聚酯纖維增強(qiáng)水泥穩(wěn)定再生骨料性能試驗(yàn)研究

郭立成，曾國(guó)東，，周敏，黃紅明，萬(wàn)暑，韓慶奎，吳超凡*

(1.佛山市路橋建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528313； 2.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站有限公司；3.湖南云中再生科技股份有限公司)

近些年，中國(guó)交通行業(yè)快速發(fā)展，截至2019年，中國(guó)公路通車(chē)總里程為501.25萬(wàn)km，其中高速公路達(dá)到14.96萬(wàn)km。但由于礦石資源過(guò)渡開(kāi)采，并且環(huán)境污染嚴(yán)重，許多礦山因未達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)而被關(guān)閉,造成近期中國(guó)砂石骨料價(jià)格猛漲，并且原材料供不應(yīng)求。若不改變現(xiàn)狀，中國(guó)交通設(shè)施建設(shè)難以持續(xù)發(fā)展。另一方面，中國(guó)建筑固廢物產(chǎn)生量逐年上升，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年中國(guó)建筑固廢產(chǎn)生量已達(dá)到24.9億t。如此體量的建筑固廢既需要大量土地進(jìn)行堆積，又會(huì)引起嚴(yán)重環(huán)境污染問(wèn)題。研究將建筑固廢再利用于道路工程建設(shè)是解決上述問(wèn)題的最有效途徑。

水泥穩(wěn)定碎石具有強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性和抗凍性好等優(yōu)點(diǎn)，是各等級(jí)公路路面基層首選材料。將建筑固廢破碎成再生骨料用于制備水泥穩(wěn)定材料被認(rèn)為是最快消納建筑固廢的途徑。目前，國(guó)內(nèi)外有部分相關(guān)研究，胡力群等對(duì)水泥穩(wěn)定廢黏土磚再生集料基層材料性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨黏土磚再生集料摻量的增加，試驗(yàn)試件的力學(xué)性能、干縮應(yīng)變和抗凍指數(shù)逐漸降低;徐馳等研究了含再生骨料的半剛性基層材料的抗裂性能，得出在滿足強(qiáng)度要求下，應(yīng)盡量減少細(xì)集料和水泥摻量，以達(dá)到水泥穩(wěn)定再生骨料抗裂性能的要求；Sobhan等以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92%的再生集料、4%的水泥、4%粉煤灰制備了路面基層材料，其具有較好的疲勞性能。

從上述研究中可得出：水泥穩(wěn)定再生骨料具有強(qiáng)度低、干縮大、抗裂性能低等缺點(diǎn)，嚴(yán)重妨礙了水泥穩(wěn)定再生骨料在道路基層中的推廣應(yīng)用。因此，研究一種改善水泥穩(wěn)定再生骨料性能方法至關(guān)重要。而根據(jù)以往研究，摻加纖維是提升水泥穩(wěn)定碎石性能的有效途徑?；谝陨显颍芯坷w維摻量對(duì)水泥穩(wěn)定再生骨料性能影響具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：采用PC32.5級(jí)水泥，密度為3.12 g/cm3，技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

聚酯纖維：由常州某工程材料有限公司提供，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

再生骨料：骨料由拆違建筑垃圾破碎而成，包括0～4.75、4.75～9.5、9.5～19和19～26.5 mm4檔。按照J(rèn)TG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)試驗(yàn)方法，測(cè)得集料性質(zhì)指標(biāo)如表3所示。

1.2 配比設(shè)計(jì)

(1) 再生骨料級(jí)配合成

混合料級(jí)配參考JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石或礫石的推薦級(jí)配C-C-1，通過(guò)對(duì)再生骨料水洗篩分，進(jìn)而合成混合料級(jí)配情況如表4所示。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 聚酯纖維主要技術(shù)指標(biāo)

表3 再生骨料技術(shù)指標(biāo)

表4 級(jí)配合成

(2) 擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)中混合料水泥摻量為4.5%，聚酯纖維摻量為混合料質(zhì)量的0‰、0.3‰、0.5‰、0.7‰、1.0‰，通過(guò)重型擊實(shí)方法獲得最大干密度和最佳含水率，為驗(yàn)證一定聚酯纖維摻量對(duì)混合料最大干密度和最佳含水率的影響，試驗(yàn)對(duì)不同聚酯纖維摻量的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，其結(jié)果如表5所示。

從表5可得：隨著聚酯纖維摻量增加，水泥穩(wěn)定再生骨料最大干密度和最佳含水率變化均較小，其變化值在JTG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》所規(guī)定兩次重復(fù)試驗(yàn)容許誤差之內(nèi)，因此可認(rèn)定，當(dāng)聚酯纖維摻量在1.0‰以內(nèi)時(shí)，聚酯纖維摻量對(duì)水泥穩(wěn)定材料最大干密度和最佳含水率無(wú)影響。在以往的研究中也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的結(jié)論。后續(xù)研究中混合料最大干密度與最佳含水率統(tǒng)一為1.912 g/cm3與13.1%。

表5 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 性能測(cè)試方法

試驗(yàn)主要研究聚酯纖維摻量對(duì)水泥穩(wěn)定再生骨料力學(xué)、模量、耐久性能的影響，試件成型、養(yǎng)護(hù)和測(cè)試方法參考JTG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》。力學(xué)性能主要測(cè)試7、28和90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度，模量測(cè)試28 d抗壓彈性模量，耐久性測(cè)試為試件28 d抗沖刷性能和90 d干縮系數(shù)，另采用28 d試件制片進(jìn)行掃描電鏡分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖1為水泥穩(wěn)定再生骨料試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線

從圖1可得：所有試件前7 d強(qiáng)度發(fā)展較快，7 d以后強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。聚酯纖維摻量為0.5‰的試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，7 d強(qiáng)度接近5 MPa，而聚酯纖維摻量為1.0‰的試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低。當(dāng)聚酯纖維摻量在0.5‰以內(nèi)時(shí)，水泥穩(wěn)定再生骨料試件強(qiáng)度隨聚酯纖維摻量增加而增大，當(dāng)纖維摻量超過(guò)0.5‰時(shí)，強(qiáng)度隨纖維摻量增加而有一定幅度下降。已有研究結(jié)果表明：隨纖維摻量增加，水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度先增加后減少。一定的聚酯纖維摻量，能提高水泥穩(wěn)定再生骨料試件整體性，在試件受壓過(guò)程中，阻止微裂縫的發(fā)展，從而提高試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但隨著纖維摻量繼續(xù)增加，骨料與水泥水化產(chǎn)物凝膠接觸面減少，更多的凝膠黏附在纖維上，所以基體整體強(qiáng)度下降。由此可知，對(duì)于水泥穩(wěn)定再生骨料，由于再生骨料吸水率大，且含泥量大，通過(guò)直接增加水泥含量提高強(qiáng)度會(huì)使試件收縮變大，從而導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)易開(kāi)裂，因此通過(guò)摻配一定量的纖維改善其強(qiáng)度是較好的選擇。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖2為水泥穩(wěn)定再生骨料試件劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律。

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線

從圖2可知：無(wú)聚酯纖維的水泥穩(wěn)定再生骨料試件劈裂抗拉強(qiáng)度最低，摻有聚酯纖維的試件劈裂抗拉強(qiáng)度都有提高，且聚酯纖維摻量為1.0‰的試件劈裂抗拉強(qiáng)度最大。隨纖維量增加，試件劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不同，試件劈裂強(qiáng)度隨纖維量增加而變大。已有研究表明：水泥穩(wěn)定天然碎石材料劈裂抗拉強(qiáng)度主要影響因素是骨料與水泥的黏結(jié)性能。但由于再生骨料強(qiáng)度比天然碎石低，所以水泥穩(wěn)定再生骨料試件劈裂破裂面上，有較多再生骨料裂成兩部分，所以骨料與水泥黏結(jié)性并不是影響試件劈裂強(qiáng)度的主要因素。摻加聚酯纖維能在水泥穩(wěn)定再生骨料體系形成無(wú)序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，延緩試件劈裂試驗(yàn)中裂縫的發(fā)展，因而在此次試驗(yàn)聚酯纖維摻量條件下，聚酯纖維摻量越高，試件劈裂抗拉強(qiáng)度越大。

2.3 抗壓彈性模量

圖3為水泥穩(wěn)定再生骨料抗壓彈性模量隨聚酯纖維摻量的變化情況，圖3中無(wú)聚酯纖維試件抗壓彈性模量相對(duì)最小，而聚酯纖維摻量為0.5‰的試件抗壓彈性模量最大，試件抗壓彈性模量隨聚酯纖維摻量增加而先變大后變小，這與圖1中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨聚酯纖維摻量增加變化規(guī)律相似。

2.4 沖刷試驗(yàn)

圖4為水泥穩(wěn)定再生骨料試件養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行沖刷試驗(yàn)所得的質(zhì)量損失率與沖刷時(shí)間關(guān)系曲線。

圖3 抗壓彈性模量與纖維摻量關(guān)系曲線

圖4 水泥穩(wěn)定再生骨料試件沖刷質(zhì)量損失率與沖刷時(shí)間關(guān)系曲線

從圖4可得：未摻聚酯纖維的P0試件經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的沖刷后質(zhì)量損失率最大，聚酯纖維摻量為0.5‰的P5試件和摻量為0.7‰的P7試件在同等沖刷條件下質(zhì)量損失率相對(duì)較小。以上結(jié)果說(shuō)明聚酯纖維能有效提高水泥穩(wěn)定再生骨料抗沖刷性能，但以0.5‰左右摻量效果最佳。類(lèi)似研究表明：纖維能提高水泥穩(wěn)定碎石基層材料的抗沖刷性能，主要原因是在試件進(jìn)行沖刷的過(guò)程中，試件外部產(chǎn)生許多微裂縫，纖維的摻入能增加水泥穩(wěn)定基層材料抗裂能力，阻止微裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，減少試件由沖刷造成的質(zhì)量損失。

2.5 干縮試驗(yàn)

圖5為水泥穩(wěn)定再生骨料干縮系數(shù)與聚酯纖維摻量的關(guān)系曲線。

圖5 干縮系數(shù)與聚酯纖維摻量關(guān)系曲線

從圖5可知：聚酯纖維摻入能有效降低試件干縮系數(shù)。隨聚酯纖維摻量增加，試件干縮系數(shù)不斷下降。纖維摻量為1.0‰的試件干縮系數(shù)比無(wú)纖維試件干縮系數(shù)降低35%左右。由于聚酯纖維在水泥穩(wěn)定再生骨料基體中呈無(wú)序網(wǎng)狀分布，所以能有效約束試件由失水造成的收縮形變。由上述分析可得，再生骨料吸水率大、含泥量高，因而水泥穩(wěn)定再生骨料試件干縮較大，如直接用于道路基層會(huì)出現(xiàn)較多收縮裂縫。通過(guò)摻加聚酯纖維能有效抑制水泥穩(wěn)定再生骨料干縮，減少材料用于道路結(jié)構(gòu)層時(shí)收縮裂縫的產(chǎn)生。

2.6 掃描電鏡

圖6為不同聚酯纖維摻量條件下水泥穩(wěn)定再生集料掃描電鏡照片。

從圖6(a)可知：再生集料與水泥水化產(chǎn)物的界面處存在多條裂縫。從圖6(b)、(c)可得：隨著聚酯纖維的摻入，再生集料、聚酯纖維和水泥水化產(chǎn)物結(jié)合較為緊密，較少發(fā)現(xiàn)裂縫。而從圖6(d)可得，隨著聚酯纖維摻量的增加，再生集料、聚酯纖維和水泥水化產(chǎn)物結(jié)合之處逐漸出現(xiàn)較多裂縫。

上述現(xiàn)象較好地解釋了水泥穩(wěn)定再生集料隨聚酯纖維摻量增加強(qiáng)度先變大后變小，當(dāng)無(wú)聚酯纖維摻入時(shí)，水泥水化后所形成的膠結(jié)產(chǎn)物與再生集料的界面處存在較多裂縫，在試件承受外界荷載時(shí)，界面處的裂縫逐漸變大，最終使試件整體破壞的規(guī)律。隨著聚酯纖維的摻入，使結(jié)合處的裂縫減少，且聚酯纖維無(wú)序的網(wǎng)狀分布，能在試件受力時(shí)抑制結(jié)合處的微裂縫進(jìn)一步發(fā)展。但當(dāng)聚酯纖維摻量進(jìn)一步增大時(shí)，水泥水化所形成的膠結(jié)產(chǎn)物過(guò)多與聚酯纖維黏結(jié)，所以再生集料、聚酯纖維和水泥水化產(chǎn)物結(jié)合之處出現(xiàn)較多微裂縫，試件的整體強(qiáng)度下降。

2.7 經(jīng)濟(jì)性分析

聚酯纖維市場(chǎng)售價(jià)約為20元/kg，由于水泥穩(wěn)定再生集料中所需的聚酯纖維摻量較少，僅為0.3‰～0.5‰，所以每噸水泥穩(wěn)定再生集料成本增加不多，相比普通水泥穩(wěn)定天然集料，聚酯纖維水泥穩(wěn)定再生集料整體成本較低。而且聚酯纖維的摻入可以顯著提高道路的使用性能，節(jié)約大量路面使用過(guò)程中的維修費(fèi)用，延長(zhǎng)了道路的使用壽命，因此聚酯纖維水泥穩(wěn)定再生集料應(yīng)用于路面基層具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

該文主要研究聚酯纖維對(duì)水泥穩(wěn)定再生骨料性能

圖6 不同聚酯纖維摻量的水泥穩(wěn)定再生集料掃描電鏡照片

的改善作用，在不同的聚酯纖維摻量條件下，測(cè)試水泥穩(wěn)定再生骨料力學(xué)性能、抗沖刷性能與干縮性。得出如下結(jié)論：

(1) 再生骨料具有吸水率大、壓碎值大等特點(diǎn)，直接將再生骨料用于制作水泥穩(wěn)定材料具有強(qiáng)度低、干縮大等缺點(diǎn)。

(2) 聚酯纖維的摻入能有效提高水泥穩(wěn)定再生骨料力學(xué)性能，在一定聚酯纖維摻量范圍內(nèi)，隨聚酯纖維摻量增加，水泥穩(wěn)定再生骨料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加后減少，劈裂強(qiáng)度不斷提高，抗壓彈性模量變化規(guī)律與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律類(lèi)似，掃描電鏡結(jié)果能較好地解釋上述規(guī)律。

(3) 摻入聚酯纖維能顯著提高水泥穩(wěn)定再生骨料的抗沖刷性能，并降低其干縮變形，當(dāng)聚酯纖維摻量為0.7‰時(shí)效果最佳，主要原因是聚酯纖維無(wú)序分布在水泥穩(wěn)定再生骨料基體內(nèi)，能有效抑制其在受力過(guò)程中微裂縫的發(fā)展。