摻加nano-SiO2的水泥穩定冷再生基層材料性能研究

馮紀兵

摘要：為研究摻入nano-SiO2的水泥穩定冷再生基層材料性能的變化規律，將合成級配優化后，設計6種摻量配比以研究nano-SiO2對水穩冷再生基層混合料力學性能的影響。試驗結果表明，摻加nano-SiO2的水穩冷再生混合料的7d、28d、90d無側限抗壓強度和90d劈裂強度均有提升，其中7d無側限抗壓強度、90d劈裂強度提升最為明顯，28d、90d抗壓強度也有所提升，但提升效果有限。

Abstract： In order to study the change law of the properties of cement stabilized cold recycling base materials with nano-SiO2， after optimizing the synthesis grading， six mixing ratios were designed to study the effect of nano-SiO2 on the mechanical properties of cement stabilized cold recycling base materials. The test results show that the 7d， 28d and 90d unconfined compressive strength and 90d splitting strength of the cement stabilized cold recycling mixture with nano-SiO2 are all improved. Among them， the improvement of 7d unconfined compressive strength and the 90d splitting strength were the most obvious， and the 28d and 90d compressive strength also improved， but the improvement effect was limited.

關鍵詞：道路工程;冷再生基層;nano-SiO2;力學性能;水泥穩定

Key words： road engineering;cold recycling base;nano-SiO2;mechanical properties;cement stabilized

中圖分類號：U414 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）08-0105-03

0 ?引言

自上世紀90年代以來，我國交通基礎設施進入高速發展期，隨之產生的大量廢舊瀝青路面材料（RAP）堆積填埋問題日益嚴重。近十幾年來，對高等級公路RAP回收進行再生利用的理論研究和工程應用初步形成了較為完善的再生工藝和施工方法[1]，但對于占比更大的次高級公路RAP的利用效率還很低，多為簡單增加再生結合料的劑量“降級”使用。納米材料作為21世紀最有發展潛力的材料，應用于改善水泥基材料基本性能已成為當下的研究熱點[2-3]。因此，將微量納米材料摻入水泥穩定再生基層材料中以改善其路用性能，是一項對次高級公路RAP的高效回收和推廣應用工作有重要意義的探索性研究。

1 ?原材料性能

1.1 水泥

水泥采用42.5的普通硅酸鹽水泥，其參數滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）的要求，水泥參數試驗結果見表1。

1.2 天然碎石

研究所用碎石采用的是石灰巖碎石。根據試驗需要，采用了10-30mm、10-20mm、5-10mm、0-5mm四種規格的粗細集料。測得各檔集料的參數見表2。集料各參數符合《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）中對高速、一級公路的技術要求。各檔集料的篩分級配亦符合《細則》中相關規格參數。

1.3 RAP

研究所用全深式冷再生銑刨料（RAP）源自新鄉某三級公路，原面層結構為5cm瀝青混凝土，基層結構為30cm水泥穩定碎石，其篩分級配如表3所示。原再生料的級配整體良好，仍呈“S”型曲線，基本符合再生規范中3#級配的技術要求。RAP的基本性能試驗結果為瀝青含量僅為2.3%，粗集料壓碎值為33.4%，吸水率為4.4%，粉粒含量達到8.5%。從該參數可以看出較大的粗集料因長期的荷載作用被壓碎細化，而粒徑更小的粉體逐漸增多，集料的力學性能劣化較大，部分中檔集料被水泥砂漿包裹銑刨后形成水泥石，粒徑增大。因此，雖然RAP銑刨料的級配良好，但因集料上包裹著大量水泥砂漿，級配粗化，粗集料的物理性能劣化、承載力降低，需要新添集料進行級配和性能改善[4-5]。

1.4 納米SiO2

研究選用的納米SiO2為白色粉末狀顆粒，購自南京埃普瑞納米材料有限公司，基本參數如下，純度：99.5%，APS：25nm，SSA：230m2/g，形態：多孔球狀。由技術參數可知該型納米SiO2具有純度高、比表面積大、粒徑小的特點。小尺寸的納米材料具有優異的活化性能，目前的研究表明很少的摻量即能對水泥基材料的力學性能有著顯著的改善效果[6]。

納米SiO2極易團聚的特性使得其在水泥基材料中不易分散[7]。本文采用水系溶液分散法，將納米SiO2粉末加入去離子水溶液中攪拌溶解后使用超聲波納米材料分散器進行超聲分散8min處理得到勻質納米SiO2分散液作為水穩冷再生混合料的拌合用水。將該分散液靜置2h～6h同步對比未經超聲分散手動攪拌8min的基準組發現，分散均勻性和穩定性提升顯著，聚沉現象發生緩慢，沉積凝膠較少?？紤]道路工程推薦的水泥初凝時間≥3h，終凝時間宜≥6h的時間范圍，在水穩冷再生混合料凝結成型期間，納米SiO2粒子能維持較好的分散狀態，進而提升對水穩再生基層性能的改善效果。

2 ?混合料組成

采用試算法調整各檔集料摻配比例，依據《公路瀝青路面再生技術規范》的級配要求，并參照《公路瀝青路面設計規范》中對骨架密實型結構的級配推薦范圍設計混合料的組合級配，得到各檔材料摻配比例如下，RAP∶10-30mm碎石∶10-20mm碎石∶5-10mm碎石∶0-5mm石屑=50%∶14%∶14%∶12%∶10%，得到組合級配如表3所示。該配比中RAP摻量較高達到50%，有效的循環利用了原有冷再生廢料，有利于改擴建公路的造價控制。采用骨架密實型結構形態，在有效提高水穩冷再生基層的力學性能的同時還有顯著提升基層材料的抗裂和抗沖刷性的效果。對水泥劑量的選定考慮了4%、5%、6%三種水泥摻量，通過更接近工程實際的振動壓實法得到最大干密度、最優含水率分別為：2.142g/cm3、6.8%，2.184g/cm3、7.2%，2.178g/cm3、7.5%。根據7d無側限抗壓結果并考慮水泥穩定碎石基層水泥摻量一般應不超過6%，最終選定水泥劑量為5%。即混合料的最大干密度為2.184g/cm3，最優含水率為7.2%。納米SiO2的摻比設計為0%、1%、2%、3%、4%、5%六個摻量，以質量分數內摻法取代等量水泥計算用量，維持結合料的總量不變。

3 ?試驗方法

3.1 試件制備

混合料試件為采用振動成型法成型的直徑150×150mm圓柱體試件。成型過程中裝模質量根據振動壓實試驗得到的最大干密度和最優含水率計算，壓實度要求為98%。

3.2 測試方法

試驗方法主要依據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）。其中混合料最大干密度及最優含水率試驗參照 T 0842-2009進行;無側限抗壓強度試驗參照 T 0805-1994進行，試件養生齡期分別為7d、28d、90d;劈裂強度試驗參照 T 0806-2009進行，試件齡期為90d;試件均在溫度為20℃±2℃、濕度為≥95%的標準環境下養生。試件成型后用塑料薄膜包裹，齡期最后一天將試件浸水24h。

4 ?試驗結果與分析

試驗包括不同納米SiO2摻量的冷再生混合料的7d、28d、90d無側限抗壓強度試驗、90d間接抗拉（劈裂）強度試驗。

4.1 無側限抗壓強度試驗

4.1.1 納米SiO2摻量對無側限抗壓強度的影響

當水泥穩定冷再生混合料的水泥劑量是5%時，不同納米SiO2摻量對應試件7d、28d和90d無側限抗壓強度的試驗結果及影響規律見表4及圖1。

由表4數據可知，隨著納米SiO2在水穩冷再生混合料中所占質量分數的增加，成型試件的7d、28d和90d無側限抗壓強度均有增加。從7d養生齡期看，摻加1%摻量的納米SiO2即能顯著增加試件的抗壓強度。相比未摻加納米SiO2材料的試件，摻量為1%、2%、3%、4%、5%的試件7d無側限抗壓強度分別提高了8.4%、20.9%、26.1%、27.6%、26.6%，其中1%～2%摻量試件的強度增長最快;28d的抗壓強度分別提高了4.2%、7.5%、9.4%、10.1%、8.9%;90d的抗壓強度分別提高了1.8%、3.2%、4.4%、4.1%、2.7%。由圖1的影響曲線可以直觀的看出，納米SiO2摻量≤2%時，抗壓強度的提高上升最快，摻量范圍為2%～4%時，對抗壓強度的提升幅度明顯減弱，摻量增加到5%時抗壓強度的提升效果開始降低。

上述試驗結果表明當納米SiO2摻量較低時，納米粒子在混合料中分布比較分散，濃度較低，且與水泥顆粒未能充分接觸，這導致納米SiO2粒子一方面不能有效發揮填充作用，對水泥砂漿及再生骨料中的微細孔洞和細紋缺陷等未能進行填充密實，另一方面未能對水泥顆粒進行充分活化促進水化產物大量生長，故抗壓強度雖提升效果可觀，但改善有限。隨著納米SiO2摻量增加，其對水泥膠凝材料力學性能的改善作用逐漸明顯，一部分納米粒子發揮高活性、納米尺度效應改善再生混合料中對路用性能不利的蓬松孔、微細紋裂隙等，使混合料強度生長薄弱的過度界面縫隙更小、粘結力更強，水泥砂漿固結的再生細料微孔被填充，密實度進一步加強;再者納米SiO2對水泥水化產物生成有顯著增強和引導作用，增加了水化產物晶體的密度和數量。當摻量增大到一定質量分數時，納米SiO2粒子密度進一步增大，分散粒子開始團聚，部分為起到填充和促進作用的粒子出現“冗余”，加之水泥水化產物晶體錯雜生長，部分晶體相互穿插堆疊發生斷裂破壞，故而隨著納米SiO2摻量增加到一定比例后（如本文中的4%“拐點”），抗壓提升效果會出現下降甚至對抗壓強度起負面效果。

4.1.2 齡期對無側限抗壓強度的影響

結合表4數據和圖1曲線可知，摻加納米SiO2對水穩冷再生混合料各齡期試件無側向抗壓強度均有提高，但表現出對早期抗壓強度的提升效果更為明顯，對90d抗壓強度的改善已無明顯提升。從摻量上看，納米SiO2質量分數的遞增對于7d、28d和90齡期抗壓強度的影響趨勢基本相同，呈現為“增強幅度先快后慢再降低”的曲線形式，即都存在“飽和拐點”，但拐點摻量并不一致。