廢舊油脂生物油改性水泥穩(wěn)定碎石性能研究

楊侶珍， 楊 毅

(1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410132；2.湖南省懷芷高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南 懷化 418000；3.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

1 概述

半剛性基層瀝青路面是中國高等級公路的主要路面結(jié)構(gòu)，最常見的半剛性基層是水泥穩(wěn)定碎石基層，其具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但在交通荷載、溫度和濕度等諸多因素的持續(xù)作用下，水泥穩(wěn)定碎石基層很容易產(chǎn)生裂縫，從而導(dǎo)致整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的使用壽命下降[4]。因此預(yù)防和減少裂縫的產(chǎn)生可以有效提高水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命，增加其耐久性。

已有研究表明，解決水泥穩(wěn)定碎石開裂問題主要有以下幾種方法：優(yōu)化級配設(shè)計(jì)、采用聚合物纖維改性水泥穩(wěn)定碎石、采用乳化瀝青、橡膠瀝青等改性劑改性水泥穩(wěn)定碎石、采用膨脹劑抵消水泥穩(wěn)定碎石的收縮變形等[5-10]。以上方法可以有效增加水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性，與此同時(shí)也存在一定的問題，如施工困難、投資費(fèi)用高等。部分學(xué)者將生物油作為改性劑應(yīng)用于基質(zhì)瀝青中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物油可以有效改善瀝青的高溫性能和抗老化性[11-13]。另外，也有學(xué)者將生物油作為再生劑用于瀝青再生，試驗(yàn)結(jié)果表明再生瀝青的黏度和針入度都有所提高[14-15]。但將生物油用于改性水泥穩(wěn)定碎石的研究鮮有報(bào)道，因此，若將生物油成功改性水泥穩(wěn)定碎石，增加其抗裂性，可以擴(kuò)大生物油在道路建設(shè)中的應(yīng)用范圍。

基于此，本文借鑒生物油應(yīng)用于瀝青混合料的成功經(jīng)驗(yàn)，采用3%、5%、7%摻量的生物油制備出改性水泥穩(wěn)定碎石試樣，對其進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，以有效評價(jià)其力學(xué)和路用性能。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原材料

a.水泥。

本研究中采用湖南隆回南方水泥有限公司生產(chǎn)的P. S. B 32.5R水泥，對其細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、安定性等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，得到其各項(xiàng)技術(shù)性質(zhì)如表1所示。

b.集料。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)Table 1 Cement technical index細(xì)度檢測(80μm篩篩析法)安定性凝結(jié)時(shí)間/min抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa初凝終凝3 d28 d3 d28 d2.22.424641223.641.84.27.5

本研究采用的粗集料和細(xì)集料來自湖南省湘潭某公司。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)要求進(jìn)行各性能指標(biāo)測試，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 集料性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of aggregate properties壓碎值/%針片狀/%表觀密度/(g·cm-3)吸水率/%液限指數(shù)/%塑性指數(shù)22.111.52.8150.4212.8

c.級配。

根據(jù)規(guī)范JTJ / T F20-2015要求，水泥穩(wěn)定碎石礦料級配見表3。

表3 礦料級配表Table 3 Gradation of the cement stabilized crushed stone孔徑/mm通過率/%孔徑/mm通過率/%26.51002.362619851.181616740.61013.2630.369.5580.1544.75380.0753

d.廢生物油。

為了研究廢舊油脂生物油對水泥穩(wěn)定碎石的影響，先對生物油的基本性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表4。

表4 廢舊油脂生物油的性能測試結(jié)果Table 4 Performance test results of waste bio-oil密度/%黏度/%含水率吸水率/%液限指數(shù)/%塑性指數(shù)22.111.52.8150.4212.8

2.2 試驗(yàn)方案

生物油摻量選擇3%、5%、7%，將生物油涂覆在粗集料表面，以改變水泥砂漿和粗集料的界面。將涂有生物油的粗集料與細(xì)集料、水泥和水混合攪拌，得到生物油改性水泥穩(wěn)定碎石。

為了研究改性水泥穩(wěn)定碎石性能，本文進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)和4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。所有試件的成型和養(yǎng)生均按照規(guī)范要求完成(JTG-E51-2009)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣采用圓柱形試件，直徑10 cm，高10 cm，在7、28、90 d時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。測試結(jié)果見表5。干縮試驗(yàn)中采用中梁，在第7d的時(shí)候開始測試。測試結(jié)果見表5。通過MTS進(jìn)行4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)檢測水泥穩(wěn)定碎石的疲勞性能，4個(gè)應(yīng)力水平分別為0.3、0.4、0.5、0.6，加載波形為半正弦波，加載頻率為10 Hz。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

a.廢舊油脂生物油摻量對強(qiáng)度的影響。

餐廚垃圾，俗稱泔腳，是指居民在食品加工和消費(fèi)過程中形成的廢料和剩余廢棄物。餐廚垃圾的組成、性質(zhì)和產(chǎn)量會隨區(qū)域和季節(jié)變化的不同而有所差異，但所有餐廚垃圾都具備如下特點(diǎn)：含水率高，含固率一般小于20%；易腐爛發(fā)臭，易滋生病菌，會造成疾病的傳播；產(chǎn)生的易腐爛、易生物降解的廢棄物是城市生活垃圾的主要組成部分。受傳統(tǒng)文化的影響，食品種類比較繁多、結(jié)構(gòu)成分也比較復(fù)雜，飲食結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多元化，食物垃圾呈現(xiàn)多樣性，具有多、硬、雜、粗等特點(diǎn)[2]。

強(qiáng)度包括無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，強(qiáng)度越高，水泥穩(wěn)定碎石性能越佳。廢舊油脂生物油摻量對水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響如圖1所示。

圖1 生物油摻量對水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響Figure 1 The effect of the content of bio-oil on the strength of cement stabilized crushed stone

從圖1可以看出，隨著齡期的增加水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度均增加。當(dāng)齡期為7 d時(shí)，未改性水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度為3.95 MPa， 生物油摻量3%、5%、7%的改性水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度分別為3.54、3.36、3.21 MPa。當(dāng)齡期為28 d時(shí)，未改性水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度為5.32 MPa，3%、5%、7%摻量生物油的改性水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度分別降低了7.52%、11.47%和12.97%。當(dāng)齡期為90 d時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律與之前一致。在同一齡期下，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度隨著生物油摻量增加而降低。這可能是由于粗集料表面被生物油覆蓋，阻礙了粗集料附近的水泥發(fā)生水化作用；另一方面，生物油削弱了水泥砂漿和集料之間的界面結(jié)合力。齡期7～28 d，未改性水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度增加34.68%，而3%、5%、7%摻量生物油改性水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度分別增加了38.98%、40.18%、44.24%。從圖1中也可以看出隨著齡期的增加，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度增長速率增大。也就說生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度在后期增加速率比早期快，且其抗壓強(qiáng)度接近于未改性水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度。這可能是由于生物油的逐漸分解，粗集料附近未發(fā)生水化作用的水泥會繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度增加。

從圖1中分析水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)劈裂強(qiáng)度曲線與抗壓強(qiáng)度曲線相似，生物油的摻入對水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度起到抑制作用。同一齡期下，隨著生物油的摻入水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度逐漸降低。生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度增長速率高于未改性水泥穩(wěn)定碎石。齡期分別為7、28、90 d時(shí)，未改性水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度分別為0.48、0.65、0.70 MPa。以齡期28 d為例，3%、5%、7%摻量生物油改性水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度分別為0.59、0.51、0.49 MPa，與未改性水泥穩(wěn)定碎石相比，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度分別降低了9.23%、21.54%、24.62%。從上可以看出，劈裂強(qiáng)度的降低程度隨著生物油摻量的增加逐漸增大，這可能是由于生物油降低了集料與水泥膠漿之間的粘結(jié)強(qiáng)度，降低效果對劈裂強(qiáng)度的影響更大。

b.廢舊油脂生物油摻量對干縮系數(shù)的影響。

干燥收縮時(shí)因?yàn)樗喾€(wěn)定碎石內(nèi)部含水量的變化而引起整體宏觀體積收縮的現(xiàn)象。本文中，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，測試時(shí)間間隔為2、2、4、4、12、24 h，之后均為24 h一次，直到含水量基本不變?yōu)橹?。試?yàn)結(jié)果如表6、圖2所示。

從圖2可以看出，水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)隨時(shí)間的增加而增加。在同一時(shí)間下，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)小于未改性水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)。干縮系數(shù)越小意味著干收縮越好，抗裂性越好。從上可以看出，與未改性水泥穩(wěn)定碎石相比，生物油摻量為3%、5%、7%改性水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)分別降低了8.24%、11.62%、16.47%。分析其原因可能是由于生物油覆蓋了集料表面，且與集料結(jié)合以抵抗干縮。另一方面，生物油可以有效減少水泥穩(wěn)定碎石的耗水量，也可以減少其干縮變形。簡而言之，生物油可以有效降低水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)，減少水泥穩(wěn)定碎石干縮裂縫的產(chǎn)生。

表6 生物油改性水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)Table 6 Drying shrinkage coefficient of bio-oil modified cement stabilized crushed stone%生物油摻量/%2 h4 h8 h12 h24 h48 h72 h96 h120 h144 h168 h192 h216 h02122628354142465462646668331124273340414552585960625211252632383943485456586072102325303639424650525456

圖2 生物油摻量對水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)的影響Figure 2 The effect of the content of bio-oil on the shrinkage coefficient of cement stabilized macadam

c.廢舊油脂生物油摻量對疲勞壽命的影響。

4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表7。

從表7中可以看出，在同一應(yīng)力水平條件下，水泥穩(wěn)定碎石疲勞壽命變化明顯，變異系數(shù)最高為14.82%。與未改性水泥穩(wěn)定碎石相比，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石疲勞壽命有所下降，但是水泥穩(wěn)定碎石疲勞壽命均隨著應(yīng)力水平的增大而減小。為了進(jìn)一步分析生物油對水泥穩(wěn)定碎石疲勞壽命的影響，將疲勞壽命與應(yīng)力水平放在單對數(shù)坐標(biāo)系中，可以發(fā)現(xiàn)疲勞壽命與應(yīng)力水平之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。通過式(1)進(jìn)行疲勞壽命方程擬合，擬合結(jié)果見表8和圖3。

表7 4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Four-point bending fatigue test results生物油摻量應(yīng)力水平疲勞壽命1234平均疲勞壽命變異系數(shù)Cv/%0.3685 125562 103610 685503 685590 399.513.010%0.486 53575 06896 35280 15684 527.7510.850.59 86210 3628 5327 3969 03814.820.68639431130903959.7512.300.3303 456336 541359 541321 459330 249.257.19 3%0.462 53270 35965 23667 51166 409.55.01 0.56 5236 1056 8956 3566 469.755.12 0.6623639573590606.254.97

續(xù)表7 4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果生物油摻量應(yīng)力水平疲勞壽命1234平均疲勞壽命變異系數(shù)Cv/%0.3252 665209 666227 891233 078230 8257.66 5%0.456 98753 24851 48960 25955 495.757.06 0.55 4985 2365 6825 1365 3884.61 0.6564548596523557.755.480.3195 235198 654204 464186 589196 235.53.81 7%0.454 36552 13558 79849 35653 663.57.43 0.54 9864 7364 5264 1254 593.257.93 0.6495456502468480.254.54

lgNf=a+bσ/S

(1)

式中：Nf為水泥穩(wěn)定碎石疲勞壽命；a,b為擬合參數(shù)；σ為應(yīng)力水平；S為水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度。

圖3 水泥穩(wěn)定碎石疲勞方程擬合曲線Figure 3 Fitting curve of fatigue equation of cement stabilized crushed stone

從表8可以看出，疲勞方程擬合相關(guān)系數(shù)較高。疲勞方程曲線斜率表示水泥穩(wěn)定碎石疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感性，斜率越大，疲勞壽命對應(yīng)力水平越敏感。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與未改性水泥穩(wěn)定碎石疲勞方程相比，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的疲勞方程的斜率更低，換句話說，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命比未改性水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命更穩(wěn)定。荷載作用下所產(chǎn)生的能量是由水泥穩(wěn)定碎石的彈性變形和塑性變形消耗，水泥穩(wěn)定碎石基層的能量通過彈性變形進(jìn)行積累，卸載后將恢復(fù)變形且釋放累積的能量，試樣底部未損壞。如果水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部損壞，消耗能量，則會產(chǎn)生塑性變形。在重復(fù)加載條件下，底部的損傷逐漸累積，整體強(qiáng)度和剩余疲勞壽命逐漸降低，直到發(fā)生疲勞破壞，這種破壞削弱了水泥穩(wěn)定碎石基層的承載力?；谝陨嫌懻摽梢园l(fā)現(xiàn)，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的變形能力增強(qiáng)，在相同交通荷載作用下，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石可以通過彈性變形消耗更多的能量，而未改性水泥穩(wěn)定碎石是通過內(nèi)部損壞消耗更多的能量。在相同的重復(fù)荷載作用下，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的破壞明顯小于未改性水泥穩(wěn)定碎石。因此，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的抗疲勞開裂性能優(yōu)于未改性水泥穩(wěn)定碎石。

表8 水泥穩(wěn)定碎石疲勞方程擬合結(jié)果Table 8 Fitting results of fatigue equation of cement stabi-lized crushed stone生物油摻量/%疲勞方程相關(guān)系數(shù)0lgNf=8.350 41-10.392 39σ/S0.982 93lgNf=7.890 26-10.066 36σ/S0.955 05lgNf=7.429 69-9.360 9σ/S0.972 77lgNf=7.394 93-9.868 31σ/S0.965 4

4 結(jié)論

本文通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，研究了不同摻量廢舊油脂生物油對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響。通過分析可以得出以下結(jié)論：

a.生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度隨著齡期的增加而增加。與未改性水泥穩(wěn)定碎石相比，生物油改性水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度更低，但隨著齡期的增長，改性水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度增長速率更快，其后期強(qiáng)度接近于未改性水泥穩(wěn)定碎石。

b.與未改性水泥穩(wěn)定碎石相比，3%、5%、7%摻量生物油的改性水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)分別減少了8.24%、11.62%、16.47%。隨著生物油摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)逐漸減少，有效減少了水泥穩(wěn)定碎石干縮裂縫的產(chǎn)生。

c.生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的抗疲勞開裂性能優(yōu)于未改性水泥穩(wěn)定碎石。

綜上所述：生物油改性水泥穩(wěn)定碎石的性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且有效的減少了裂縫的產(chǎn)生。將廢舊油脂生物油應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石中，一方面有利于對廢物回收利用，保護(hù)環(huán)境，符合綠色、環(huán)保可持續(xù)發(fā)展，另一方面有效提高了水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能。但要將廢舊油脂生物油改性水泥穩(wěn)定碎石用于生產(chǎn)實(shí)踐還需進(jìn)一步開展研究。