不同替代率再生骨料水泥穩(wěn)定碎石性能研究

石拓 陳世斌 王增強 尹壯飛

摘??要：將廢舊水泥混凝土再生集料用于水泥穩(wěn)定碎石基層，實現(xiàn)基層再生集料的全替代，是路面綠色化建設(shè)的目標。文中對比研究了天然集料和不同替代率下再生集料水泥穩(wěn)定碎石的性能，試驗結(jié)果表明：再生集料的物理性能（表觀密度、含泥量、壓碎值、吸水率等）都低于天然集料，但符合規(guī)范要求。隨著水泥穩(wěn)定碎石中再生集料占比增加，全再生集料混合料比天然集料混合料最大干密度所需最佳含水率增加了20.6%；再生集料水泥穩(wěn)定碎石的7?d和28?d無側(cè)限抗壓強度呈下降趨勢，與天然集料水泥穩(wěn)定碎石對比，全替代再生集料水泥穩(wěn)定碎石7?d和28?d強度分別下降36.2%和28.5%。研究表明再生集料基層能夠滿足建設(shè)要求，為工程應(yīng)用提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：公路工程??水泥穩(wěn)定碎石??再生集料??抗壓強度

中圖分類號：U414????????????????文獻標識碼：A

Research?on?Properties?of?Cement?Stabilized?Macadam?of?Recycled?Aggregates?with?Different?Replacement?Rates

SHI?Tuo1??CHEN?Shibin1*??WANG?Zengqiang2??YIN?Zhuangfei2

（1.Key?Laboratory?of?Road?Construction?Technology?and?Equipment?of?MOE，?Chang’an?University，?Xi’an，?Shaanxi?Province，?710064?China;?2.Shandong?Hi-speed?Road?&?Bridge?Co.，?Ltd.，?Jinan，?Shandong?Province，?250014?China）

Abstract：?It?is?the?goal?of?green?pavement?construction?to?use?waste?cement?concrete?recycled?aggregate?for?cement?stabilized?macadam?base?and?realize?the?full?replacement?of?recycled?aggregate?of?base.?In?this?paper，?the?properties?of?cement?stabilized?macadam?of?natural?aggregate?and?recycled?aggregate?under?different?replacement?rates?were?compared?and?studied.?Test?results?show?that?the?physical?properties?（apparent?density，?silt?content，?crushing?value，?water?absorption，?etc.）?of?recycled?aggregate?were?all?lower?than?those?of?natural?aggregate?but?met?the?requirements?of?the?specification，?the?optimal?moisture?content?required?for?the?maximum?dry?density?of?fully?recycled?aggregate?mixture?increased?by?20.6%?compared?with?that?of?natural?aggregate?mixture?with?the?increase?of?the?proportion?of?recycled?aggregate?in?cement?stabilized?macadam，?and?that?the?unconfined?compressive?strength?of?cement?stabilized?macadam?of?recycled?aggregate?at?7d?and?28d?showed?a?decreasing?trend，?and?the?strength?of?cement?stabilized?macadam?of?fully?replaced?recycled?aggregate?at?7d?and?28d?decreased?by?36.2%?and?28.5%，?respectively?compared?with?cement?stabilized?macadam?of?natural?aggregate.The?research?shows?that?the?recycled?aggregate?base?can?meet?construction?requirements，?which?provides?reference?for?engineering?application.

Key?Words：?Highway?engineering;?Cement?stabilized?macadam;?Recycled?aggregate;?Compressive?strength

近些年，隨著我國公路交通建設(shè)的大力發(fā)展，我國公路里程已經(jīng)穩(wěn)居世界第一，也逐步形成了公路建設(shè)和公路養(yǎng)護同時發(fā)展的局面。路面基層位于路基和路面面層之間，在路面結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的作用，作為路面結(jié)構(gòu)中的主要承重層，主要承受來自車輛荷載傳遞的豎向力[1]。然而公路建設(shè)迅速發(fā)展、整體水平的大幅度改善也離不開高水準的水泥穩(wěn)定碎石基層。因為基層主要用于承載載荷，所以它的強弱和好壞必然影響著道路的質(zhì)量和壽命[2]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計預(yù)測，今后每年有10%左右的路面需大中修，將使得水泥穩(wěn)定碎石基層大量廢棄，造成環(huán)境污染[3-6]。因此，將廢棄水泥穩(wěn)定碎石破碎篩分后使集料再利用，既保護環(huán)境又能節(jié)約建設(shè)成本，具有重要的社會意義。高啟聚等人對混凝土再生骨料的基本性能進行測試，試驗結(jié)果表明各粒徑骨料吸水率、表觀密度等都符合路面規(guī)范[7]。陳湘華等人研究將廢棄混凝土路面再生集料用于水穩(wěn)碎石基層，結(jié)果表明：90?d無側(cè)限抗壓強度滿足基層強度設(shè)計要求[8]。蔣帥等人研究了再生骨料水穩(wěn)碎石的力學性能，試驗表明再生混合料的無側(cè)限抗壓強度隨著再生料替代率增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢[9]。金榮綜合研究再生集料半剛性基層級鋪裝的瀝青路面性能，通過試驗驗證，建議再生骨料水穩(wěn)層的最佳水泥摻量控制在3%左右，厚度值控制在40?cm左右時，對瀝青層的性能最有利[10]。上述研究表明，再生集料基層能夠滿足路面使用的要求，展現(xiàn)了很好的應(yīng)用前景。因此，該文在前人研究的基礎(chǔ)上，研究不同再生骨料替代率下水泥穩(wěn)定碎石的性能，包括再生骨料的性能、再生骨料水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水率、無側(cè)限抗壓強度，為再生骨料基層工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1?試驗材料與方法

1.1?原材料

水泥選用陜西耀縣生產(chǎn)的P·O32.5?水泥，其各項指標見檢測報告表1，可得技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求。由廢棄水穩(wěn)碎石基層破碎所得再生骨料和天然骨料從西安某公司購置；混合料用水為普通自來水。試驗中用再生骨料逐步替代天然骨料，再生混合料中再生骨料替代率分別為0、30%、60%、100%四種類型，按照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》要求，進行水泥穩(wěn)定碎石進行配合比設(shè)計，其中水泥劑量為4.5%，見表2為骨料級配。

1.2試驗方法

依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG?E42-2005）對再生集料和天然集料的性能進行測試。由于再生料密度小，吸水率大，壓碎值偏大，重型擊實容易對再生料產(chǎn)生較大破壞，所以選擇振動擊實試驗，測試混合料的最大干密度和最佳含水量。水泥穩(wěn)定碎石的攪拌采用普通的臥式攪拌設(shè)備生產(chǎn)，根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG?E51-2009），采用靜壓法成型，制得邊長150?mm立方體試件，在標準環(huán)境下養(yǎng)護（（20±2）℃、濕度≥95%），依照規(guī)程分別測試試件的?7?d和28?d無側(cè)限抗壓強度。試件制作成型和養(yǎng)護過程如圖1和圖2所示。

2?試驗結(jié)果與分析

2.1?再生骨料性能

根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》對再生集料和天然集料的性能進行測試試驗，表3和表4所示為天然集料和再生集料的性能對比。由表3的試驗結(jié)果可知，與天然粗集料相比，再生粗集料的物理性能都相對變?nèi)?，表觀密度下降了5.1%，含泥量、吸水率、壓碎值和針片狀含量分別增加了75%、336.2%、93.1%、122.4%；由表4的實驗結(jié)果可知，再生細集料的液限和塑限均大于天然集料，塑性指數(shù)相差不大，滿足規(guī)程要求液限不超過40，塑性指數(shù)不超過17的要求。導(dǎo)致上述結(jié)果的主要原因是：再生集料是廢棄基層經(jīng)過破碎、篩分、運輸再使用，碎石的多次破碎和運輸導(dǎo)致再生集料存在微裂縫且棱角多，而且再生集料原有的舊泥漿也難以完全除去，這些原因就使得再生集料的表觀密度減小，而含泥量、吸水率、壓碎值和針片狀含量變大，但與標準規(guī)范要求對比，再生集料的物理性能滿足要求，可用于路面基層。

2.2再生骨料水穩(wěn)碎石最佳含水率

圖3是不同替代率再生集料水泥穩(wěn)定碎石最佳含水量變化曲線。由圖3可知，隨著水泥穩(wěn)定碎石中再生集料含量的增加，當擊實后水穩(wěn)碎石干密度達到最大時，混合料最佳含水量也逐步增大。在水泥含量為4.5%時，天然集料水穩(wěn)碎石最佳含水率為5.8%，相比天然集料水穩(wěn)碎石，在替代率30%、60%和100%指標下，最佳含水量分別增加到6.1%、6.6%、7.0%。這與再生集料的吸水率大于天然集料結(jié)果相吻合，因為再生集料存在微小裂縫，同時集料上包含的硬化泥漿使得集料拌和過程中吸水率增大，對應(yīng)的再生集料水泥穩(wěn)定碎石達到最大干密度時所需的水量也逐步增加。

2.3再生骨料水穩(wěn)碎石抗壓強度

圖4所示為不同再生骨料替代比下兩種攪拌工藝的水泥穩(wěn)定碎石7?d和28?d無側(cè)限抗壓強度變化曲線。由圖4可知，在再生骨料替代率為0、30%、60%、100%下，7?d無側(cè)限抗壓強度分別為3.48?MPa、3.05?MPa、2.58?MPa、2.22?MPa，與天然骨料水泥穩(wěn)定碎石對比，下降幅度分別為12.4%、25.9%、36.2%；28?d無側(cè)限抗壓強度分別為4.39 MPa、3.96?MPa、3.62?MPa、3.14?MPa，下降幅度分別為10.5%、17.5%、28.5%。試驗結(jié)果表明：從天然集料水穩(wěn)碎石逐漸替代為再生集料碎石過程中，隨著再生集料替代率的增加，7?d和28?d無側(cè)限抗壓強度逐步減小，但都符合路面強度要求。其中原因是在水泥穩(wěn)定碎石中，其強度由集料強度和砂漿裹覆黏結(jié)強度共同決定。由再生集料的物理性質(zhì)可知：一方面再生集料強度弱于天然集料，另一方面再生集料表面還粘附砂漿，這使得再生集料水穩(wěn)碎石骨料強度和泥漿抵抗強度都削弱，因此就會出現(xiàn)隨著再生集料增多無側(cè)限抗壓強度減小的現(xiàn)象發(fā)生。

3結(jié)論

（1）與天然集料相比，再生集料的物理性能都相對變?nèi)?，表觀密度下降了5.1%，含泥量、吸水率、壓碎值和針片狀含量分別增加了75%、336.2%、93.1%、122.4%，物理性能滿足規(guī)范要求。

（2）相比天然集料水穩(wěn)碎石，在替代率30%、60%和100%指標下，最佳含水量分別增加到6.1%、6.6%、7.0%，再生集料替代率越大，最佳密度下含水量越高。

（3）與天然集料水穩(wěn)碎石對比，30%、60%、100%替代再生集料水穩(wěn)碎石的7?d無側(cè)限抗壓強度分別下降了12.4%、25.9%、36.2%，28?d無側(cè)限抗壓強度分別下降了10.5%、17.5%、28.5%，但都符合路面強度要求。

參考文獻

王琪.高速公路路面水穩(wěn)基層施工技術(shù)研究[J].交通世界，2022（17）：95-97.

劉標.水泥穩(wěn)定碎石材料的孔隙特性研究[D].武漢：武漢科技大學，2021.

彭亮.再生骨料在水泥穩(wěn)定碎石基層中的路用性能研究[D].重慶：重慶交通大學，2017.

原凱芝.道路工程水穩(wěn)碎石施工質(zhì)量控制[J].四川建材，2022，48（6）：18-19.

張鵬，楊軍.水泥混凝土路面就地粒石化再生水穩(wěn)配合比設(shè)計與性能研究[J].交通世界， 2020（12）：146-147.

鄭春樂，拾方治，李秀君.舊混凝土板粒石化再生骨料吸水特性研究[J].上海理工大學學報，2018，40（5）：475-480.

高啟聚，叢林，郭忠印.廢棄水泥混凝土路面板在路面基層中的再生利用[J].公路交通科技，2008（2）：20-23.

陳湘華.水泥混凝土路面破碎后再生集料路用性能研究[J].低碳世界，2017（26）：226-228.

蔣帥，徐安花，房建宏，等.水泥穩(wěn)定再生骨料的力學性能研究[J].青海交通科技，2020， 32（1）：76-80，99.

金榮舊水泥路面再生集料半剛性基層瀝青路面性能預(yù)測研究[D].廣州：華南理工大學，2013.