再生集料用于水泥穩(wěn)定碎石基層中的抗疲勞性能研究

盛三湘，李城

(1.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京市 100011；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

隨著中國(guó)城市化建設(shè)如火如荼進(jìn)行，大量的建筑固體廢棄物產(chǎn)生和堆積，侵占了有限的土地資源，同時(shí)威脅居民健康。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)建筑垃圾每年的產(chǎn)量高達(dá)18億t，約占城市垃圾總量的40%。在最近10年中，道路工程所需的天然骨料需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了中國(guó)的可供應(yīng)能力。到2030年底，中國(guó)將建成47 000 km的高速公路和100 000 km的國(guó)道。將建筑固體廢棄物經(jīng)過再利用可得到用于水穩(wěn)基層的再生集料，這一舉措將有效緩解環(huán)境污染與資源浪費(fèi)問題。

目前，再生集料在道路工程中的應(yīng)用主要包括在路面面層、路面基層及底基層和路基填筑等方面。在美國(guó)，再生集料應(yīng)用統(tǒng)計(jì)中，修筑路面基層占主要部分，比重高達(dá)68%。與天然集料相比，再生集料具有粒形較差、裂紋較多、空隙率較高、堆積密度小等特點(diǎn)。Etxeberria等以再生集料作為主要研究對(duì)象，分析了其對(duì)水穩(wěn)再生混合料劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。在同樣的水泥劑量下，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低12%～25%；楊可楨通過研究表明：隨著再生集料替代率的增加，水泥穩(wěn)定再生混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度和抗壓回彈模量降低。干縮性能也隨著再生骨料含量的增加而下降，而滲透性能隨著再生骨料含量的增加而增加。但在一定合適摻量的再生集料下，仍能滿足高速公路及一級(jí)公路的路面基層要求。

以往大部分研究往往將再生集料看作是一個(gè)整體，而再生集料主要由再生混凝土集料以及再生磚集料組成，兩者在密度、空隙率、強(qiáng)度性能等方面具有明顯差異。隨著磚混凝土分離技術(shù)逐漸發(fā)展、成熟。除螺旋法、渦流分離等方法外，在不久的將來空氣夾具、傳感器分揀、智能識(shí)別等可進(jìn)一步高效實(shí)現(xiàn)磚混凝土分離。這為再生集料的精細(xì)化研究以及再生集料在實(shí)際工程中的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

該文以再生集料為主要研究對(duì)象，開展再生集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、疲勞性能的研究。根據(jù)威布爾雙參數(shù)模型，建立不同再生集料摻量與磚混凝土比例下的疲勞方程。分析水泥劑量、再生集料摻量以及磚混凝土比例對(duì)水泥穩(wěn)定再生混合料力學(xué)性能的影響。

1 原材料性能

1.1 原材料和集料級(jí)配

水泥為南方PC.42.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，根據(jù)規(guī)范對(duì)道路用水泥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，通過JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》試驗(yàn)方法，對(duì)水泥性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果滿足規(guī)范要求。

試驗(yàn)用天然集料為石灰?guī)r。根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》試驗(yàn)方法。對(duì)建筑固體廢棄物再生粗集料的性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果見表1。

表1 粗集料性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

混合料級(jí)配采用JTG F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中骨架密實(shí)型級(jí)配(C-B-3)中值，具體見表2。

表2 集料合成級(jí)配范圍

1.2 最佳含水率與最大干密度

根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》T0842—2009試驗(yàn)方法進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，確定4%、5%水泥劑量，再生集料摻量為0%、25%、50%、75%，磚混凝土比例為1∶9、2∶8、3∶7，合計(jì)20種方案下混合料的最大干密度和最佳含水率，其結(jié)果見圖1。

2 試驗(yàn)方案

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)圖1擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果所得到的最佳含水率與最大干密度，采用試驗(yàn)規(guī)程中振動(dòng)成型的試驗(yàn)方法(T0843—2009)成型150 mm×150 mm圓柱形試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)生，然后按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中T0805—2009試驗(yàn)方法開展7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖1 不同水泥劑量下?lián)魧?shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 彎拉強(qiáng)度、疲勞壽命試驗(yàn)

參照擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)規(guī)范中T0844—2009的方法進(jìn)行梁式試件的成型，此次研究中彎拉試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn)均采用中梁試件(100 mm×100 mm×400 mm)。并按照J(rèn)TG E51—2009中T0845—2009進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，齡期90 d，最后1 d浸水。按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中T0851—2009試驗(yàn)方法開展分點(diǎn)加壓彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作是先將球形支座以及左右兩個(gè)圓柱體壓頭涂上機(jī)油，使得支座可以靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)。將梁式試件放置在壓塊上，并注意保持荷載加載的方向使成型時(shí)的壓力方向一致。荷載加載時(shí)保持恒定的加載速率50 mm/min，直到試件破壞，確定在4種不同應(yīng)力比(0.70、0.75、0.80、0.85)下的疲勞試驗(yàn)荷載。按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中T0856—2009試驗(yàn)方法開展無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料疲勞試驗(yàn)，其中采用應(yīng)力控制加載模式，施加正弦波荷載，加載頻率為10 Hz。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

通過測(cè)定20種方案的水泥穩(wěn)定再生混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，其結(jié)果見圖2。

圖2 不同水泥劑量下水泥穩(wěn)定再生混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖2可知：水泥穩(wěn)定再生混凝土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥劑量的增大逐漸增大。對(duì)于再生集料摻量為25%，磚混凝土比例為1∶9的情況，水泥劑量從4%增至5%時(shí)，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從3.57 MPa增至4.31 MPa，增加了20.73%。且隨著再生集料摻量及磚混凝土比例的增加，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率逐漸增大。在再生集料摻量為75%，磚混凝土比例為3∶7的情況，其增長(zhǎng)率為43.13%。隨著再生集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定再生混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。水泥劑量為4%的情況下，磚混凝土比例為1∶9，再生集料摻量從25%增加到50%，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小7.28%，從50%增加到75%，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小20.54%。再生集料摻量從25%到50%，無論對(duì)應(yīng)哪種磚混凝土比例，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化較為恒定，且變化率維持在7.26%左右，而再生集料摻量從50%到75%時(shí)，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化明顯，且隨著磚混凝土比例的增加，變化率增大。在相同再生集料摻量下，隨著磚混凝土比例的增大，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。再生集料摻量為50%時(shí)，其變化率為3.32%、4.06%；再生集料摻量為75%時(shí)，其變化率分別為14.45%、40.67%。由此可見，隨著再生集料摻量的增加，磚混凝土比例對(duì)于水泥穩(wěn)定再生混合料的強(qiáng)度性能影響逐漸明顯，這是由于再生集料摻量增加，在同樣磚混凝土比例的情況下，試件中實(shí)際的再生磚集料增多。而由表1中粗集料基本性能試驗(yàn)可以得到，再生磚集料吸水率高，空隙率大，強(qiáng)度也較差，所以在摻量過多時(shí)，會(huì)使得混合料的強(qiáng)度明顯下降。

在JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)不同結(jié)構(gòu)層(基層、底基層)，在交通荷載(極重、特重、重、中等、輕)下，不同的公路等級(jí)(高級(jí)公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路、二級(jí)以下公路)中水泥穩(wěn)定類材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)定。根據(jù)圖2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可以得到在重交通荷載作用下，不同公路等級(jí)及結(jié)構(gòu)層所對(duì)應(yīng)的水泥劑量，再生集料摻量以及磚混凝土方案適配方案，見圖3。

同時(shí)也可以根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ腆w廢棄物再生集料的磚混凝土比例情況，以及路面的設(shè)計(jì)等級(jí)因地制宜選擇合適的施工方案，同時(shí)可以得到在除重交通以外的其他荷載等級(jí)所對(duì)應(yīng)的推薦方案，見表3。

圖3 重交通荷載作用下不同公路等級(jí)及結(jié)構(gòu)層建議方案

3.2 彎拉強(qiáng)度

通過測(cè)定不同水泥劑量下水泥穩(wěn)定再生混合料90 d彎拉強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

由表4可知：隨著水泥劑量的增大，水泥穩(wěn)定再生混合料的彎拉強(qiáng)度逐漸增大。對(duì)于再生集料摻量為25%，磚混凝土比例為1∶9的情況，水泥劑量從4%增至5%時(shí)，彎拉強(qiáng)度增加了10.91%；對(duì)于再生集料摻量為75%，磚混凝土比例為3∶7的情況，水泥劑量從4%增至5%時(shí)，彎拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率為5.05%。在再生集料摻量低的情況下，水泥劑量對(duì)于提高水泥穩(wěn)定再生混合料的彎拉強(qiáng)度作用顯著，水泥劑量從4%增加到5%的過程中，彎拉強(qiáng)度平均增長(zhǎng)率為13.43%；而再生集料摻量為50%時(shí)，平均增長(zhǎng)率為8.52%；再生集料摻量為75%時(shí)，平均增長(zhǎng)率為7.35%。隨著再生集料摻量的增大，水泥穩(wěn)定再生混合料的彎拉強(qiáng)度先增大后減小。再生集料摻量為25%，磚混凝土比例不高于2∶8時(shí)，水泥穩(wěn)定再生混合料的彎拉強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定天然碎石大。

表3 基于7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度規(guī)范值實(shí)際路面設(shè)計(jì)建議方案

表4 水泥穩(wěn)定再生混合料彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.3 疲勞壽命

表5為疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果。

表5 水泥穩(wěn)定混合料疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命結(jié)果體現(xiàn)出比較明顯的離散性。從能量的角度來分析，疲勞損傷過程實(shí)質(zhì)上是一種能量耗散的過程。其隨機(jī)性主要體現(xiàn)在材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及外部的隨機(jī)性。材料內(nèi)部的隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致材料及結(jié)構(gòu)的彈性模量、斷裂韌性、彎拉強(qiáng)度等的不唯一性。從外部因素來看，荷載大小以及加載方式、試件成型及養(yǎng)生條件等都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或材料疲勞性能的隨機(jī)性。為了更加直觀客觀地反映材料的疲勞性能，分析多變量下的疲勞性能變化規(guī)律，建立更加準(zhǔn)確的疲勞方程，宜采用威布爾分布模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到不同方案下水泥穩(wěn)定再生混合料疲勞擬合方程，見表6。

表6 不同方案下水泥穩(wěn)定再生混合料疲勞擬合方程

為了更直觀地體現(xiàn)水泥穩(wěn)定再生混合料與再生集料以及磚混凝土比例的變化規(guī)律，可以得到不同再生集料摻量下的疲勞壽命擬合曲線，見圖4。

由圖4可得：在3種不同再生集料摻量下，隨著磚混凝土比例增大，水泥穩(wěn)定再生混合料的疲勞壽命逐漸減小。這是由于再生磚集料孔隙率大，自身強(qiáng)度缺陷明顯等原因，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定再生混合料的疲勞壽命降低。因此在實(shí)際項(xiàng)目施工過程中，要嚴(yán)格控制再生磚集料的比例。在磚混凝土比例為1∶9、2∶8、3∶7時(shí)，研究再生集料摻量對(duì)于水穩(wěn)再生混合料疲勞性能的影響。隨著再生集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定再生混合料的疲勞壽命先增大后減小。在再生集料摻量為25%，磚混凝土比例為1∶9時(shí)，對(duì)應(yīng)于4種不同的應(yīng)力比，水泥穩(wěn)定再生混合料的疲勞壽命均大于其他摻配方案。也就是說一定量的再生集料有利于提高水泥穩(wěn)定混合料的彎拉強(qiáng)度。這主要是由于再生集料的表面較天然集料更粗糙，與水泥吸附力大；同時(shí)再生集料的孔隙率大，一定的空隙有利于在水化反應(yīng)過程中的散熱，從而在25%再生集料摻量，磚混凝土比例為1∶9時(shí)，水泥穩(wěn)定再生混合料的疲勞壽命最大，同時(shí)疲勞壽命隨各磚混凝土比例的變化基本一致。而隨著再生集料不低于50%時(shí)，磚混凝土比例越大，疲勞壽命下降越明顯。

圖4 不同再生集料摻量下的疲勞壽命擬合曲線

4 結(jié)論

以建筑廢棄物再生集料為主要研究對(duì)象，開展建筑廢棄物再生集料基本性能試驗(yàn)，以及水泥穩(wěn)定再生混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗彎拉疲勞性能的研究。探究不同變量對(duì)于水泥穩(wěn)定再生混合料性能的影響規(guī)律，得到在不同等級(jí)路面、不同交通等級(jí)下基層與底基層的推薦用料方案。

(1)再生集料的吸水率遠(yuǎn)大于天然集料，其中再生粗集料的吸水率為天然集料的12～18倍，再生細(xì)集料的吸水率為天然集料的3倍左右。對(duì)于表觀密度，天然集料大于混凝土再生集料大于再生磚集料。

(2)隨著水泥劑量、再生集料的摻量以及磚混凝土比例的增加，水泥穩(wěn)定再生混合料的最大干密度減小，最佳含水率增大。其中，磚混凝土比例對(duì)其最大干密度和最佳含水率影響較為明顯，主要是由于再生磚集料表面粗糙，水泥砂漿較多，空隙率較大，密度小。

(3)對(duì)于再生集料摻量不超過75%，磚混凝土比例不超過3∶7，在4%水泥劑量下水穩(wěn)再生混合料滿足在重交通荷載下二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層的要求。而5%水泥劑量下滿足中等、輕交通下的高速公路、一級(jí)公路基層的要求。

(4)隨著再生集料摻量與磚混凝土比例的增加，其疲勞壽命差異逐漸加大。再生集料摻量與磚混凝土比例對(duì)于水穩(wěn)再生混合料疲勞壽命的影響曲線呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。