HPMC對水泥穩(wěn)定全深式冷再生材料的性能影響研究

高種晟， 諸劍峰， 方 磊， 李秀君

（1. 上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200093；2. 浙江省桐鄉(xiāng)市公路管理局，桐鄉(xiāng) 314500；3. 襄陽華昇工程檢測咨詢有限公司，襄陽 441000）

道路再生技術(shù)是指將舊路面材料（主要是面層、基層材料）經(jīng)過銑刨、回收、破碎和篩分，再與適量新集料和穩(wěn)定劑一同拌合，重新形成能夠滿足設(shè)計要求的再生混合料，之后經(jīng)攤鋪、壓實，形成具有一定承載能力的路面結(jié)構(gòu)層的再生方法。目前，基于水泥穩(wěn)定的全深式就地冷再生方式作為低成本、低能耗、高效率和高質(zhì)量的節(jié)能降耗養(yǎng)護技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外得到普遍應(yīng)用。以瀝青面層銑刨料以及水穩(wěn)基層銑刨料為主要原材料進行再生利用的混合料作為路面基層或底基層，其強度形成主要取決于水泥作為穩(wěn)定劑水化后的強度。道路施工通常處于夏季，氣溫高，水份蒸發(fā)快，水份損失越多，水泥水化后強度損失越大。因此，外界環(huán)境因素對實際施工中拌和混合料的含水量產(chǎn)生較大且不可避免的影響，如何保證混合料的保水性能，使其在最佳含水量的情況下，水泥能夠充分水化達到目標強度，成為亟待解決的問題。

為了使干混砂漿能夠達到適宜施工的稠度和易性[1]，作為保水和增稠劑的羥丙基甲基纖維素醚（hydroxypropyl methyl cellulose ether，HPMC）已被普遍運用。隨著砂漿商品化的發(fā)展，以及纖維素生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步，HPMC本身所具有的保水、保塑性使其在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2-3]。蘇雷[4]通過研究摻入HPMC改性砂漿發(fā)現(xiàn)，隨著HPMC摻量的增加，砂漿的保水性能不斷提高，失水量逐漸減少；袁偉等[5]通過在泡沫混凝土中添加HPMC的試驗和應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，HPMC提高了新拌混凝土的保水性能，減小了硬化泡沫混凝土的失水速率，降低拌合物對溫度的敏感性，會使泡沫混凝土的抗壓強度明顯降低。

針對就地再生實際施工中再生混合料最佳含水量難以控制的問題，本文先通過在水泥膠砂試件中添加HPMC，研究HPMC對于水泥水化的影響機理，進而探討在再生混合料中摻入HPMC的可行性，重點研究不同摻量的HPMC對水泥穩(wěn)定全深式就地冷再生材料的性能影響。

1 HPMC的作用機理

HPMC是由纖維素堿活化處理后與醚化劑氯甲烷和環(huán)氧丙烷進行醚化反應(yīng)[6]，在醚化反應(yīng)中纖維素分子上的羥基（—OH）被甲氧基（—OCH3）和羥丙基取代生成，其分子結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖中，n表示聚合度，R代表—H,—CH3或—CH2CHOHCH3。

圖 1 HPMC的分子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Molecular structure of HPMC

纖維素分子上的羥基被取代的基團數(shù)可用醚化度（也叫取代度）表示，HPMC的醚化度在1.2～1.5之間[7]。因此，高分子聚合物HPMC的大分子線狀結(jié)構(gòu)中官能團上存在的羥基（—OH）能與拌和水分子形成氫鍵，使拌和水黏度增加；HPMC的長分子鏈間會相互吸引，使HPMC分子間相互纏結(jié)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把水泥、拌和水包裹起來；醚鍵（—O—）以及脫水葡萄糖環(huán)等重要基團對再生混合料性能產(chǎn)生一定的影響。

2 HPMC對水泥膠砂性能的影響

2.1 原材料

試驗采用42.5 R硅酸鹽水泥，其比表面積為398.1 m2/kg，80 μm篩余為0.2%（質(zhì)量分數(shù)）；HPMC黏度為200 000 MPa·s；標準砂。

2.2 試驗方法

根據(jù)《水泥膠砂強度試驗》（GB/T 17671-1999），測定40 mm×40 mm×160 mm水泥棱柱體試件的抗壓強度和抗折強度。

由水泥450 g、標準砂1 350 g和水225 g，按照其質(zhì)量比1∶3∶0.5拌制成一組塑性膠砂成型3個水泥試件。試件連模標準養(yǎng)護24 h，然后脫模在水中養(yǎng)護48 h；齡期結(jié)束，進行3 d抗折強度試驗，折斷后每截再進行抗壓強度試驗。

試驗選擇HPMC摻量為 0%，0.2%，0.4%，0.6%（水泥、標準砂及水的混合料的質(zhì)量分數(shù)）。為探究HPMC摻入方式對膠砂強度的影響，根據(jù)摻配方式不同擬定兩組試驗，每組3個平行試件。方式Ⅰ：在標準砂中先加入水，再加入水泥，最后添加HPMC（水+水泥+HPMC）；方式Ⅱ：在標準砂中加入水再添加HPMC，最后加入水泥（水+HPMC+水泥）。固定水泥、標準砂和水的質(zhì)量比為 1∶3∶0.5，試驗溫度為 24 ℃。

2.3 HPMC分散液狀態(tài)

摻量為 0%，0.2%（1.35 g），0.4%（2.7 g）及0.6%（4.05 g）的HPMC溶于水（75 g）后形成的分散液如圖2和圖3所示。

HPMC為水溶性高分子化合物又稱水溶性樹脂或水溶性聚合物，通過增加拌和水的黏度來增加拌合物稠度，在水中能溶解而形成溶液或分散液。

2.4 HPMC引氣作用

摻量為 0.4%（2.7 g）及 0.6%（4.05 g）的 HPMC溶于水（75 g）后形成的分散液中含有氣泡，如圖4和圖5所示。

HPMC的引氣作用是指由于纖維素醚中含有烷基基團，能使水溶液的表面能降低，使分散液中的含氣量增加，并且氣泡膜的韌性和純水氣泡的韌性相比較高，不易排出[8]。

2.5 水泥砂漿試件抗折強度及抗壓強度

不同HPMC摻量、相同成型條件下，HPMC摻量與水泥砂漿試件的抗折強度和抗壓強度的關(guān)系，如圖6和圖7所示。

圖 2 HPMC摻量為0%和0.2%分散液Fig. 2 HPMC content of 0% and 0.2% dispersion

圖 3 HPMC摻量為0.4%和0.6%分散液Fig. 3 HPMC content of 0.4% and 0.6% dispersion

圖 4 HPMC摻量為0.4%分散液中氣體Fig. 4 Gases in 0.4% HPMC dispersion

圖 5 HPMC摻量為0.6%分散液中氣體Fig. 5 Gases in 0.6% HPMC dispersion

圖 6 HPMC摻量對水泥試件抗折強度的影響Fig. 6 Effect of HPMC content on flexural strength of cement specimens

圖 7 HPMC摻量對水泥試件抗壓強度的影響Fig. 7 Effect of HPMC content on compressive strength of cement specimens

水泥膠砂試件抗折強度和抗壓強度降低的主要原因是由于纖維素醚的引氣作用[9]。HPMC中含有烷基基團，能使水溶液的表面能降低，造成水泥膠漿中含有較多氣體且難以排出；浸水養(yǎng)護過程中，纖維素醚吸水膨脹進一步增大砂漿內(nèi)部孔洞，致使水泥膠砂試件密度下降，這是降低水泥試件強度的影響因素之一。纖維素醚的引氣作用雖然能夠改善砂漿的和易性，但由于含氣量增大，引起硬化體結(jié)構(gòu)疏松，導致強度等力學性能下降的負面作用。因此在使用HPMC作為外摻劑應(yīng)用于水泥基材料中應(yīng)合理考慮其摻量[10]。

另一方面，纖維素醚的結(jié)構(gòu)特征導致其對于水泥水化具有緩凝的作用。纖維素醚保留著纖維素的基本骨架，在纖維素醚的分子結(jié)構(gòu)中依然存在脫水葡萄糖環(huán)結(jié)構(gòu)，脫水葡萄糖環(huán)作為引起水泥緩凝的主要基團，它能夠與水泥水化水溶液中的鈣離子生成糖鈣分子化合物（或叫絡(luò)合物）[4,11]，降低水泥水化誘導期的鈣離子濃度，阻止Ca（OH）2和鈣鹽晶體的生成、析出，從而延緩水泥水化的進程。試驗結(jié)果顯示，方式Ⅱ水泥試件的抗折強度和抗壓強度大于方式Ⅰ。摻配方式Ⅰ中水泥水化后再加入外摻劑HPMC，而在方式Ⅱ中水泥是在HPMC溶于水后的分散液中進行水化。這說明HPMC的緩凝作用雖然會延緩水泥水化的進程，但并不會影響水泥水化后的強度。HPMC溶于水形成類似薄膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效包裹著水，從而防止水泥膠漿中水分的揮發(fā)，在攪拌機充分攪拌的情況下，規(guī)定養(yǎng)護時間內(nèi)，水泥能夠充分水化形成強度。

3 HPMC對水穩(wěn)再生混合料性能的影響

試驗所用材料取自浙江省桐鄉(xiāng)市某公路。材料A：瀝青面層（3 cm厚）以及二灰碎石基層銑刨料；材料B：瀝青面層（6 cm厚）以及二灰碎石基層銑刨料。

3.1 再生混合料合成級配曲線

根據(jù)原路面銑刨材料的規(guī)格選用《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41-2008）表5.6.2中1號級配上下線范圍。再生混合料組成：70%銑刨料+30%石屑（0～5 mm）。

材料A,B對應(yīng)再生混合料合成級配如圖8所示。

圖 8 材料A、材料B再生混合料級配曲線Fig.8 Gradation curve of material A and B recycled mixtures

3.2 再生混合料粗集料密度

再生材料A,B粗集料密度如表1所示。

表 1 材料A和材料B粗集料的密度Tab.1 Density of coarse aggregate of material A and B

3.3 再生混合料最佳含水量和最大干密度

根據(jù)規(guī)范T 0804-1994，通過擊實試驗確定：材料A再生基層混合料的最佳含水量為7%，最大干密度為2.221 g/cm3；材料B再生基層混合料的最佳含水量為7%，最大干密度為2.208 g/cm3。

3.4 再生混合料保水性

保水性是指再生混合料能保持水分的能力，也是衡量再生混合料在運輸以及停放時內(nèi)部組分穩(wěn)定性的性能指標。保水性可用失水率指標評價，即失水率越大，保水性能越差；失水率越小，保水性能越好。通過失水率實驗測定摻入HPMC的再生混合料分別在常溫（室內(nèi)溫度24 ℃，空氣濕度75%）及60 ℃高溫環(huán)境下的保水性能。

3.4.1 再生混合料常溫下保水性能

常溫下失水率試驗是通過濾紙與規(guī)定面積的圓柱形水泥穩(wěn)定再生試件上表面接觸一定時間后，測量濾紙前后質(zhì)量變化，從而計算出失水率。

由于濾紙具有很好的吸水性，即使再生混合料的保水性很高，濾紙仍能吸附再生混合料中的水分。試驗使用圓柱形φ150 mm×150 mm標準水泥穩(wěn)定再生試件，上表面覆蓋一層紗布，再放置8張濾紙以及不透水蓋板，采用2 kg重物靜壓15 min，測定濾紙前后的質(zhì)量變化，計算失水率，以此反映常溫下再生混合料的保水性。

濾紙：選用超白濾紙，直徑110 mm，性能指標符合GB/T 1914—200《化學分析濾紙》中規(guī)定的速定性濾紙要求。紗布：市售醫(yī)用紗布，尺寸為110 mm×110 mm。

常溫下材料A，B對應(yīng)再生混合料失水率與HPMC摻量關(guān)系如圖9所示。

圖 9 常溫下HPMC摻量與再生混合料失水率的關(guān)系Fig.9 Relationship between HPMC content and water loss rates of regenerated mixtures at room temperature

纖維素醚結(jié)構(gòu)中含有的羥基和醚鍵，這些基團上的氧原子與水分子締合成氫鍵，使游離水分子變成結(jié)合水，從而很好地起到保水作用[3]。從圖9中可以看出，在試驗摻量范圍內(nèi)，再生混合料的失水率與HPMC摻量呈現(xiàn)良好的對應(yīng)關(guān)系，HPMC摻量越高，再生混合料失水率越小，其保水性越好。再生混合料隨著HPMC的摻入表現(xiàn)出較為黏稠的狀態(tài)。當HPMC摻量達到0.4%時，再生混合料基本無泌水現(xiàn)象；當摻量達到0.6%以后，失水率變化不再明顯。

3.4.2 再生混合料高溫下保水性能

高溫下失水率試驗是模擬夏季道路施工的環(huán)境條件，稱量一定質(zhì)量的再生混合料，將其放入恒定溫度60 ℃的烘箱，5 h后測定其質(zhì)量前后變化，然后計算出失水率。

60 ℃高溫下材料A，B對應(yīng)再生混合料失水率與HPMC摻量關(guān)系如圖10所示。

圖 10 高溫下HPMC摻量與再生混合料失水率的關(guān)系Fig.10 Relationship between HPMC content and water lossrates of regenerated mixtures at high temperature

從圖10可以看到，未摻HPMC，材料A再生混合料失水率達到4.8%，材料B再生混合料失水率達到3.7%，相較于7%的最佳含水量而言，在高溫環(huán)境下施工，溫度對再生混合料的含水量影響較為嚴重。當HPMC摻量達到0.4%時，材料A失水率為3.2%，材料B為2.8%；摻入HPMC后，材料A，B再生混合料失水率都有明顯下降，說明外摻劑在高溫情況下仍具有一定的保水性能。HPMC摻量為0.6%時，材料A，B再生混合料失水率有所增長是因為摻入過量HPMC，再生混合料黏聚性能增加，表現(xiàn)為細集料包裹在粗骨料表面。外摻劑的引氣作用使得再生混合料內(nèi)部氣孔增多，從而導致水分蒸發(fā)流失較快。

再生混合料本身對水分非常敏感，極易出現(xiàn)拌合后短時間內(nèi)因為水分散失而出現(xiàn)和易性嚴重下降的問題，即施工可操作時間極短；另外，對于再生混合料來講，原材料往往較為干燥，在施工過程中，由于混合料對水分的保持能力不足，大量水分會被原材料吸走，導致黏結(jié)骨料局部缺水，水化因此不充分，出現(xiàn)強度降低、黏結(jié)力下降的現(xiàn)象。HPMC具有出色的吸水保水能力，能夠很好地解決再生混合料的泌水、施工可操作時間短、黏結(jié)力不足、混合料松散易離析等問題。因此，HPMC作為外摻劑添加到水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料中具有一定必要性。

3.5 無側(cè)限抗壓強度

材料A，B再生混合料最佳含水量7%，水泥劑量5%；HPMC摻量 0%，0.2%，0.4%及0.6%（質(zhì)量分數(shù)）；根據(jù)規(guī)范T 0843-2009成型4組，每組13個φ150 mm×150 mm圓柱形標準試件；進行齡期 7 d的標準養(yǎng)護（溫度為20 ±2 ℃，濕度≥95%），最后一天浸泡于20 ±2 ℃水中，水面高出試件頂部約2.5 cm。

HPMC摻量為0.4%時，水泥穩(wěn)定再生混合料強度一定程度增長是由于適量纖維素醚的摻入，HPMC所具有的成膜和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以及大分子長鏈上羥基的吸附作用，使再生混合料中水泥與拌和水形成絮凝狀，水泥能夠充分水化，并且增加拌和水的黏度。再生混合料具有一定的黏聚性，保證了成型后的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使強度有所增長。此時，HPMC的引氣作用對于再生混合料試件無側(cè)限抗壓強度減小的程度較小。

HPMC摻量達到0.6%，水泥穩(wěn)定再生混合料強度降低是因為摻入過量親水性的高分子材料HPMC，其遇水溶解后所形成的膠體吸附水泥顆粒，與細集料包裹在粗骨料表面，形成一定的阻隔作用。此時，再生混合料較為松散，粒徑大小不同的集料出現(xiàn)離析，導致再生混合料成型后無側(cè)限抗壓強度降低。

試驗結(jié)果顯示，合理的HPMC摻配比例對水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料的強度更為有利。HPMC作為外摻劑應(yīng)用于水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料具有可行性，建議HPMC適宜摻量為0.3%～0.5%，最佳摻量為0.4%。

浸水1 d后，材料A，B再生試件吸水率與HPMC摻量關(guān)系如圖11所示。從圖11中可以看到，摻入HPMC后，材料A，B再生試件吸水率明顯上升且吸水率較大，表明再生試件內(nèi)部孔洞較多。外摻劑HPMC的引氣作用導致成型后的再生混合料試件孔隙率增加。

圖 11 HPMC摻量與再生混合料吸水率的關(guān)系Fig. 11 Relationship between HPMC content and water absorption rates of regenerated mixtures

材料A，B再生混合料無側(cè)限抗壓強度與HPMC摻量關(guān)系如圖12所示。

圖 12 HPMC摻量與再生混合料無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系Fig.12 Relationship between HPMC content and the unconfined compressive strength of regenerated mixtures

HPMC摻量在0.2%以下，水泥穩(wěn)定再生混合料無側(cè)限抗壓強度降低主要影響因素是由于HPMC的摻入增加再生混合料的含氣量，造成再生混合料成型后試件的孔隙率較大，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，導致試件強度降低。

4 結(jié) 論

通過對摻入HPMC的水泥膠砂試件和水泥穩(wěn)定全深式就地冷再生基層混合料的研究，得出以下主要結(jié)論：

a. HPMC由于引氣作用會降低水泥膠砂試件的抗折強度及抗壓強度。

b. HPMC溶于水形成類似薄膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效包裹著水，防止水分的揮發(fā)。在標準砂中加水后摻入HPMC再添加水泥與水泥先水化再摻入HPMC的摻配方式相較而言，水泥在HPMC溶于水后的分散液中更能夠充分水化，水泥膠砂試件抗折及抗壓強度大于水泥先水化再摻入HPMC后的水泥膠砂試件。

c. 隨著HPMC摻配比例增加，常溫下水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料的稠度增大，黏度增大，失水率減小，保水性能增強；當摻量在0.4%以上時，再生混合料基本不再有泌水現(xiàn)象產(chǎn)生；60 ℃高溫情況下，摻入HPMC的再生混合料仍具有一定保水性能。

d. HPMC由于引氣作用會增加再生混合料中氣泡含量，對于水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料的無側(cè)限抗壓強度有一定的削弱作用。適量摻入HPMC，可增強再生混合料的保水性能，保證水泥充分水化。本試驗條件下，建議使用HPMC摻量為0.3%～0.5%，最佳摻量為0.4%（再生混合料的質(zhì)量分數(shù)），這對水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料的強度更為有利。