾礦，數(shù)字代表摻量.試驗(yàn)分組概況如表3.

2.3 試件制備

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)[9]進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)結(jié)果如表4所示.基于擊實(shí)試驗(yàn)確定的最優(yōu)含水率和最大干密度，按照壓實(shí)度98%，采用靜力壓實(shí)的方法制備試件.試件尺寸直徑為150mm，高為150mm，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為7d.分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)(劈裂試驗(yàn)).

表3 實(shí)驗(yàn)分組

表4 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

固定一種集料摻量為50%的情況下，改變另一集料的摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

(a)固定RAP摻量為50% (b)固定鐵尾礦摻量為50%

由圖2可以看出固定一種集料摻量為50%的情況下，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都隨著另一集料摻量的增加而降低.由圖2(a)可以看出在固定RAP摻量50%的情況下，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨者鐵尾礦摻量增加的影響并不強(qiáng)烈，呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，并且三種配比中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值為5.75MPa，仍滿足規(guī)范《公路路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F20-2015)[8]中對(duì)水泥穩(wěn)定材料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小與5MPa的要求.而由圖2(b)可以看出在固定鐵尾礦摻量為50%情況下，三種配比強(qiáng)度平均值為6.185MPa超過了固定RAP摻量情況下三種配比強(qiáng)度平均值6.13MPa，但試件強(qiáng)度隨著RAP摻量的增加下降較明顯，并且三種配比中強(qiáng)度最小值為4.77MPa，不能滿足要求.這是由于RAP替換的是0.6mm～9.5mm粒徑范圍的碎石，此粒徑在混合料中是參與骨架的形成，而骨架對(duì)于試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大，所以RAP的摻量對(duì)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響較大.

3.2 間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)(劈裂試驗(yàn))

在不同配比情況下的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

表5 間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)(劈裂試驗(yàn))結(jié)果

(a)固定RAP摻量50% (b)固定鐵尾礦摻量50%

(c)兩種情況對(duì)比圖

根據(jù)表5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出不同配比下水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示.由表5可以看出5種配比試件的劈裂強(qiáng)度都符合規(guī)范《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)[10]中不小于0.4MPa的要求.并且在固定一種集料摻量的情況下，試件劈裂強(qiáng)度都隨著另一集料摻量的增加而降低.由圖3(a)可以看出固定RAP摻量時(shí)，試件的劈裂強(qiáng)度隨著鐵尾礦摻量的增加緩慢下降，而在圖3(b)中可以看出固定鐵尾礦摻量的情況下，隨著RAP摻量的增加而迅速降低，在圖3(c)中可以看出固定鐵尾礦摻量時(shí)試件的劈裂強(qiáng)度相對(duì)于固定RAP摻量時(shí)變化程度更加劇烈，并且固定RAP摻量的試件平均劈裂強(qiáng)度大于固定鐵尾礦的情況，這說明混合料的劈裂強(qiáng)度相對(duì)于鐵尾礦受RAP摻量的影響較大.

3.3 不同配比下劈裂強(qiáng)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比

根據(jù)圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)在固定一種集料摻量的情況下，隨著另一集料的摻入試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度都有著相同的規(guī)律性.水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度其意義在于表征其抗拉性能，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度意義在于表征試件的抗壓性能，在混凝土的研究領(lǐng)域內(nèi)抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比定義為拉壓比，是評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能的一個(gè)重要指標(biāo).本文借鑒混凝土領(lǐng)域內(nèi)拉壓比的概念[11]引入K值，其定義為劈裂強(qiáng)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)的比值，亦稱其為拉壓比.其大小用來衡量水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能，K值越大抗裂性能越好，反之則抗裂性能越差.K值表達(dá)式如(1)所示.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得不同配比下各試件的K值，如表6所示.不同配比的K值對(duì)比如圖4所示.

(1)

K——無側(cè)限抗壓強(qiáng)的與劈裂強(qiáng)度的之比，簡(jiǎn)稱拉壓比

Ri——試件的劈裂強(qiáng)度(MPa)

Rc——試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)(MPa)

表6 不同配比下各試件的K值

(a)固定RAP摻量50% (b)固定鐵尾礦摻量50%

由圖4可以看出在RAP摻量固定50%情況下，隨著鐵尾礦摻量增加值呈現(xiàn)先降低后猛烈增加的趨勢(shì)，而在鐵尾礦摻量固定50%時(shí)，隨著RAP摻量增加值呈現(xiàn)先猛烈下降后趨于平緩，這說明固定鐵尾摻量時(shí)，隨著RAP摻量增加水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能降低，而在RAP摻量50%情況下，高鐵尾礦摻量的水泥穩(wěn)定碎石值較大說明其有著良好的抗裂性能.

綜上所述，編號(hào)R50T0、R50T50、R50T100、R0T50的試件都可以滿足《公路路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F20-2015)[8]中針對(duì)高級(jí)公路和一級(jí)公路的強(qiáng)度要求，其中RAP摻量50%、鐵尾礦摻量100%配比的水泥穩(wěn)定碎石有著較大的拉壓比K值使得其抗裂性能優(yōu)于其他配比.在工程實(shí)際中為了保證施工質(zhì)量和高效率利用廢棄無機(jī)材料，本文推薦在公路路面基層施工中使用配比為RAP摻量50%、鐵尾礦摻量100%復(fù)摻的水泥穩(wěn)定碎石.

4 結(jié) 論

本文通過研究RAP和鐵尾礦的摻加對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響規(guī)律，主要得出如下結(jié)論：

(1)固定一種摻加劑摻量為50%的情況下，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都隨著另一摻加劑摻量的增加而降低，摻加RAP代替碎石形成骨架對(duì)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相較于摻加鐵尾礦的影響較大.

(2)在固定一種摻加劑量為50%的情況下，試件劈裂強(qiáng)度都隨著另一摻加劑摻量的增加而降低.固定RAP摻量時(shí)，試件的劈裂強(qiáng)度隨著鐵尾礦摻量的增加緩慢下降，而在固定鐵尾礦摻量的情況下，試件的劈裂強(qiáng)度隨著RAP摻量的增加而迅速降低，所以改變RAP摻量對(duì)混合料的劈裂強(qiáng)度影響較大.

(3)利用拉壓比來評(píng)價(jià)材料的抗裂性能.固定鐵尾礦摻量50%時(shí)，隨著RAP摻量增加水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能降低，而在RAP摻量50%情況下，高鐵尾礦摻量的水泥穩(wěn)定碎石值較大說明其有著良好的抗裂性能.

(4)在工程實(shí)際中為了保證施工質(zhì)量和盡可能多利用廢棄無機(jī)材料的經(jīng)濟(jì)效益，推薦使用RAP摻量50%、鐵尾礦摻量100%的配比.