再生骨料水泥穩定碎石收縮性能分析

陳 軍

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

該依托工程修建較早，主線路段全長108 km，修建面層結構為水泥混凝土路面，目前已產生一定病害，達到改擴建要求。前期養護過程中，每年對該高速養護產生了一定量的廢棄水泥混凝土面板，這些廢棄物均堆積在公路沿線大大小小的棄土場，破壞了周邊環境。因此如何將上述廢棄混凝土面板加以利用，一方面可以節省投資，另一方面也可以節約資源，符合我國提出的“綠色公路”要求[1-4]。

半剛性基層由于采用水泥膠凝材料，且水泥摻量遠小于水泥混凝土，因此其干溫縮特性對水穩基層影響較大，易導致路面強度降低，產生沖刷和唧泥坑槽等病害，減少道路的使用壽命[5-7]。由于再生集料具有吸水率高、壓碎值高等特性，在傳統直觀認知中認為其可能帶來更加嚴重的開裂，阻礙了其在實際工程中的應用[8-11]。

1 原材料性能試驗

對高速公路廢棄路面板進行破碎得到再生集料，篩分得到粗細集料，再生集料的技術指標試驗結果如表1、表2所示。

表1 再生粗集料指標

表2 再生細集料指標

由表1可知：由于再生集料上附著了一定量的水泥砂漿，導致其壓碎值與吸水率相對較大。這是由于水泥混凝土面板破碎后，表面存在水泥漿體破碎形成薄弱面，因此有較大的壓碎值，同時由于砂漿相較巖石據喲較高的吸水率，因此吸水率增大。

由表2可知：再生細集料的吸水率較原生集料大，且有機質含量高。其中吸水率高原因與粗集料相同，且由于加工破碎的水泥漿體粉末歸為細集料，因此其吸水率更高。而由于面板破除過程中不可避免產生污染，因此有機質含量相應增大[12]。但總體而言破碎的再生集料均滿足規范有關水穩基層的對應要求。

3 水泥穩定再生集料碎石設計

依據公路基層水泥穩定材料的級配范圍要求，采用表3所示的級配進行試驗。

表3 水泥穩定碎石合成級配

試驗選用緩凝42.5水泥，水泥用量為3.0%，5.0%，7.0%，采用擊實法確定不同水泥用量下的最佳含水量和最大干密度，擊實試驗結果如表4所示。

表4 不同水泥摻量擊實試驗結果

采用試件尺寸：φ150 mm×150 mm，試件在(20±2) ℃、濕度95%環境下養生6 d后泡水24 h后，試驗結果如表5所示。

表5 水泥穩定碎石7 d無側限抗壓強度

由表5可知，設計的水泥穩定再生集料碎石性能基本滿足規范要求。

4 收縮性能試驗

4.1 試驗設計

采用與配合比設計相同的級配進行梁式試件制備，水泥摻量分別為3%，5%，7%，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試件9個為一組，3個用作標準空白試件，另外6個用作收縮變形試驗使用。養生方式與無側限抗壓強度測試試件相同，養生7 d，其中最后24 h浸泡水中。

4.2 干縮試驗

試件浸水完成后取出擦干備用，稱取試件的初始質量m0，然后將試件兩個長短端面磨平，并用502膠水將銅釘粘結在試件端面上。待銅釘粘結牢固后，將試件安置于收縮儀上。

試驗初期(一般7 d內)測量頻率為每日一次，之后每2 d測量一次，在30 d后讀取第40、50、60、70、80、90 d的千分表讀數。觀測結束后烘干至恒重并稱取質量記為m，計算干縮應變、干縮系數，取平均值作為最終計算結果。試驗結果如圖1～圖3所示。

圖1 不同水泥摻量下失水率變化曲線

圖2 不同水泥摻量下干縮系數變化曲線

圖3 兩種集料組成混合料干縮系數對比

由圖1可知。

同常規水穩混合料一樣，摻加再生集料的混合料失水率隨齡期的增長而增大，且水泥摻量越大，累計失水率越大，水泥摻量由3%增加至5%時，混合料最終累計失水率差距接近1%。這是由于水泥作為干硬性膠凝材料，在強度形成過程中需要吸收水分，因此混合料累計失水率逐漸增大，水泥摻量越大水化所需的水分越多，故累計失水率也越大。因此在實際工程運用中，在保證結構層強度的條件下應盡可能控制水泥摻量，同時也應加強養護，減少結構層暴露于空氣中的時間，以免控制由于干縮現象導致的結構層裂縫的產生。

不同摻量水穩混合料累計失水率隨齡期變化趨勢基本一致，當齡期在10 d以內時，失水率急劇增加，10～30 d時，失水率增幅變緩，至30 d以后失水率仍有增加，但增幅較小。上述失水率變化與水泥水化強度形成過程基本一致，即在10 d以內時為強度形成關鍵期，此階段強度基本形成，之后水化放緩。

由圖2可知。

同累計失水率變化趨勢類似，不同水泥摻量水穩混合料干縮系數均隨齡期逐漸增長，且分為3個階段：快速增長期(10 d以內)、增速放緩區(10～30 d)、緩慢增長區(30 d以后)。同時，隨著水泥摻量的增加干縮系數逐漸增大，且當水泥摻量由3%增加到5%時干縮系數增長遠大于水泥摻量由5%增加到7%時增幅。因此建議在實際工程中，條件允許時應嚴格水泥摻量，以避免提高水泥摻量時干縮系數的快速增大現象。

綜上分析，為指導工程實踐，采用該再生集料時，為控制干縮，養生齡期宜不小于10 d。條件允許時應養生至30 d，或養生10 d后盡快施做上一結構層，以免再生水穩層暴露于空氣中增大干縮現象的產生。

為了進一步確定再生集料用于工程實際中的可行性，參考已有試驗數據將水泥穩定天然集料與再生集料組成的混合料之間干縮試驗數據進行對比，如圖3所示。

由圖3可知。

當水泥摻量小于5%時，天然集料組成的混合料干縮系數小于再生集料組成的混合料，且干縮系數差距較小。且當水泥摻量較高，達到5%以上時，再生集料組成的混合料干縮系數增速放緩，并小于天然集料組成的混合料。表明僅就干縮系數這一指標而言，將再生集料運用于水穩基層具有可行的理論基礎。

4.3 溫縮試驗

采用與干縮試驗相同的試件進行溫縮試驗，養生7 d后烘干至恒重備用。測量試件原始長度，對試件端部進行打磨處理，安裝到收縮儀上，并安置千分表。溫縮試驗共分為5個溫度區間，溫度范圍為-10～40 ℃，試驗由高溫開始逐漸降溫依次進行試驗。試驗在降溫保濕期間后5 min進行千分表數據讀取，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同水泥摻量下溫縮系數與溫度區間關系

由圖4可知。

(1)隨著水泥摻量的增加，溫縮系數均顯著增大，這與干縮系數同水泥摻量關系一致。表明在滿足結構層強度的條件下宜有效控制再生集料水穩混合料水泥摻量，以免后期形成裂縫造成結構層承力性能下降。

(2)不同水泥摻量條件下，再生集料水穩混合料溫縮系數隨溫度變化趨勢基本一致，均為先減小后增大。其中，當溫度區間為0～10 ℃時溫縮系數最小。表明再生集料水穩混合料存在合適的養生溫度區間，即當溫度區間為0～10 ℃時，將可有效減小溫縮裂縫的產生。但綜合以往有關水泥強度形成機理，溫度越高強度形成越快，平衡溫縮與強度二者之間關系，建議宜將養生溫度控制在0～20 ℃為宜。溫度過低時宜采用可控制熱量損失的“一布一膜”類土工布進行養生，溫度過高時應采取灑水降溫等有效降溫措施。

5 結 論

再生水穩混合料干縮發展分為3個階段：快速增長期(10 d以內)、增速放緩區(10～30 d)、緩慢增長區(30 d以后)。

再生集料水泥穩定碎石在0～10 ℃溫度區間時，溫縮效應最小，但綜合水泥強度形成機理，平衡溫縮與強度二者之間關系，建議宜將養生溫度控制在0～20 ℃為宜。

綜合分析，建議工程應用中宜采用0～20 ℃條件下養生30 d，或養生10 d后施工封層、瀝青層等上結構層的方法進行水泥穩定再生集料碎石施工。