水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料干縮性能研究

孫志強

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

再生集料是由建筑垃圾經(jīng)過分類、破碎、篩分等一系列工藝處理后得到的粒徑為40 mm以下的集料。相比于天然集料，再生集料具有吸水率大、壓碎值大等特點，但其主要性能指標仍能滿足路面基層材料的要求，可以作為基層材料使用。紀小平等對水泥穩(wěn)定再生集料力學特性的研究結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定再生集料的力學強度可以滿足高等級公路基層的使用要求；顧善東等對水泥穩(wěn)定再生集料的收縮特性進行研究，發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定再生集料的抗干縮性能要比水泥穩(wěn)定天然集料差。而水泥穩(wěn)定碎石基層材料本身就存在抗裂性差、易出現(xiàn)收縮裂縫的問題，因此若要使水泥穩(wěn)定再生集料得到大規(guī)模應(yīng)用，需要采取措施改善其抗裂性。

針對水泥穩(wěn)定碎石基層材料抗裂性差的問題，賈克聰?shù)葘⑷榛癁r青摻入到水泥穩(wěn)定碎石中增加混合料的柔性，研究結(jié)果表明乳化瀝青的摻入可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能。綜上所述，目前國內(nèi)外對水泥穩(wěn)定再生集料的性能研究和將乳化瀝青摻加到水泥穩(wěn)定碎石中的相關(guān)研究較多，而對乳化瀝青摻加到水泥穩(wěn)定再生集料中的研究還很少。因此，該文采用水泥和乳化瀝青復合穩(wěn)定再生集料，研究乳化瀝青的摻入對水泥穩(wěn)定再生集料的干縮性能的影響規(guī)律，從而為水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料

試驗中采用的水泥為P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，選用的乳化瀝青為陽離子慢裂型乳化瀝青，其主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 乳化瀝青的主要技術(shù)性能

試驗所用的再生集料是由某公路水泥混凝土面層破碎后得到的，通過觀察再生集料的表面特征可以發(fā)現(xiàn)再生集料表面粗糙且大多裹附有舊水泥砂漿，集料內(nèi)部存在較多的微裂縫。經(jīng)過破碎分級制得集料粒徑規(guī)格為20～30、10～20、5～10和0～5 mm的再生集料，根據(jù)JTG E42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》中的相關(guān)方法，對再生集料的技術(shù)性能進行測試，結(jié)果如表2、3所示。

表2 再生粗集料技術(shù)性能

表3 再生細集料技術(shù)性能

根據(jù)JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細則》中推薦的水泥穩(wěn)定碎石級配范圍，結(jié)合再生集料的篩分結(jié)果，通過規(guī)劃求解計算各檔集料間的比例，得到混合料合成級配如表4所示。

表4 再生集料的合成級配

2 試驗方法

2.1 最佳含水率和最大干密度

根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中的相關(guān)試驗方法，采用重型擊實試驗確定水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的最佳含水率和最大干密度，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 最佳含水率和最大干密度

從表5可以看出:在相同水泥劑量下，水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的最佳含水率和最大干密度隨著乳化瀝青摻量的增加而減小。相比于未摻加乳化瀝青的水泥穩(wěn)定再生集料，乳化瀝青摻量為2.0%、2.5%、3.0%的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的最佳含水率分別降低了0.3%、0.6%、1.1%，而最大干密度分別減小了2.5%、3.7%、4.9%。這是由于乳化瀝青在混合料中起到了潤滑作用，減小了集料顆粒間的摩阻力，從而使得混合料的最佳含水率減??；同時由于瀝青的密度小，使得乳化瀝青摻量越大，混合料的最大干密度就越小。

而在相同乳化瀝青摻量下，隨著水泥劑量的增加，水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的最佳含水率和最大干密度逐漸增加。分析其中的原因，水泥的比表面積大，吸附的水分較多，造成混合料的含水率增大；而水泥漿填充集料間的空隙也使得混合料的密度增大。

2.2 試件成型與養(yǎng)生

按照重型擊實試驗得到的最佳含水率和最大干密度，計算成型規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm×400 mm中梁試件時所需用到的各檔再生集料、水泥、乳化瀝青及水的質(zhì)量。拌和時先將水泥與再生集料拌和均勻，再加入乳化瀝青拌和均勻，混合料拌制結(jié)束后，將其均勻地裝填到試模中，采用靜壓法成型試件。試件成型后，將脫模后的試件用塑料薄膜包裹起來，放入到標準養(yǎng)生室中養(yǎng)生7 d，并在最后一天時將其放入到恒溫水箱中飽水24 h。

2.3 干縮試驗

養(yǎng)生結(jié)束后，將試件表面擦干，然后將其放置在收縮儀上，并在試件兩端架設(shè)千分表，通過千分表讀數(shù)的變化來測定試件的干縮變形量。試驗從試件移入干縮室后開始計時，第一個星期內(nèi)每天讀一次數(shù)，并稱取質(zhì)量；7 d之后每兩天讀一次數(shù)，直至第30 d為止。試驗結(jié)束后，將試件放入烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱取其質(zhì)量。每種配合比的混合料成型6個試件，其中3個試件用于測定材料的收縮變形，另外3個用于測定材料的失水率。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 乳化瀝青用量對干縮性能的影響

為了分析乳化瀝青摻量對水泥穩(wěn)定再生集料和水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料干縮特性的影響，設(shè)計了4種不同配合比的混合料，其中水泥劑量(該文中涉及的用量均為質(zhì)量分數(shù))為4%，乳化瀝青用量分別為0、2.0%、2.5%、3.0%(分別標記為CERA0-4.0、CERA2.0-4.0、CERA2.5-4.0、CERA3.0-4.0)。按照相應(yīng)的試驗方法成型試件，并測定各乳化瀝青摻量的試件隨時間變化的失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)，結(jié)果如圖1～3所示。

由圖1可知:乳化瀝青的加入可以明顯地減小水泥穩(wěn)定再生集料的累計失水率，并且水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的累計失水率隨著乳化瀝青摻量的增加而逐漸減小。在相同水泥劑量下，相比于沒有摻加乳化瀝青的水泥穩(wěn)定再生集料，乳化瀝青摻量為2.0%、2.5%、3.0%的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的累計失水率分別減少了11%、18%和25%。這是因為乳化瀝青在破乳后瀝青裹附在再生集料表面，阻斷了再生集料中水分的蒸發(fā)；并且乳化瀝青的增加，使得混合料內(nèi)部的毛細空隙進一步減少，甚至一部分變成閉口空隙，從而使得混合料的失水率降低。同時，水泥穩(wěn)定再生集料和水泥乳化瀝青再生集料的累計失水率都隨著時間的增長而增大，且兩者的失水率與時間之間的變化趨勢大體一致，均在最初的7 d內(nèi)失水較快，約在第15 d后失水速率逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1 不同乳化瀝青摻量下累計失水率隨時間的變化

由圖2可知:水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的干縮應(yīng)變隨著乳化瀝青摻量的增加而減小，相比于沒有摻加乳化瀝青的水泥穩(wěn)定再生集料，乳化瀝青摻量為2.0%、2.5%、3.0%的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的干縮應(yīng)變分別減少了34%、52%和66%，說明乳化瀝青的加入可以明顯地減少水泥穩(wěn)定再生集料的干縮應(yīng)變。這是由于瀝青是一種柔性材料，乳化瀝青破乳后瀝青裹附在再生集料表面，在混合料失水后發(fā)生體積收縮時，這層瀝青起到應(yīng)力緩沖效果，減小了混合料的干縮應(yīng)變。同時，水泥穩(wěn)定再生集料和水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料在初期的干縮應(yīng)變增長較快，而在后期干縮應(yīng)變的增長速率逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為混合料在初期失水較快，而在后期時混合料的失水速率逐漸趨于平緩。

圖2 不同乳化瀝青摻量下干縮應(yīng)變隨時間的變化

由圖3可知：在水泥劑量為4%時，乳化瀝青摻量為0、2.0%、2.5%、3.0%的水泥穩(wěn)定再生集料和水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的總干縮系數(shù)分別為181.8×10-6、133.8×10-6、107.3×10-6、84.0×10-6，水泥穩(wěn)定再生集料的總干縮系數(shù)隨著乳化瀝青摻量的增加呈逐漸減小的趨勢；相比于未摻加乳化瀝青的水泥穩(wěn)定再生集料，乳化瀝青摻量為2.0%、2.5%、3.0%的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的總干縮系數(shù)分別減少了26%、41%和54%，可見乳化瀝青的加入可以明顯地減小水泥穩(wěn)定再生集料的干縮系數(shù)，提高水泥穩(wěn)定再生集料的抗干縮性能。此外，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當乳化瀝青摻量超過某一限度時，繼續(xù)增加乳化瀝青用量會對水泥穩(wěn)定再生集料的力學強度造成負面影響，因此確定最佳乳化瀝青摻量時，需綜合考慮水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的力學性能和干縮性能。

圖3 不同乳化瀝青摻量下試件的總干縮系數(shù)

3.2 水泥用量對干縮特性的影響

水泥作為水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料中的主要膠結(jié)料，其用量對材料的干縮特性有重要影響。因此為了分析水泥劑量對水泥穩(wěn)定再生集料和水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料干縮特性的影響，采用乳化瀝青摻量固定為2.5%，水泥劑量為3%、4%、5%(分別標記為CERA2.5-3.0、CERA2.5-4.0、CERA2.5-5.0)3種配合比材料，通過室內(nèi)干縮試驗，測定不同水泥劑量下水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的失水率、干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)，試驗結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 不同水泥劑量下累計失水率隨時間的變化

從圖4可以看出：水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的累計失水率隨著時間的增長而逐漸增大，且在初期失水快，而在后期失水速率逐漸趨于穩(wěn)定。同時，水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的累計失水率隨著水泥劑量的增加而增大，相比水泥劑量為3%的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料，水泥劑量為4%和5%的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的累計失水率分別增加了11%和20%。這是由于水泥劑量的增加和水化產(chǎn)物的增多，使得混合料層間吸附水量增大，而這些吸附水的蒸發(fā)將會導致水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的失水率也隨之增大。

從圖5可以看出：水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的干縮應(yīng)變隨著時間的增長而逐漸增大，且在前7 d干縮應(yīng)變增長速率較大，而在第15 d之后逐漸趨于穩(wěn)定。同時，水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的干縮應(yīng)變隨著水泥用量的增加而增大，相比水泥劑量為3%的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料，水泥劑量為4%和5%的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的干縮應(yīng)變分別增加了49%和88%，可見水泥劑量的增加可以顯著增大水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的干縮應(yīng)變，從而增加了基層出現(xiàn)干縮裂縫的可能性。這是因為水泥劑量的增加使得水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的強度和剛度也隨之增大，累計失水率也隨之增大，當混合料中的水分蒸發(fā)損失后，混合料發(fā)生體積收縮，混合料失水越多，體積收縮變化越大，產(chǎn)生的干縮應(yīng)變也越大。

圖5 不同水泥劑量下干縮應(yīng)變隨時間的變化

由圖6可知：在相同乳化瀝青摻量下，水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的總干縮系數(shù)隨著水泥劑量的增加而增大，相比于水泥劑量為3%時的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料，水泥劑量為4%和5%的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的總干縮系數(shù)分別增加了34%和56%，可見水泥劑量越大，水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的總干縮系數(shù)就越大。但基層材料的干縮系數(shù)越大，其出現(xiàn)干縮開裂的可能性就越大，因此選擇水泥劑量時，在保證材料強度的同時，還需合理降低水泥劑量，減小基層干縮開裂的可能性。

圖6 不同水泥劑量下試件的總干縮系數(shù)

4 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗對不同乳化瀝青摻量和水泥劑量下的水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的干縮特性進行研究，得出以下結(jié)論：

(1)水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的最佳含水率和最大干密度隨著乳化瀝青摻量的增加而逐漸減小，而隨著水泥劑量的增加而逐漸增大。

(2)水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料和水泥穩(wěn)定再生集料的累計失水率、干縮應(yīng)變隨時間變化的趨勢大體一致，均在前7 d內(nèi)增長速率較快，而在后期逐漸趨于穩(wěn)定。

(3)在水泥穩(wěn)定再生集料中加入乳化瀝青，可以有效降低其干燥收縮，試件的累計失水率、干縮應(yīng)變及總干縮系數(shù)均隨著乳化瀝青摻量的增加而減小。

(4)水泥劑量對水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的干縮特性有重要影響，隨著水泥劑量的增加，水泥乳化瀝青穩(wěn)定再生集料的累計失水率、干縮應(yīng)變和總干縮系數(shù)均隨之增大。