再生骨料水泥穩定碎石基層材料的耐久性研究

作者簡介：趙柏權（1987—），工程師，主要從事公路建設施工工作。

摘要：文章在試驗測試的基礎上，對再生骨料水泥穩定碎石基層材料的耐久性進行綜合評價，基于干縮、溫縮、抗凍融性能和抗沖刷性能等多個方面試驗分析，得出以下結論：（1）在水泥穩定碎石基層材料中用再生骨料代替天然骨料，會導致累積失水率、平均干縮系數和溫縮系數總體增加；（2）再生骨料對水泥穩定碎石基層的抗凍融性能產生負面影響，增加水泥穩定碎石基層材料的養生時間可以提高其抗凍融能力，火山灰反應會產生更多的膠結材料來填充內部孔隙；（3）再生骨料作為細骨料摻入水泥穩定碎石基層中將是一種可持續的綠色環保手段，在工程應用中建議再生骨料替代率取20%。

關鍵詞：道路工程；再生骨料；水泥穩定碎石；基層材料；耐久性

中圖分類號：U414

0 引言

隨著城市化進程的加速和交通運輸行業的快速發展，路面基層材料的需求量以及使用量不斷增加。傳統的水泥穩定碎石基層材料受限于成本高、資源緊缺等缺點^［1］，為此，再生骨料水泥穩定碎石作為一種新型的道路基層材料應運而生，由于其具有成本低廉、強度性能滿足要求等，近年來逐漸被應用于工程實踐中^［2］。

再生骨料水泥穩定碎石基層是近年來發展的一種新型路面基層材料，具有環保、經濟、可持續發展等特點，在實際應用中受到了廣泛關注^［3］。目前常用的穩定劑包括水泥、石灰等，而在再生骨料水泥穩定碎石基層中，水泥是主要的穩定劑。研究表明，適當的摻加水泥可以提高再生骨料的強度和耐久性，并且能夠有效地改善其工程性質。此外，再生骨料來源于建筑廢棄物等，種類較多，包括混凝土再生骨料、磚瓦再生骨料等^［4-5］。研究表明，不同類型的再生骨料對水泥穩定碎石基層的性能影響不同，需要根據具體情況進行選擇。再生骨料水泥穩定碎石基層的配合比設計是關鍵因素之一，適當的水泥摻量、再生骨料粒徑和配合比能夠有效地提高基層的強度和穩定性^［6］。同時，在工程實踐中，再生骨料水泥穩定碎石基層的施工工藝對其性能有重要影響。采用壓實度高、均勻壓實的施工工藝能夠增加基層的密實度和強度，從而提高其使用壽命。

雖然再生骨料水泥穩定碎石作為新型的道路基層材料已經在工程實踐中得到了廣泛的關注與應用，但是從長期使用效果來看，其耐久性仍然存在許多問題。因此，為了深入探究再生骨料水泥穩定碎石基層材料的耐久性，本研究對其進行了系統性的研究分析，通過試驗測試，針對再生骨料水泥穩定碎石基層材料的耐久性，從干縮、溫縮、抗凍融性能與抗沖刷性能多個方面進行評價和分析，以期為再生骨料水泥穩定碎石基層材料的研究提供更為豐富的理論和實踐支撐，以推廣其在實際道路工程中的應用。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

水泥為普通快硬硅酸鹽水泥，參照我國標準JTG E30-2005測試其凝結時間和強度，其技術指標見表1，滿足我國標準GB175-2007、JTG/T F20-2015的相關規定。考慮到水泥穩定碎石的性能和經濟性，其水泥用量不宜過低或過高，在本研究中，水泥穩定碎石路面基層中水泥用量定為5%。

本研究中用于水泥穩定碎石的天然骨料類型是玄武巖骨料，參照我國標準JTG E42-2005測定粗細玄武巖骨料的表觀比重、吸水率、針片狀含量、壓碎值、液限和塑限。同樣根據我國標準JTG E42-2005測試再生骨料（RA）的技術指標，玄武巖骨料與再生骨料的技術指標均能夠滿足我國標準JTG/T F20-2015的要求。

1.2 水泥穩定碎石試件的制備

首先，參照我國標準JTG E51-2009中靜態壓實試驗方法（T0804），分別以0、20%、40%、50%、60%、80%的RA比例替代玄武巖細骨料，按照規范規定的水泥穩定碎石骨料級配中值，采用6個含水率且其間隔0.5%進行壓實試驗，確定不同RA替代率下水泥穩定碎石的最佳含水量和最大干密度，結果匯總于表2。

本研究中所用水泥穩定碎石試件包括圓柱體與長方體兩種，參照我國標準JTG E51-2009中的T0843-2009方法，可制備直徑為150 mm，高為150 mm的圓柱體試件，用于抗凍融與抗沖刷性能測試；參照我國標準JTG E51-2009中的T0844-2009方法，可制備長為400 mm、寬為100 mm、高為100 mm的長方體試件，用于干縮和溫縮性能測試。水泥穩定碎石試件的制備具體流程如下：先將骨料和水混合并靜置2 h，然后加入水泥攪拌均勻；將混合料分三次倒入圓柱體或長方體模具中，然后置于壓實機上以1 mm/min的加載速率壓實模具墊片，其中圓柱體試件穩壓2 min，而長方體試件穩壓5 min；壓實后的圓柱體試件在4～6 h（長方體試件在24 h）后脫模并儲存在密封袋中，溫度控制在（20±2）℃且相對濕度為95%以上。

1.3 耐久性試驗方法

根據我國標準JTG E51-2009，測試水泥穩定碎石試件的耐久性能，包括干縮性能、溫縮性能（養生7 d）、抗凍融性能（分別養生28 d和180 d）以及抗沖刷性能（養生28 d）。對于不同RA取代率下的水泥穩定碎石長方體試件的干縮性能進行研究，試件兩端打磨并粘貼有機玻璃片，其兩端固定千分表，放入恒溫（20±1）℃與相對濕度（60%±5%）的干縮室中，干縮試驗裝置如圖1（a）所示。干縮試驗第一周內每天記錄一次變化，第一周后每兩天記錄一次。通過高低溫交替試驗箱進行溫縮試驗，如圖1（b）所示。在溫縮試驗前，將不同RA替代率的長方體試件放入105 ℃烘箱中10～12 h直到重量恒定；然后打磨試件并粘貼箔式電阻應變片，溫度范圍為（-20 ℃～30 ℃）；使用靜態應變儀對高低溫交替試驗箱中的試件進行測試并記錄其應變值。

對于不同RA替代率下圓柱體試件的抗凍融性測試（圖2（a）），首先在-18 ℃低溫箱中冷凍16 h，然后在20 ℃的水浴中解凍8 h，以此定為一個凍融循環；若平均損失率超過5%，應立即停止試驗。養生28 d或180 d后，圓柱體試件的凍融循環分別設定為5次或10次。抗凍融性能評價指標定義為圓柱體試件在凍融循環后的無側限抗壓強度與凍融循環前的無側限抗壓強度之比。圖2（b）所示，基于混凝土振動平臺進行養生28 d的水泥穩定碎石試件抗沖刷性能測試，振動頻率為50±3Hz、垂直振幅為0.5±0.02mm；圓柱體試件固定于沖刷桶中并放置在振動平臺上，加水使其高于試件上表面5 mm，之后進行360 s的沖刷振動測試；通過圓柱體試件在沖刷前后的質量來計算沖刷質量損失率，以此表征圓柱體試件的抗沖刷性能。

2 試驗結果與分析

2.1 干縮性能分析

干縮試驗是反映水泥穩定碎石由于內部含水量變化而產生體積變化的試驗方法。圖3（a）為累積失水率隨時間變化的結果。可以看出，水泥穩定碎石在相同養生條件下累積失水率隨著RA替代率的增加呈現先降低后增加的趨勢。RA具有較高的吸水性，代替天然骨料將增加水泥穩定碎石試件的最佳含水量。通常在早期養生階段含水量越大，后期蒸發的水就越多，導致干縮和失水率更大。此外，隨著養生時間的增加，累積失水率曲線呈逐漸緩慢的上升趨勢。失水率在早期養生期間變化迅速，在后期逐漸減緩。平均干縮系數結果匯總于下頁圖3（b）中。干縮系數先減小后增大，其最小值出現在RA替代率為20%時。基層材料對水越敏感，其干縮系數越大，表明其抗裂性較差。

上述結果表明，適量的RA替代率可以在一定程度上抑制水泥穩定碎石的干縮。20%RA替代率下水泥穩定碎石的平均干縮系數最低。這是由于試件干縮失水主要包括水泥水化產物（如C-S-H）的脫水和孔隙水的蒸發，較少的RA替代率可從源頭降低水泥水化產物的脫水量；另一方面，RA骨料火山灰材料中的活性成分與水泥的水化產物發生反應，產生更多的膠結物質來填充內部孔隙，增加毛細孔隙的數量。因此，在毛細張力作用下孔隙水蒸發可能會增加干縮應變。隨著RA替代率從20%增加到80%，試件的累積失水率和平均干縮系數呈上升趨勢。大比例的RA替代率會進一步增加水泥穩定碎石的干縮情況。

2.2 溫縮性能分析

環境溫度變化產生的溫度應力會導致水泥穩定碎石基層材料收縮，反復發生會使內部結構疲勞并逐漸誘發裂縫損傷。水泥穩定碎石試件的溫縮結果如圖4所示。圖4（a）為不同溫度范圍內溫縮系數變化結果，隨著試驗溫度的降低，溫縮系數先減小后增大，不同RA替代率下水泥穩定碎石基層材料呈現出相似的變化趨勢。50%RA替代率下水泥穩定碎石的溫縮性能雖然波動較大，但其總體變化趨勢符合整體規律，這可歸因于某階段的測試誤差。當溫度從30 ℃下降到10 ℃～0 ℃時，溫縮系數逐漸下降，隨后溫度依次降到-20 ℃，溫縮系數有所增加。此外，從圖4（a）可以看出，對于不同溫度范圍，RA替代率越高，溫縮系數越大，這意味著溫度變化時試件出現裂縫損傷的可能性越高。造成這種現象的原因主要是試件內部的水分在0 ℃以下會發生凍脹，增大了溫縮系數，而在10 ℃～20 ℃范圍內，溫縮系數變化相對平緩。圖4（a）為不同RA替代率下水泥穩定碎石試件的平均溫縮系數結果，平均溫縮系數隨RA替代率的增加而增大。RA骨料的加入不僅對水泥穩定碎石試件的干縮性能有影響，而且對溫縮性能同樣也有影響。相比于天然骨料，RA骨料具有多孔隙、大孔徑和粗糙表面的特點，隨著RA替代率的增加，水泥穩定碎石試件的內部孔隙率也隨之增加，為溫縮變形提供了較大的空間。因此，平均溫縮系數隨RA替代率呈現出明顯的增長趨勢。

2.3 抗凍融性能分析

眾所周知，基層材料內部不可避免地存在空隙，含有或多或少的水分，當環境溫度變化時，基層材料中的水分會發生膨脹、收縮。采用殘余強度比（BDR）來評估水泥穩定碎石基層材料的抗凍融性能。不同RA替代率下水泥穩定碎石在養生28 d和180 d的抗凍融性能試驗結果如圖5所示。由圖5可知，在凍融作用前后，養生28 d和180 d后水泥穩定碎石試件的無側限抗壓強度結果總體呈下降趨勢，隨著RA替代率的增加而出現些許變化。另一方面，殘余強度比（BDR）越大，水泥穩定碎石試件的抗凍融性能越好。在較小RA替代率范圍內，隨著RA替代率的增加，水泥穩定碎石試件的BDR值略有增加，然后迅速下降，其中當RA替代率為50%時水泥穩定碎石達到BDR峰值。不同RA替代率下水泥穩定碎石基層材料的BDR值均滿足冰凍地區半剛性基層的抗凍融要求，即養生28 d后試件的BDR值≥50%。

2.4 抗沖刷性能分析

通常，降雨或地表水不可避免地滲入道路，基層內的骨料在動力壓力作用下有時會被沖刷出來，骨料間的膠結能力有所降低。在這種情況下，水泥穩定碎石基層材料的松散以及強度降低將會誘發相關路面病害。本文采用沖刷質量損失率（SML）作為水泥穩定碎石抗沖刷性能的評價指標。下頁圖6為養生28 d時不同RA替代率下水泥穩定碎石試件的抗沖刷性能試驗結果。從圖6中可以看出，隨著RA替代率的增加，水泥穩定碎石試件的SML值呈上升趨勢。相比于未摻RA骨料的水泥穩定碎石試件，RA替代率由20%變化至80%，養生28 d時水泥穩定碎石試件的SML結果逐漸增加，SML值分別增加了42.9％、30.3％、41.5％、17.9％和10.7％。結果表明，RA替代率對水泥穩定碎石試件的抗沖刷性能有明顯影響。抗沖刷性能的降低可歸因于RA骨料棱角性不良，其來源于建筑垃圾破碎而成，與天然骨料相比，RA骨料的棱角性較差，導致其與水泥砂漿形成的界面過渡帶的咬合力較弱。因此，RA骨料對水泥穩定碎石基層的抗沖刷性能有一定的負面影響，在相同的沖刷條件下，摻入大比例RA骨料的水泥穩定碎石試件的沖刷質量損失率較大。

3 結語

本研究的主要目的是在試驗測試的基礎上，對再生骨料水泥穩定碎石基層材料的耐久性進行綜合評價。基于干縮、溫縮、抗凍融性能和抗沖刷性能等多個方面，可以得出以下結論：

（1）在水泥穩定碎石基層材料中用再生骨料代替天然骨料，會導致累積失水率、平均干縮系數和溫縮系數總體增加。20%再生骨料替代率下水泥穩定碎石基層材料具有較小的干縮系數，抗裂性能較佳。此外，溫縮系數在10 ℃～20 ℃溫度范圍內變化相對平緩。

（2）再生骨料對水泥穩定碎石基層的抗凍融性能產生負面影響，增加水泥穩定碎石基層材料的養生時間可以提高其抗凍融能力，火山灰反應會產生更多的膠結材料來填充內部孔隙。與天然骨料相比，再生骨料粒徑較小，棱角性較差，對水泥穩定碎石基層材料的抗沖刷性能具有一定的負面影響。

根據本研究，再生骨料作為細骨料摻入路面水泥穩定碎石基層中將是一種可持續的綠色環保手段，在工程應用中再生骨料替代率建議取20%，基于溫縮性能結果考慮更適用于溫和地區應用。此外，可通過穩定劑與配合比設計進一步優化再生骨料水泥穩定碎石基層材料的強度與穩定性，以期取得更好的經濟、社會和環境效益。

參考文獻

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收稿日期：2023-04-08