改性水泥穩定基層材料的力學性能及應用研究

王培亮　冉東　王逸飛

摘要：我國公路建設進入維修養護時期，大量的廢舊瀝青混合料亟待加以利用，同時半剛性基層路面易產生脆性斷裂，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半剛性基層材料性能的影響。結果表明：隨著混合料摻量的增大，材料的抗壓強度呈現出先增長后減小的變化規律。當廢舊瀝青混合料的摻量在15%～20%之間時，水泥穩定基層材料的抗壓強度達到最大值。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集料總質量的20%。

關鍵詞：水泥穩定基層；廢舊瀝青混合料；力學性能；工程應用

中圖分類號：S 773.3；U 414文獻標識碼：A文章編號：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

基金項目：黑龍江省自然基金（E201249）；哈爾濱市優秀學科帶頭人基金（2013RFXXJ033）

第一作者簡介：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.改性水泥穩定基層材料的力學性能及應用研究[J].森林工程，2015，31（1）：139-142.隨著舊路改造項目及路面大、中修項目的實施，產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，又會對環境造成污染。經過三十余年的建設，我國公路總里程數接近400萬km，其中80%是瀝青混凝土路面。目前，我國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[1]。同時，我國公路交通量和車輛荷載的迅猛增長，使得新建公路工程，在服役的初期就遭受到了比較嚴重的損壞。

我國每年約產生220萬t廢舊的廢舊瀝青混合料，這加重了環境和能源壓力。為有效利用舊路材料，達到工程建設“經濟、環保、節約”的要求，國內外對舊路面再利用做了大量的研究工作，并在工程實踐中取得了良好的應用效果和經濟效益[2]。

我國現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，在應用中存在一些顯著的問題亟待解決：其一是現有的再生技術多以添加乳化瀝青或泡沫瀝青作為再生膠結料，并添加新集料，這對再生設備及拌合設備均有改造需求，造成實施成本較高，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基層性能的要求不高，導致其材料力學和變形特性研究較少，缺少相應的評價指標和體系，無法進行技術推廣和工程應用[5]。

本文研究基于舊路改造設計的廢舊瀝青混合料的再利用問題，提出水泥摻拌不同比例廢舊瀝青混合料的再生方案，通過對水泥穩定基層材料的改性，研究其力學性能和工程應用。本文的研究成果對于，拓寬再生料的應用范圍，降低再生料的經濟成本，并開展具體的工程應用有積極的意義。

1試驗原材料及配合比設計

采用黑龍牌P·C 32.5水泥，廢舊瀝青混合料來自高速公路的改擴建工程，新集料主要組成部分是玄武巖碎石。通過初步的基礎材料試驗，確定本文試驗所采用的水泥、集料、舊瀝青的技術性質，見表1～表3。

第1期王培亮等：改性水泥穩定基層材料的力學性能及應用研究

森林工程第31卷

表1試驗用水泥的性能指標表

Tab.1 Technical indicators of used cement

80μm篩余/%密度/g·cm-3初凝時間/h終凝時間/h1.403.051.553.75

表2試驗用集料的主要技術指標表

Tab.2 Main technical indicators of used aggregate

集料類型表觀相對密度

/g·cm-3壓碎值/%試驗用新集料（A）20～302.68——試驗用新集料（B）10～202.7521.2試驗用新集料（C）5～102.76——試驗用新石屑（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指標

Tab.3 Technical indicators of waste asphalt used in mixture

技術指標試驗結果瀝青含量/%4.6針入度（25℃，100g，5s）/0.1 cm27延度（15oC，5 cm/min）/cm47

根據骨架密實型水泥穩定類集料級配范圍，設計廢舊瀝青混合料的摻量分別為15%、30%和45%三種，試驗用級配見表4。

表4試驗所用級配表%

表5擊實特性試驗結果

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特性隨廢舊瀝青混合料摻量的變化曲線如圖1和圖2所示。

圖1廢舊瀝青混合料摻量對

基層最大干密度的影響曲線

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降低。產生這種變化的原因，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生相對運動，因而在壓實過程中，瀝青混合料有較大的回彈性。

圖2廢舊瀝青混合料摻量對

基層最佳含水率的影響曲線

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，其最佳含水量呈現出先增大后趨緩的變化規律。同時，在制備廢舊瀝青混合料的過程中，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。在瀝青混合料壓實的過程中，其受力特征是水泥穩定砂礫材料主要是靠彼此緊密的砂礫顆粒之間的潤滑作用，而達到逐步密實狀態。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逐漸增大。

3改性水泥穩定基層材料的力學性能

本文的試驗中，以廢舊瀝青混合料的摻量和水泥劑量為主要的影響因素，主要進行7d抗壓強度試驗，按照規范規定的標準試驗規程進行試驗，研究抗壓強度的變化規律，試驗結果如圖3所示。

圖3廢舊瀝青混合料摻量對基層抗壓強度的影響曲線

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，其摻量對材料的抗壓強度的影響十分有限。這主要是由于水泥穩定基層材料的抗壓強度是依靠水泥膠結料與骨料的粘結力，以及礦料間的摩阻力所形成的。同時，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，這使得骨料顆粒之間形成了緊密的接觸狀態，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。但當廢舊瀝青混合料的摻量較大時，水泥漿與廢舊瀝青混合料顆粒表面接觸的面積逐漸增大，影響了水泥對新舊骨料顆粒的粘結作用，這會使得抗壓強度在廢舊瀝青混合料摻量較大時反而有所降低。

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，對瀝青混合料的抗壓強度產生有利的影響，且能降低工程造價，完全能夠應用于實際的公路工程中。應該注意的是，適宜的廢舊瀝青混合料摻量是一個動態平衡的過程，需要兼顧工程質量、經濟性和保護環境等綜合因素[6-7]。

基于上述分析，本研究建立廢舊瀝青混合料的抗壓強度與廢舊瀝青混合料摻量之間的回歸關系，采用二次拋物線來擬合，回歸系數見表6。

表6抗壓強度與廢舊瀝青混合料摻量的回歸系數

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

我國在工程中，已經使用水泥穩定級配碎石基層材料較多，積累了大量的經驗[8-9]。相關的工程經驗表明，為了防止在公路中出現半剛性基層開裂等病害，應在確保水泥穩定級配碎石基層的抗壓強度滿足設計要求的前提下，工程中應盡量減少水泥劑量以及礦粉等活性物質的使用量，以降低溫縮或干縮產生的開裂現象[10-12]。因而，參照現行的公路設計規范要求，并結合本文的研究結果，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

結構層位水泥劑量/%4.04.55.0基層——≤20≤40底基層≤35≤45≤60

4結論

本文從廢舊瀝青混合料的特性出發，研究了水泥劑量和廢舊瀝青混合料摻量對水泥穩定基層材料力學性能的影響規律，本文得到了如下結論：

（1）摻入不同比例的廢舊瀝青混合料后，水泥穩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。對于不同的水泥劑量，其規律是隨著水泥劑量增大，水泥穩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水泥穩定基層材料的抗壓強度影響是，隨著混合料摻量的增大，抗壓強度呈現出先增長后減小的變化規律。當廢舊瀝青混合料的摻量在15%～20%之間時，水泥穩定基層材料的抗壓強度達到最大值。同時，水泥劑量的增加對水泥穩定基層材料的抗壓強度起到一定的促進作用。

（3）抗壓強度和廢舊瀝青混合料摻量間存在二次曲線關系，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集料總質量的20%。

【參考文獻】

[1]Soleimanbeigi A，Edil T，Benson C.Recycled asphalt shingles mixed with granular byproducts as structural fill [J].J.ASTM International，2012，9（1）：1-19.

[2]Wang B，Liang H，Zhao W.Design for composing of limefly ash mortar [J].Communications Standardization，2006，11：22-24.

[3]武建民，宗煒.水泥穩定二次再生路面材料性能[J].長安大學學報（自然科學版），2011，31（5）：7-11，32.

[4]Li N，Zhang D S，Han W W，et al.Experimental study on effect of recycled asphalt mixture particles on properties of concrete [J].Advanced Materials Research，2014，（857）：75-80.

[5]Anderson E D，Daniel J S.Longterm performance of pavement with high recycled asphalt content [J].Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，2013，2371（1）：1-12.

[6]Poulikakos L D，Santos S，Bueno M，et al.Influence of short and long term aging on chemical，microstructural and macromechanical properties of recycled asphalt mixtures [J].Construction and Building Materials，2014，51：414-423.

[7]Li J，Yulei L.Recycle of waste asphalt mixture [J].Journal of Northeast Forestry University，2007（2）：32-36.

[8]張東省，王海朋.摻廢舊瀝青混合料細顆粒的水泥穩定碎石抗裂性能研究[J].中外公路，2011（5）：221-225.

[9]周西棚，程培峰，尚云龍，等.組合式基層與半剛性基層瀝青路面技術經濟指標對比分析[J].森林工程，2013，29（2）：99-102.

[10]Hachiya Y，Hao P.Utilization of waste asphalt concrete as cementtreated bases for airport pavements [J].Road Materials and Pavement Design，2006，7（2）：247-260.

[11]Cao W.Study on properties of recycled tire rubber modified asphalt mixtures using dry process [J].Construction and Building Materials，2007，21（5）：1011-1015.

[12]Tam V W Y，Tam C M.A review on the viable technology for construction waste recycling [J].Resources，Conservation and Recycling，2006，47（3）：209-221.

[責任編輯：李洋]