改性水泥穩(wěn)定基層材料的力學(xué)性能及應(yīng)用研究

王培亮　冉東　王逸飛

摘要：我國(guó)公路建設(shè)進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)時(shí)期，大量的廢舊瀝青混合料亟待加以利用，同時(shí)半剛性基層路面易產(chǎn)生脆性斷裂，影響路面的使用性能。本文將廢舊瀝青混合料再生摻加到半剛性基層材料中，從不同角度分析廢舊瀝青混合料對(duì)半剛性基層材料性能的影響。結(jié)果表明：隨著混合料摻量的增大，材料的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后減小的變化規(guī)律。當(dāng)廢舊瀝青混合料的摻量在15%～20%之間時(shí)，水泥穩(wěn)定基層材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。因此，工程中完全可以用廢舊瀝青混合料取代一定比例的新集料，但在不增加水泥劑量的前提下，廢舊瀝青混合料摻量不宜超過(guò)集料總質(zhì)量的20%。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定基層；廢舊瀝青混合料；力學(xué)性能；工程應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：S 773.3；U 414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-005X（2015）01-0139-04

Mechanical Properties and Application of Modified

Cement Stabilized Basement Material

Wang Peiliang，Ran Dong，Wang Yifei

（College of Civil Engineering，Northeast Forestry of University，Harbin 150040）

Abstract：As the highway construction in China has entered into the period of maintenance and repairing，lots of waste asphalt mixtures generated in the engineering need to be utilized.Meanwhile，it is easy to generate cracks for the semirigid pavement structure，which has negative impact on the performance of the pavement.In this paper，the regeneration of waste asphalt mixture was added into the semirigid basement material.The results showed that with the increase of the mixture，the compressive strength increased first and then decreased.When the content of waste asphalt mixture reached 15% to 20%，the compressive strength of cement stabilized base material reached the maximum value.Therefore，a certain percentage of the mixture replaced in engineering is completely feasible，but the total mixture of waste asphalt should not surpass 20% of the mass of aggregate.

Keywords： cement stabilized basement material；waste asphalt mixtures；mechanical properties；engineering application

收稿日期：2014-08-04

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然基金（E201249）；哈爾濱市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人基金（2013RFXXJ033）

第一作者簡(jiǎn)介：王培亮，碩士研究生。研究方向：巖土工程。

Email：wanghongguang@zoho.com

引文格式：王培亮，冉東，王逸飛.改性水泥穩(wěn)定基層材料的力學(xué)性能及應(yīng)用研究[J].森林工程，2015，31（1）：139-142.隨著舊路改造項(xiàng)目及路面大、中修項(xiàng)目的實(shí)施，產(chǎn)生了大量的廢棄路面材料，特別是廢舊路瀝青混凝土材料。這些廢舊材料既造成浪費(fèi)，又會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。經(jīng)過(guò)三十余年的建設(shè)，我國(guó)公路總里程數(shù)接近400萬(wàn)km，其中80%是瀝青混凝土路面。目前，我國(guó)已建成的瀝青混凝土路面接近使用壽命，面臨著維修與改造的任務(wù)[1]。同時(shí)，我國(guó)公路交通量和車(chē)輛荷載的迅猛增長(zhǎng)，使得新建公路工程，在服役的初期就遭受到了比較嚴(yán)重的損壞。

我國(guó)每年約產(chǎn)生220萬(wàn)t廢舊的廢舊瀝青混合料，這加重了環(huán)境和能源壓力。為有效利用舊路材料，達(dá)到工程建設(shè)“經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)約”的要求，國(guó)內(nèi)外對(duì)舊路面再利用做了大量的研究工作，并在工程實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益[2]。

我國(guó)現(xiàn)有廢舊瀝青混合料再生手段主要有熱再生和冷再生兩種。熱再生用于下面層或柔性基層，冷再生用于柔性基層或半剛性基層[3-4]。同時(shí)，在應(yīng)用中存在一些顯著的問(wèn)題亟待解決：其一是現(xiàn)有的再生技術(shù)多以添加乳化瀝青或泡沫瀝青作為再生膠結(jié)料，并添加新集料，這對(duì)再生設(shè)備及拌合設(shè)備均有改造需求，造成實(shí)施成本較高，推廣難度較大。其二是廢舊瀝青混合料就地冷再生一般是以添加水泥和新集料作為半剛性基層使用，但由于目前工程中對(duì)基層性能的要求不高，導(dǎo)致其材料力學(xué)和變形特性研究較少，缺少相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和體系，無(wú)法進(jìn)行技術(shù)推廣和工程應(yīng)用[5]。

本文研究基于舊路改造設(shè)計(jì)的廢舊瀝青混合料的再利用問(wèn)題，提出水泥摻拌不同比例廢舊瀝青混合料的再生方案，通過(guò)對(duì)水泥穩(wěn)定基層材料的改性，研究其力學(xué)性能和工程應(yīng)用。本文的研究成果對(duì)于，拓寬再生料的應(yīng)用范圍，降低再生料的經(jīng)濟(jì)成本，并開(kāi)展具體的工程應(yīng)用有積極的意義。

1試驗(yàn)原材料及配合比設(shè)計(jì)

采用黑龍牌P·C 32.5水泥，廢舊瀝青混合料來(lái)自高速公路的改擴(kuò)建工程，新集料主要組成部分是玄武巖碎石。通過(guò)初步的基礎(chǔ)材料試驗(yàn)，確定本文試驗(yàn)所采用的水泥、集料、舊瀝青的技術(shù)性質(zhì)，見(jiàn)表1～表3。

第1期王培亮等：改性水泥穩(wěn)定基層材料的力學(xué)性能及應(yīng)用研究

森林工程第31卷

表1試驗(yàn)用水泥的性能指標(biāo)表

Tab.1 Technical indicators of used cement

80μm篩余/%密度/g·cm-3初凝時(shí)間/h終凝時(shí)間/h1.403.051.553.75

表2試驗(yàn)用集料的主要技術(shù)指標(biāo)表

Tab.2 Main technical indicators of used aggregate

集料類(lèi)型表觀相對(duì)密度

/g·cm-3壓碎值/%試驗(yàn)用新集料（A）20～302.68——試驗(yàn)用新集料（B）10～202.7521.2試驗(yàn)用新集料（C）5～102.76——試驗(yàn)用新石屑（D）2.71——廢舊瀝青混合料（E）2.6824.6

表3廢舊瀝青混合料中的舊瀝青技術(shù)指標(biāo)

Tab.3 Technical indicators of waste asphalt used in mixture

技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果瀝青含量/%4.6針入度（25℃，100g，5s）/0.1 cm27延度（15oC，5 cm/min）/cm47

根據(jù)骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定類(lèi)集料級(jí)配范圍，設(shè)計(jì)廢舊瀝青混合料的摻量分別為15%、30%和45%三種，試驗(yàn)用級(jí)配見(jiàn)表4。

表4試驗(yàn)所用級(jí)配表%

表5擊實(shí)特性試驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 Results of compaction test

水泥劑量/%最大干密度/g·cm-3最佳含水量/%04.02.2006.04.52.2016.15.02.2036.115%4.02.1826.34.52.1846.35.02.1906.530%4.02.1546.74.52.1606.85.02.1617.045%4.02.1286.64.52.1336.95.02.1357.0

不同水泥劑量的混合料的擊實(shí)特性隨廢舊瀝青混合料摻量的變化曲線(xiàn)如圖1和圖2所示。

圖1廢舊瀝青混合料摻量對(duì)

基層最大干密度的影響曲線(xiàn)

Fig.1 Influence curve of waste asphalt mixture

content on maximum dry density of basement

從圖1可以看出，隨這廢舊瀝青混合料摻量的增加，混合料的最大干密度持續(xù)降低。產(chǎn)生這種變化的原因，主要有兩方面：其一是由于瀝青的密度逐漸減小，最大干密度會(huì)隨著摻量的升高而逐漸降低。其二是由于瀝青具有明顯的粘彈性特性，骨料顆粒的表面被廢舊瀝青所包裹而不易產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而在壓實(shí)過(guò)程中，瀝青混合料有較大的回彈性。

圖2廢舊瀝青混合料摻量對(duì)

基層最佳含水率的影響曲線(xiàn)

Fig.2 Influence curve of waste asphalt mixture content

on optimum moisture content of basement

從圖2中可以看出，隨著廢舊瀝青混合料中摻量的增大，其最佳含水量呈現(xiàn)出先增大后趨緩的變化規(guī)律。同時(shí)，在制備廢舊瀝青混合料的過(guò)程中，由于瀝青的憎水性，混合料顆粒表面在3 h后仍是部分干燥的。在瀝青混合料壓實(shí)的過(guò)程中，其受力特征是水泥穩(wěn)定砂礫材料主要是靠彼此緊密的砂礫顆粒之間的潤(rùn)滑作用，而達(dá)到逐步密實(shí)狀態(tài)。因此，隨著在瀝青混合料中廢舊瀝青混合料摻量的比例逐漸增大，所需要的含水量也會(huì)逐漸增大。

3改性水泥穩(wěn)定基層材料的力學(xué)性能

本文的試驗(yàn)中，以廢舊瀝青混合料的摻量和水泥劑量為主要的影響因素，主要進(jìn)行7d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，按照規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，研究抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3廢舊瀝青混合料摻量對(duì)基層抗壓強(qiáng)度的影響曲線(xiàn)

Fig.3 Influence curve of waste asphalt mixture

content on compressive strength of basement

從圖3中可以看出，廢舊瀝青混合料的摻量較小時(shí)，其摻量對(duì)材料的抗壓強(qiáng)度的影響十分有限。這主要是由于水泥穩(wěn)定基層材料的抗壓強(qiáng)度是依靠水泥膠結(jié)料與骨料的粘結(jié)力，以及礦料間的摩阻力所形成的。同時(shí)，廢舊瀝青混合料顆粒表面存在大量的廢舊瀝青材料，因而具有可變形的性質(zhì)，這使得骨料顆粒之間形成了緊密的接觸狀態(tài)，有利于提高瀝青混合料中骨料間的摩阻力，因而改善了混合料的粘聚力。但當(dāng)廢舊瀝青混合料的摻量較大時(shí)，水泥漿與廢舊瀝青混合料顆粒表面接觸的面積逐漸增大，影響了水泥對(duì)新舊骨料顆粒的粘結(jié)作用，這會(huì)使得抗壓強(qiáng)度在廢舊瀝青混合料摻量較大時(shí)反而有所降低。

因而，如果保持瀝青混合料中的水泥劑量恒定，廢舊瀝青混合料的摻量較小時(shí)，對(duì)瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生有利的影響，且能降低工程造價(jià)，完全能夠應(yīng)用于實(shí)際的公路工程中。應(yīng)該注意的是，適宜的廢舊瀝青混合料摻量是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，需要兼顧工程質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性和保護(hù)環(huán)境等綜合因素[6-7]。

基于上述分析，本研究建立廢舊瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度與廢舊瀝青混合料摻量之間的回歸關(guān)系，采用二次拋物線(xiàn)來(lái)擬合，回歸系數(shù)見(jiàn)表6。

表6抗壓強(qiáng)度與廢舊瀝青混合料摻量的回歸系數(shù)

Tab.6 Regression coefficient of the waste asphalt

mixture content and its compressive strength

水泥劑量/%Rc=A0+A1·CR+A2·C2RA0A1A2R4.04.08-0.53-3.590.9724.53.75-1.12-6.670.9015.04.48-0.77-5.380.925

我國(guó)在工程中，已經(jīng)使用水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層材料較多，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)[8-9]。相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)表明，為了防止在公路中出現(xiàn)半剛性基層開(kāi)裂等病害，應(yīng)在確保水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層的抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，工程中應(yīng)盡量減少水泥劑量以及礦粉等活性物質(zhì)的使用量，以降低溫縮或干縮產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象[10-12]。因而，參照現(xiàn)行的公路設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并結(jié)合本文的研究結(jié)果，本文提出了在一定水泥摻量下適宜的廢舊瀝青混合料摻量，見(jiàn)表7。

表7重載交通量道路的廢舊瀝青混合料推薦摻量

Tab.7 Recommended content of waste asphalt

mixture used in heavy traffic highway

結(jié)構(gòu)層位水泥劑量/%4.04.55.0基層——≤20≤40底基層≤35≤45≤60

4結(jié)論

本文從廢舊瀝青混合料的特性出發(fā)，研究了水泥劑量和廢舊瀝青混合料摻量對(duì)水泥穩(wěn)定基層材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，本文得到了如下結(jié)論：

（1）摻入不同比例的廢舊瀝青混合料后，水泥穩(wěn)定基層材料的最大干密度隨混合料摻量增大而減小，最佳含水量隨廢舊瀝青混合料摻量增加而逐漸增大。對(duì)于不同的水泥劑量，其規(guī)律是隨著水泥劑量增大，水泥穩(wěn)定基層材料的最大干密度和最佳含水量均有所增大。

（2）廢舊瀝青混合料摻量對(duì)水泥穩(wěn)定基層材料的抗壓強(qiáng)度影響是，隨著混合料摻量的增大，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后減小的變化規(guī)律。當(dāng)廢舊瀝青混合料的摻量在15%～20%之間時(shí)，水泥穩(wěn)定基層材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。同時(shí)，水泥劑量的增加對(duì)水泥穩(wěn)定基層材料的抗壓強(qiáng)度起到一定的促進(jìn)作用。

（3）抗壓強(qiáng)度和廢舊瀝青混合料摻量間存在二次曲線(xiàn)關(guān)系，工程中完全可以用廢舊瀝青混合料取代一定比例的新集料，但在不增加水泥劑量的前提下，廢舊瀝青混合料摻量不宜超過(guò)集料總質(zhì)量的20%。

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[責(zé)任編輯：李洋]