一种低碳水泥稳定碎石材料设计方法与流程

本发明涉及道路工程，尤其涉及一种低碳水泥稳定碎石材料设计方法。

背景技术：

1、长期以来，我国沥青路面始终以“强基薄面”的设计思想，水泥稳定碎石作路面基层早期强度高、板体性好、扩散应力强，一直是“强基”的代名词。受湿度、温度影响，水泥稳定碎石材料易收缩，导致半刚性基层在使用过程中，普遍出现早期多而频繁的裂缝，裂缝的产生以及通过裂缝侵入的水严重破坏路面结构，在行车荷载作用下，极易产生唧浆、坑槽、路面沉降及其他次生病害的发生，严重冲击着路面使用寿命。

2、水泥稳定碎石收缩裂缝主要分为干缩裂缝和温缩裂缝，干缩裂缝是水泥稳定碎石内部含水量变化会导致基层体积收缩，温缩主要是温度变化导致水泥稳定碎石内部扩张、冰冻以及表面张力作用，体积及界面力作用引发水泥稳定碎石开裂。橡胶粉颗粒具有较好的柔性，变形能力强，水泥稳定碎石混合料受拉应力作用，橡胶粉则通过伸长变形以适应水泥石的应变，抵消部分荷载，增大了水泥稳定碎石混合料的破坏应变，延缓微裂缝产生，从而使混凝土抗弯拉强度有一定提高。然而，胶粉与水泥石之间协调变形能力不同，橡胶与水泥界面粘结较弱，橡胶掺量的增大，薄弱点较多，应力集中现象加速了水泥稳定碎石破坏。因此，需要提出一种掺胶粉的水泥稳定碎石材料设计方法，通过控制胶粉掺入量，保证水泥稳定碎石结构不会撑开破坏，并有足够水泥胶浆包裹碎石形成较好强度，保证胶粉掺入降低水泥稳定碎石收缩，同时具有较好的强度。

技术实现思路

1、本发明针对水泥稳定碎石收缩开裂的缺陷，旨在提供掺胶粉的水泥稳定碎石设计方法，通过胶粉掺入降低水泥稳定碎石材料收缩，并掺入一定量尾矿砂，将胶粉、尾矿砂再利用，实现低碳环保，该方法通过关键筛孔控制胶粉、细集料、尾矿砂掺入比例，通过体积参数控制掺入后不会撑开水泥稳定碎石结构，并能提供足够胶浆包裹集料形成较好的强度。

2、本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

3、一种低碳水泥稳定碎石材料设计方法，包括以下步骤：

4、(1)低碳水泥稳定碎石材料包括：水泥、胶粉、尾矿砂、集料，对各档集料和尾矿砂进行筛分，确定各档集料及尾矿砂的级配组成；

5、(2)对水泥稳定碎石材料进行级配设计，再掺入尾矿砂、胶粉，根据级配设计结果的0.6mm、0.075mm筛孔通过率，控制尾矿砂、粒径0～3mm细集料、胶粉之间的掺配比例；

6、(3)将粒径2.36mm以上的集料，按照水泥稳定碎石材料级配设计结果进行掺配，根据参配比例计算其理论密度，并采用振动压实法进行成型，测定粒径2.36mm以上集料合成级配的成型密度，据此，计算其剩余孔隙率；

7、(4)尾矿砂、粒径0～3mm细集料、胶粉都填充在2.36mm以上的集料成型后剩余孔隙中，填充后为水泥稳定碎石设计孔隙率，且不撑开2.36mm以上集料成型后体积结构，通过填充前后孔隙率变化，控制尾矿砂、粒径0～3mm细集料、胶粉的掺配比例；

8、(5)水泥与水形成一定厚度水泥胶浆膜包裹集料、尾矿砂、胶粉，并填充一部分的孔隙中，通过胶浆裹附膜厚度与集料、尾矿砂、胶粉比表面积计算胶浆用量；

9、(6)按照胶粉、尾矿砂、集料与胶浆的合成密度，并考虑最终孔隙率值，计算水泥稳定碎石材料的设计密度，根据试模体积确定抗压、抗折强度试件成型时装料质量。

10、本发明的进一步技术:

11、优选的,以0.6mm、0.075mm作为关键筛孔，按照如下公式控制尾矿砂、粒径0～3mm细集料、胶粉的掺配比例：

12、p0～3×dx0.075+pw×dw0.075＝s0.075×100

13、p0～3×dx0.6+pw×dw0.6+pj×100＝s0.6×100

14、式中：pw——尾矿砂掺比，％；p0～3——粒径0～3mm的掺比，％；pj——胶粉掺比，％；dw0.075——尾矿砂0.075mm通过率，％；

15、dw0.6——尾矿砂0.6mm通过率，％；dx0.6——0～3mm档料0.6mm通过率，％；

16、dx0.075——0～3mm档料0.075mm通过率，％；s0.6——设计级配0.6mm通过率，％；

17、s0.075——设计级配0.075mm通过率，％。

18、优选的,2.36mm以上集料合成级配的剩余孔隙率按照如下公式计算：

19、

20、式中：vca——粒径2.36mm集料以上合成级配成型后剩余空隙率，％；

21、ρ2.36以上——合成级配成型密度，g/cm3；ρg——合成级配理论最大密度，g/cm3。

22、优选的,尾矿砂、粒径0～3mm细集料、胶粉都填充在2.36mm以上的集料成型后剩余孔隙中，按照如下公式控制其掺配比例：

23、p0～3+pw+p2.36以上+pj＝100

24、

25、式中：vv——水泥稳定碎石设计空隙率；ρ0～3——粒径0～3集料密度，g/cm3；ρj——胶粉密度，g/cm3；ρw——尾矿砂密度，g/cm3；ρ胶浆——胶浆密度，g/cm3。

26、优选的,通过胶浆裹附膜厚度与集料、尾矿砂、胶粉比表面积，按照下式计算胶浆用量：

27、

28、s＝0.41+0.0041a+0.0082b+0.0164c+0.0287d+0.0614e

29、+0.1229f+0.3277g

30、式中：s2.36以上—粒径2.36mm以上集料比较面积，m2/kg；s0～3—粒径0～3mm集料比较面积，m2/

31、kg；sj—胶粉比较面积，m2/kg；sw—尾矿砂比较面积，m2/kg；dj—胶粉目数折算的粒径，mm；

32、s—比较面积，m2/kg；μ—水泥胶浆膜厚度，μm；

33、a、b、c、d、e、f、g分别为4.75mm及其以下各筛孔通过率。

34、优选的,水泥稳定碎石材料的设计密度按照如下公式计算：

35、

36、优选的,所述掺胶粉水泥稳定碎石材料中胶粉目数为30～50目，所述尾矿砂为最大粒径小于4.75mm的铁尾矿砂。

37、优选的,所述水泥稳定碎石材料的设计空隙率为2～4％，所述的水泥胶浆膜厚度为16～20μm。

38、本发明的有益效果是：

39、本发明提通过关键筛孔以及体积参数双重控制胶粉掺入比例，胶粉的掺入既不会影响水泥稳定碎石混合料整体级配，同时也不会撑开整体结构，有效确保水泥稳定碎石性能稳定。

40、本发明提供一种掺胶粉水泥稳定碎石材料设计方法，胶粉本身特性与石料差别较大，加入后会影响胶浆裹附石料状态，通过胶粉比表面积的修正计算，结合水泥胶浆在集料、尾矿砂、胶粉表面成膜理论，计算掺胶粉水泥稳定碎石胶浆用量，确保有足够水泥胶浆进行包裹，从而获得较好的强度。

41、本发明依据体积构成状态进行密度合成，提供一种掺胶粉水泥稳定碎石材料设计密度确定方法，可以根据不同试验试模体积，有效确定材料的装模质量，降低试验过程中盲目性和误差，并大大减少试验量。

42、本发明采用尾矿砂、胶粉作为水泥稳定碎石材料的原材料，将工业废弃物进行再生使用，实现废物资源化利用，资源节约，高效环保。