水穩(wěn)再生料強(qiáng)度優(yōu)化研究

袁公昌，閆祥勝，李浩，周浩

（1.無棣縣公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 濱州 251999；2.濱州安泰路橋工程有限公司，山東 濱州 251999；3.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101）

在我國，半剛性基層瀝青路面成為我國高速公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式，半剛性基層是瀝青路面的主要基層類型，我國在建或已建成的高速公路90%以上采用半剛性基層瀝青路面，且大量道路進(jìn)入大修期，但長期基建歷史導(dǎo)致我國優(yōu)質(zhì)石材日益短缺。對(duì)既有道路結(jié)構(gòu)材料銑刨后進(jìn)行穩(wěn)定再生[1-2]是客觀需求。半剛性基層的材料構(gòu)成決定了，對(duì)其進(jìn)行水泥穩(wěn)定再生是最合理的方法。半剛性基層材料的水穩(wěn)再生料與傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石較為接近，力學(xué)強(qiáng)度一般略低于水穩(wěn)碎石，抗變形能力也更低。從而導(dǎo)致水穩(wěn)再生基層更容易因應(yīng)變能力較低而發(fā)生破壞。

為改善半剛性基層材料變形能力，道路工作者進(jìn)行了大量研究[3-4]，其中最有效的方法是加入纖維進(jìn)以及粉煤灰行強(qiáng)化[5-7]。粉煤灰[8]可以與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)進(jìn)行火山灰作用提供強(qiáng)度，且其形狀為微小球形有利于混合料的壓實(shí)和密實(shí)；摻入纖維后，水泥水化產(chǎn)生的水泥石可與集料和纖維粘接，從而將混合料整體連接為一個(gè)整體，且高聚物纖維具有很強(qiáng)的力學(xué)強(qiáng)度和變形能力，一方面直接提高混合料的強(qiáng)度，另一方面在混合料受力產(chǎn)生微裂縫的情況下，纖維可將已經(jīng)碎裂的混合料試件仍然連接為一個(gè)整體，并維持一定強(qiáng)度，從而有效提高集料-水泥石-纖維復(fù)合材料整體的強(qiáng)度和變形性能。為了確定水泥和纖維強(qiáng)化對(duì)水穩(wěn)再生材料的力學(xué)性能的影響，本文進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

（1）水泥。實(shí)驗(yàn)所用水泥均選用標(biāo)號(hào)為42.5 的硅酸鹽水泥，生產(chǎn)廠家為山東山水水泥。按照相應(yīng)規(guī)范要求對(duì)所用水泥進(jìn)行技術(shù)檢測，結(jié)果顯示，所選用的水泥的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)均符合規(guī)范要求。本次選用水泥劑量4%，粉煤灰劑量為8%。

（2）再生料。一般經(jīng)驗(yàn)表明，水穩(wěn)再生材料的強(qiáng)度比傳統(tǒng)水穩(wěn)碎石略低。本次目的為完全利用基層再生料，再生料分為粗中細(xì)三檔，最終完全利用，未添加新碎石，其級(jí)配接近懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)水穩(wěn)碎石，但部分粒徑級(jí)配超范圍。

（3）纖維。本次實(shí)驗(yàn)選用的纖維為聚丙烯纖維。纖維用量存在最佳用量和最佳強(qiáng)度，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)纖維用量提高或纖維長度增長時(shí)可以提高混合料強(qiáng)度，但超過最佳值后，都會(huì)產(chǎn)生纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，降低混合料強(qiáng)度。根據(jù)纖維推薦用量和前期經(jīng)驗(yàn)，本次選擇纖維劑量1‰，纖維長度12mm。

（4）本次實(shí)驗(yàn)方法為無側(cè)限抗壓實(shí)驗(yàn)，通過不同材料的峰值強(qiáng)度和變形來評(píng)價(jià)其力學(xué)性能。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是半剛性基層材料試件在無側(cè)向壓力情況下的極限強(qiáng)度，這是無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料組成設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)，可以綜合反映材料的性能。本文通過7d、28d、90d 齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反映其力學(xué)強(qiáng)度，通過7d 齡期的抗壓變形峰值反映其變形能力。試件的成型是按照試驗(yàn)規(guī)程《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》JTGE51—2009 中的T0843—2009 方法成型徑高比為1:1的圓柱形試件，試模選用Φ150mm×150mm，壓實(shí)度為98%，靜壓成型，并在20℃條件下進(jìn)行相應(yīng)齡期下的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生。

2 結(jié)果分析

2.1 水穩(wěn)再生材料強(qiáng)度

與傳統(tǒng)的新拌水穩(wěn)碎石相比，水穩(wěn)再生料強(qiáng)度略低，具體強(qiáng)度對(duì)比如圖1 所示。

圖1 水穩(wěn)碎石與水穩(wěn)再生混合料不同齡期強(qiáng)度

由圖1 可知，水泥再生材料的含水率顯著提高，密度計(jì)有一定程度降低，其抗壓強(qiáng)度下降約20%。其原因在于再生料骨料經(jīng)過長期承載，骨料的強(qiáng)度、棱角性以及顆粒表面粗糙程度會(huì)有一定程度降低，集料的級(jí)配一般也有所衰退，且其中細(xì)料含量特別是其中的水泥石含量較高，從而降低混合料的強(qiáng)度，并提高其收縮系數(shù)，導(dǎo)致易于收縮開裂。一般可以在再生料中加入部分新碎石來在一定程度上改善再生料級(jí)配并提再生高混合料強(qiáng)度和性能。通過加入纖維和粉煤灰等措施可以更有效提高再生料的力學(xué)強(qiáng)度，特別是能有效提高其抗變形和開裂能力[9-10]。

2.2 纖維與粉煤灰對(duì)水穩(wěn)再生料強(qiáng)度的影響

纖維和粉煤灰都可以提高再生料的強(qiáng)度。不同齡期條件下，纖維和粉煤灰都對(duì)再生料強(qiáng)度的影響如圖2 所示：

圖2 粉煤灰與纖維對(duì)水穩(wěn)再生混合料不同齡期強(qiáng)度的影響

圖3 纖維與粉煤灰對(duì)水穩(wěn)再生料力學(xué)和變形能力影響

由圖2 可以得到以下結(jié)論：（1）再生料中加入纖維后，其強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度有明顯提高，約17%～22%，纖維強(qiáng)度水泥再生料強(qiáng)度基本與水泥穩(wěn)定碎石相當(dāng)。（2）加入粉煤灰后，其早期強(qiáng)度變化不大，明顯低于水穩(wěn)碎石，與普通水穩(wěn)再生料強(qiáng)度基本一致，但后期強(qiáng)度又明顯提高，90d 強(qiáng)度增長幅度可達(dá)24%，超過新拌水穩(wěn)碎石強(qiáng)度。這是因?yàn)榉勖夯?水泥在水化過程中相互影響，粉煤灰的反應(yīng)速率較低但可以持續(xù)很長時(shí)間，所以其早期強(qiáng)度相對(duì)較低但后期增長顯著。（3）復(fù)合添加纖維和粉煤灰，其早期強(qiáng)度較好，纖維強(qiáng)化水泥再生混合料相當(dāng)，后期強(qiáng)度比單純纖維強(qiáng)化或添加粉煤灰的水穩(wěn)再生混合料強(qiáng)度高，90d 強(qiáng)度提高29%。（4）在提高早期強(qiáng)度方面，纖維作用較大，粉煤灰影響很小；在提高長度強(qiáng)度方面粉煤灰影響更為顯著，復(fù)合使用纖維和粉煤灰能更有效地改善再生料強(qiáng)度。

這是因?yàn)槔w維加入水穩(wěn)再生料并分散基本均勻后，隨著水泥水化過程的持續(xù)，水泥石逐步與纖維絲束結(jié)合，大量水泥水化物和纖維絲束最終會(huì)形成致密的、三維方向隨機(jī)分布的水泥石-纖維立體網(wǎng)狀固結(jié)體系，并與水泥穩(wěn)定再生料形成復(fù)合材料強(qiáng)度體系。纖維復(fù)合水穩(wěn)材料的抗拉強(qiáng)度是由水泥穩(wěn)定材料基體和纖維的抗拉強(qiáng)度疊加而成，依靠纖維和水泥基體間的界面吸附力；在這種狀態(tài)下，當(dāng)混合料體系受力時(shí)，方向隨機(jī)的纖維絲束必然有一部分處于受拉狀態(tài)，從而承擔(dān)一部分應(yīng)力，想要對(duì)水泥穩(wěn)定再生料造成破壞，就必須克服纖維的抗拉強(qiáng)度做功，但纖維本身強(qiáng)度和變形能力很強(qiáng)，因此在斷裂過程中會(huì)產(chǎn)生更大的變形量并消耗更大的能量。

2.3 纖維與粉煤灰對(duì)水穩(wěn)再生料變形能力的影響

為了進(jìn)一步分析纖維與粉煤灰對(duì)水穩(wěn)再生料變形能力[11]的影響，本文測試了不同材料試件7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的變形值（其中的CTA為水穩(wěn)碎石，CR 為水泥再生料，CFAR 為水泥粉煤灰再生料、CFR為水泥纖維再生料、CFAFR 為水泥粉煤灰纖維再生料）；為了與應(yīng)力情況進(jìn)行對(duì)比，同樣給出了不同材料荷載峰值，具體結(jié)果如下：

根據(jù)圖2 可以得到以下結(jié)論：不同外加劑對(duì)水穩(wěn)再生料的力學(xué)強(qiáng)度和變形能力的影響不完全一致，具體說來：（1）加入粉煤灰后，水穩(wěn)再生料的早期強(qiáng)度變化很小（降低3%），但應(yīng)變值有一定提高（約8%）。（2）再生料中加入纖維后，早期強(qiáng)度有明顯提高（約18%）；而其極限變形值有顯著提高（約42%）。（3）復(fù)合添加纖維和粉煤灰，其早期強(qiáng)度提高（約17%），而其極限變形值有顯著提高約49%。這是因?yàn)槔w維變形能力遠(yuǎn)大于水泥石，當(dāng)水泥石破裂后，纖維仍然將已經(jīng)開裂的混合料聯(lián)系在一起并保有一定強(qiáng)度，所以不但可以有效提高混合料的強(qiáng)度更能顯著提高其抗變形能力。基層材料抵抗外部力學(xué)荷載的能力由極限強(qiáng)度和變形能力共同影響，抵抗收縮荷載的能力主要受變形能力影響。而復(fù)合使用粉煤灰和纖維同時(shí)提高水穩(wěn)再生料的強(qiáng)度和變形能力，所以對(duì)基層的行車荷載的承載力和對(duì)收縮的抵抗能力，都有顯著的改善效果。

水泥穩(wěn)定材料來說，其力學(xué)強(qiáng)度較高，正常工況條件下極少因力學(xué)強(qiáng)度不足而導(dǎo)致破壞；而其變形能力較弱，變形能力不足導(dǎo)致的收縮開裂是其最主要短板，極大影響水穩(wěn)材料的耐久性。本文通過添加粉煤灰和高聚物纖維，有效提高水穩(wěn)再生料的各項(xiàng)性能：在復(fù)合使用條件下，水穩(wěn)再生料的長期力學(xué)強(qiáng)度可以提高29%，抗變形能力提高49%；可以提高水穩(wěn)再生料的承載能力，特別是改善其變形能力可有效提高其抗開裂性能從而保證基層的耐久性。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在水穩(wěn)再生料中加入粉煤灰對(duì)其早期強(qiáng)度影響很小，但對(duì)其長期強(qiáng)度有顯著的增強(qiáng)作用，粉煤灰對(duì)再生料的變形能力有一定改善作用；加入適量纖維對(duì)水穩(wěn)再生料的所有強(qiáng)度均有較好的增強(qiáng)作用，對(duì)其變形能力有顯著的改善作用；復(fù)合使用粉煤灰和纖維，對(duì)水穩(wěn)再生料早期和長期的力學(xué)和變形性能均具有顯著的改善作用。

3 結(jié)論

本文通過添加粉煤灰和聚丙烯纖維來改善水穩(wěn)再生料的力學(xué)性能，并通過不同齡期的強(qiáng)度和變形能力為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：

（1）水穩(wěn)再生材料的力學(xué)性能一般略低于新拌水穩(wěn)碎石，可以通過加入適量粉煤灰和纖維來進(jìn)行改善。

（2）加入分粉煤灰后，水穩(wěn)再生料早期強(qiáng)度變化較小，其后期強(qiáng)度有顯著提高，可超25%。

（3）加入纖維后，水穩(wěn)再生料早期強(qiáng)度有顯著提升，約20%，其后期強(qiáng)度也有較為明顯提高，但其程度不如粉煤灰明顯；但加入纖維后再生料混合料變形能力顯著提高可達(dá)42%。

（4）復(fù)合摻加粉煤灰和纖維，可以顯著提高水穩(wěn)再生料早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度；可以顯著提高水穩(wěn)再生料的強(qiáng)度和變形能力，其強(qiáng)度可提高28%，變形能力可提高49%，有效提高其承載能力和抗裂性能。