再生集料水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能研究

李鵬飛，韓鵬威，徐文遠(yuǎn)

(1.黑龍江省公路工程造價(jià)管理總站，黑龍江 哈爾濱 150001；2.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 再生粗集料的性能評(píng)價(jià)

再生粗集料是由硬化的水泥砂漿體、表面包裹一定數(shù)量砂漿的碎石以及與砂漿完全脫離的碎石三種石料組成。考慮到水泥穩(wěn)定碎石中對(duì)集料的粒徑要求，選擇5～10 mm及10～20mm兩組再生集料進(jìn)行物理和力學(xué)性能試驗(yàn)。

1.1 物理性能評(píng)價(jià)

參考《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)中的方法對(duì)再生集料和天然集料分別進(jìn)行進(jìn)行吸水率、表觀密度、針片狀含量和堆積密度試驗(yàn)等物理性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 再生粗集料物理性能試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)表觀密度：再生集料的表觀密度小幅度低于天然集料，主要原因?yàn)樵偕纤槭嬖谳^多的開口空隙，開口空隙越多，空隙率就越大，使得天然集料表觀密度大于再生集料表觀密度。

(2)吸水率：天然集料的吸水率小于再生集料的吸水率，主要原因是水泥砂漿的存在使得再生集料的孔隙率增大，吸水率也變大。

(3)堆積密度：再生粗集料的堆積密度低于天然粗集料。主要原因?yàn)樵偕媳砻鏁?huì)存在未水化的水泥砂漿，這些水泥砂漿強(qiáng)度比較差，在試驗(yàn)過(guò)程中易被壓碎和脫落，這些碎落的水泥砂漿占據(jù)了相應(yīng)內(nèi)部空間，使得在相同體積下再生集料的整體質(zhì)量降低。

(4)空隙率：天然集料空隙率低于再生集料的空隙率，主要原因是再生集料在破碎過(guò)程中，受到較大的機(jī)械擠壓作用，內(nèi)部產(chǎn)生了相應(yīng)的微裂縫，再生集料表面凹凸不平，棱角較多，這些因素都間接增大了再生集料空隙率。

1.2 力學(xué)性能評(píng)價(jià)

參考《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)中的方法對(duì)再生集料和天然集料分別進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)和堅(jiān)固性試驗(yàn)。

表2 再生粗集料力學(xué)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)壓碎值：天然集料和再生集料的壓碎值均滿足規(guī)范要求。再生集料較天然集料的壓碎值高6.5%。主要原因是再生粗集料表面會(huì)存在未水化的水泥砂漿，這些水泥砂漿強(qiáng)度比較差，在壓碎過(guò)程中易被壓碎；再生集料在破碎過(guò)程中，受到較大的機(jī)械擠壓作用，內(nèi)部產(chǎn)生了相應(yīng)的微裂縫，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致抗破碎性能降低，壓碎值增大。

(2)堅(jiān)固性：再生集料的堅(jiān)固性較天然集料較差，但均能滿足規(guī)范要求。

2 力學(xué)性能研究

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度和最佳含水量

本論文研究最終采用了《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/TF20-2015)里“表4.5.4水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石或礫石的推薦級(jí)配范圍”中的C-C-2級(jí)配。此級(jí)配范圍適用于二級(jí)及二級(jí)以下公路的基層，級(jí)配合理，抗變異能力較強(qiáng)。分別按4%、5%、6%三種不同的水泥劑量，以5～10 mm和10～20 mm兩種再生集料摻配率分別為0%、35%、70%和100%四種不同摻配率等量取代天然集料，共計(jì)12組配合比來(lái)配制水泥穩(wěn)定碎石混合料。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)隨著再生集料摻量的增加，混合料的最大干密度逐漸降低。水泥劑量為5%時(shí)，摻量為100%時(shí)的最大干密度與摻量為0時(shí)相比降低了6%。

(2)相同水泥劑量下，再生集料摻量越大，混合料的最佳含水量越大。水泥劑量為5%時(shí)，摻量為100%時(shí)的最佳含水量與摻量為0時(shí)相比增大了26%。

2.2 再生集料水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能

為研究再生集料摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)再生集料水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響，考慮到施工變異性和抗凍性能等因素最終采用5%的水泥劑量，以再生集料摻量分別為0%、35%、70%和100%等量取代天然集料，按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)進(jìn)行7 d、2 8d和90 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 再生集料水泥穩(wěn)定碎石不同齡期力學(xué)性能

圖1 劈裂強(qiáng)度與再生集料摻量、養(yǎng)生齡期的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)5%水泥劑量和100%再生集料摻量下的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路的重交通等級(jí)路面基層要求，表明再生集料在實(shí)際工程中可以應(yīng)用。

(2)隨著再生集料摻量的增加，再生集料水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的規(guī)律。這種先增加后降低的主要原因是：試件強(qiáng)度不僅受到集料自身的強(qiáng)度的影響，還受到集料和集料之間、集料與水泥間的界面接觸形成的粘聚力影響。強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中，試件的破壞最早發(fā)生于集料和集料之間的界面，這個(gè)過(guò)程只有少量的集料被破壞，此時(shí)集料—集料、集料與水泥間的界面接觸強(qiáng)度會(huì)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度造成影響。再生集料較天然集料品質(zhì)較差，棱角更多，更粗糙，孔隙更大，當(dāng)天然集料中摻入再生集料時(shí)，兩者之間產(chǎn)生的摩擦力和咬合力更大；同時(shí)再生集料的較大孔隙率可以與更多的水泥漿接觸，增大了集料與水泥間的界面接觸強(qiáng)度。鑒于以上原因，再生集料的摻入增大了試件的劈裂強(qiáng)度。再生集料摻量為35%時(shí)，試件內(nèi)的主要受力對(duì)象為天然集料，再生集料為次要受力對(duì)象。而隨著再生集料摻量的逐步增加，試件內(nèi)的主要受力對(duì)象變?yōu)榱嗽偕希偕献陨韽?qiáng)度低的原因被放大，整體強(qiáng)度隨之降低。

(3)基層力學(xué)性能隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而逐漸增長(zhǎng)，與普通水泥混凝土隨齡期的變化規(guī)律相一致。

3 結(jié) 論

再生集料的壓碎值和堅(jiān)固性等力學(xué)性能較天然集料較差，但均能滿足規(guī)范要求，再生集料的針片狀含量低于天然集料。再生集料的物理力學(xué)性能與天然集料相差不大，符合規(guī)范要求；再生粗集料的吸水率大于天然粗集料的吸水率，在工程實(shí)際中需要考慮吸水率的問(wèn)題，適當(dāng)增加用水量。對(duì)7 d、28 d、90 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究。再生集料摻量的逐步增大使得基層力學(xué)性能均呈現(xiàn)先增大后降低的規(guī)律，力學(xué)性能均隨齡期的增長(zhǎng)而增大。