不同壓實方法成型水泥穩定再生混凝土集料性能研究

羅生岳

（青海省興利公路橋梁工程有限公司，青海 西寧）

引言

水泥穩定碎石半剛性基層具有早期強度高、水穩定性好、抗凍性好等優點，在我國道路基礎建設中應用廣泛。近年來，因礦山無序開采和環保力度的加大，優質石材逐漸面臨短缺的窘境，因此，因地制宜地選擇可代替的道路材料成為學者們關注的重大課題，其中廢棄混凝土再生集料的重復利用受到了廣泛關注[1]。研究表明，摻加再生混凝土集料的水泥穩定碎石半剛性基層強度滿足規范要求，社會經濟效益顯著，是一種優質的可再生筑路材料[2-3]。而目前我國針對水泥穩定碎石的成型方法有兩種，一種是靜壓成型法，另一種是振動成型法，然而研究表明，靜壓法成型的試樣與試驗段試樣之間的相關性較差，原因在于采用靜壓法指導施工的理念被提出在上個世紀，而近年來隨著工程機械的發展，靜壓法壓實后的試樣力學強度遠低于現場芯樣的強度，與現場施工方法的改進不太匹配[4-5]。與此同時，振動法成型的試樣具有更高的力學強度，與現場樣品具有更高的相關性，但振動法與靜壓法在設計水泥穩定再生混凝土集料的對比研究鮮有報道。因此，本研究對比研究了靜壓法和振動法對水泥穩定再生混凝土力學性能的影響，以證明振動壓實方法能夠更好地從力學角度反映現場施工條件，有助于后續振動壓實標準的研究。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1） 水泥

水泥為P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，技術指標見表1。

表1 水泥技術指標

（2） 天然集料

天然集料采用石灰巖，技術指標見表2。

表2 集料技術要求

（3） 再生混凝土集料

本研究使用的再生混凝土集料經過鄂式破碎機破碎篩分后形成具有一定級配的再生混凝土集料，物理力學指標見表3。

表3 再生混凝土集料的物理力學指標

表3 可以看出，相對于天然集料，再生混凝土集料密度相對較低、壓碎值和吸水率偏高，對其制備的水泥穩定碎石基層力學強度產生負面影響，究其原因在于再生混凝土經過多年的使用內部產生了眾多疲勞微裂紋，其次在破碎篩分過程中也會造成損傷，還有集料表面附著的水泥砂漿材料密度不高，導致再生混凝土集料的壓碎值和吸水率偏高，密度降低。

1.2 級配

本研究采用《公路瀝青路面設計規范》（JTGD50-2006）中骨架密實級配進行研究，級配篩孔通過率列于表4、級配設計見圖1。

圖1 級配設計

表4 骨架密實級配

1.3 試件成型方法

本研究選取靜態壓實法和振動壓實法兩種方法制備試件，靜壓法根據《公路工程用無機粘結劑穩定材料的試驗規程》（JTG E51-2009）成型試件，振動法根據《公路水泥穩定碎石抗裂設計與施工技術規范》（DB 41/T864-2013）。靜壓法為我國目前水泥穩定碎石基層常用的設計方法，振動法為近年來許多道路工作者推薦的設計方法。振動法考慮到室內儀器的可操作性，設計的垂直振動壓實儀的內部振動器結構模仿了定向振動壓路機的獨特工作原理和結構特點，核心部件是偏心塊，兩個偏心塊對稱布置抵消了水平力，工作時只產生垂直力，由快速旋轉產生的正弦激勵力確保了垂直振動壓實儀的穩定性和有效的垂直振動壓實。

2 試驗結果與討論

2.1 振動壓實法的驗證

通過比較振動法樣品和路面芯樣的力學強度，評估了振動法的可靠性，靜壓法成型的試樣被列為參考，其中路面芯樣來自某國道的試驗段，三種試件的無側限抗壓強度對比見圖2。

圖2 不同成型方法的試件強度與芯樣的相關性

圖2 可以看出振動法試件與芯樣的力學強度相關性超90%，高于靜壓法試件（相關性僅70%），這證明了振動法模擬實際施工程度較高。相比于靜壓法試件，振動法試件的7 d 抗壓強度提高了28%，一方面因為振動壓實有助于改善粗集料在試樣內的滾動排列，并且使得水泥砂漿更好的填充空隙，形成強嵌擠骨架密實結構；另一方面尺寸效應對靜壓法試件影響更大，限制了集料在壓實過程中的移動造成集料破碎，從而影響強度形成。三種樣品的外觀也證明了這一點，靜壓法試件表面有大量空隙和集料破碎的痕跡，振動法試件和芯樣則表面密實，進一步說明了振動法的可靠性。

但兩種室內成型試件的強度均低于道路芯樣，原因在于室內試驗成型試件受到模具尺寸效應的影響，集料與模具接觸部位難以繼續移動，空隙的數量和大小會存在較大波動，而道路振動壓路機具有很大的壓實力，路面鋪筑壓實時混合物的高頻振動使混合物充分滾動和壓實，細集料也可以動態緊密填充骨架，從而大大減少了空隙的數量，提高路面密度和強度。

2.2 力學強度

使用兩種成型方法，研究了再生混凝土集料摻量對無側限抗壓強度、劈裂強度和回彈模量的影響，試驗結果見圖3、圖4 和圖5。無側限抗壓強度和劈裂強度測試試件養生齡期為7 d，回彈模量測試試件養生齡期為28 d。

圖3 再生混凝土集料摻量對無側限抗壓強度的影響

圖4 再生混凝土集料摻量對劈裂強度的影響

圖5 再生混凝土集料摻量對抗壓回彈模量的影響

如圖3、圖4 和圖5 所示，振動法成型試件的無側限抗壓強度、劈裂強度和回彈模量遠高于靜壓法試件，抗壓強度提高32%～47.5%，劈裂強度提高30.6%～33.3%，抗壓回彈模量提升34.4%～39.8%。原因在于靜壓試件壓實過程中骨料之間受靜壓力作用，骨料的移動范圍有限，細骨料和水泥砂漿不能很好地填充空隙，特別是對于骨架密實級配，靜壓對粗骨料的靜摩擦力容易導致集料破碎，會嚴重破壞試件內部粗集料強嵌擠骨架結構，從而形成更多的空隙導致混合料的性能降低，這對于摻再生混凝土的水泥穩定碎石而言更加嚴重，原因在于再生混凝土集料的壓碎值較大，再生混凝土集料承受的靜壓力超過集料強度時，會造成集料破碎嚴重，嚴重影響水泥穩定碎石的級配。而振動法通過振動壓實的方式，可以對粗骨料在混合料中進行更好的排列，從而形成更強的骨架嵌擠力，并且使水泥砂漿更充分地填充骨架，提高混合料抵抗變形的能力。振動法成型的水泥穩定再生混凝土集料密度較大，混合料空隙率減小，提高了礦料的骨架嵌擠作用。同時，振動法設計的混合料最佳含水量相對較少，集料間的空隙主要被水泥砂漿填充，沒有多余的水分阻礙壓實，可以顯著提高混合料的粘聚力和內摩阻力。因此，振動法設計的水泥穩定再生混凝土具有更好的力學性能。

此外，圖中還可以看出，無論何種成型方法，隨著再生混凝土集料摻量的增大，力學強度隨之先增大后減小，當摻量在30%左右時，無側限抗壓強度和回彈模量達到最大，抗壓強度提升約6.5%～11.1%，回彈模量提升約9.6%～13.1%，摻量為45%時，劈裂強度達到最大，劈裂強度約提升10.3%～11.4%。這是因為再生混凝土集料中含有一定的活性成分，可以與水泥水化產物發生二次水化反應，有利于水泥穩定碎石強度的提升，且再生混凝土集料表面粗糙多棱角，與水泥砂漿的界面過渡區粘結性較強，有助于提高混合料內部摩擦力，對強度有積極效果。而當摻量超過一定范圍時，再生集料高壓碎值對混合料強度的負面效果進一步增大，且超過粘結力的提升效果，此時力學性能開始逐漸下降。

3 結論

（1） 振動法試件與芯樣的力學強度相關性超90%，高于靜壓法試件（相關性僅70%），這證明了振動法模擬實際施工程度較高。

（2） 振動法成型試件的無側限抗壓強度、劈裂強度和回彈模量遠高于靜壓法試件，抗壓強度提高32%～47.5%，劈裂強度提高30.6%～33.3%，抗壓回彈模量提升34.4%～39.8%。

（3） 無論何種成型方法，隨著再生混凝土集料摻量的增大，力學強度隨之先增大后減小。