摻玄武巖纖維水泥穩(wěn)定再生碎石基層性能研究

薛振華，關(guān)博文，樊興華

(1.陜西省高性能混凝土工程實驗室，陜西 渭南 714000；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院；3.長安大學(xué))

將建筑垃圾應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層中，不但能降低對天然石料資源的耗費(fèi)，還可以減少建筑垃圾對環(huán)境的污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會效益。肖杰研究表明：建筑垃圾吸水率大、壓碎值高，隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗壓強(qiáng)度逐漸降低；文華、周新鋒等研究表明：建筑垃圾中磚塊含量越大，再生水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度越低，但仍能滿足現(xiàn)行規(guī)范對基層路用性能的應(yīng)用要求。研究現(xiàn)狀表明：建筑垃圾物理力學(xué)性能較差，進(jìn)而限制了建筑垃圾在高等級公路基層中的應(yīng)用，也限制了建筑垃圾的摻量。

李明杰研究表明：目前主要采用改善水穩(wěn)碎石級配，減少水泥劑量，摻加乳化瀝青，摻加纖維，摻加橡膠粉等方法來改善水穩(wěn)碎石的抗裂性能；焦雙健、李淑等采用玄武巖纖維改善水穩(wěn)碎石的路用性能，并對纖維長度、纖維摻量對水穩(wěn)碎石路用性能的影響作了線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對水穩(wěn)碎石的路用性能有較強(qiáng)的改善作用。研究現(xiàn)狀表明：在水泥穩(wěn)定建筑垃圾中摻加玄武巖纖維可以較為經(jīng)濟(jì)、強(qiáng)效地改善其路用性能。

目前，建筑垃圾多用于二級及以下道路的基層或高速公路、一級公路底基層中，對建筑垃圾在高速公路基層中的應(yīng)用研究還較少，建筑垃圾的摻量也較低。為了提高水泥穩(wěn)定建筑垃圾的路用性能，增大建筑垃圾的摻量，使其可以應(yīng)用于高速公路的基層中，該文通過7 d抗壓強(qiáng)度試驗優(yōu)選玄武巖纖維的較佳摻量和長度，并通過抗壓強(qiáng)度試驗、抗彎拉強(qiáng)度試驗、干縮性能試驗、抗沖刷性能試驗、抗凍性試驗、抗疲勞性能試驗，研究摻加纖維對不同建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾路用性能的影響，為增大建筑垃圾的摻量，提高水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層的使用壽命，推廣水泥穩(wěn)定建筑垃圾在高等級公路基層中的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，建筑垃圾來源于陜西，其物理力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示。

建筑垃圾的組成比例如表2所示，建筑垃圾的外觀形貌如圖1所示。

圖1 建筑垃圾外觀形貌

表2 建筑垃圾的組成比例 %

通過X射線熒光分析儀分析建筑垃圾中混凝土和磚塊的化學(xué)組成，結(jié)果如表3所示。

表3 混凝土和磚塊的化學(xué)組成 %

混凝土和磚塊的化學(xué)組成均以硅、鋁、鈣、鐵元素為主，鎂、鉀、鈉和硫的含量較少，混凝土中的鈣含量比磚塊高，鋁含量低。

建筑垃圾混合料中細(xì)集料含量較高，在進(jìn)行級配設(shè)計時要將建筑垃圾重新篩分后再調(diào)整級配，碎石和建筑垃圾的設(shè)計級配如表4所示。

表4 碎石和建筑垃圾的設(shè)計級配

玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 玄武巖纖維的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗方案

以7 d抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，進(jìn)行水泥穩(wěn)定建筑垃圾的配合比設(shè)計，以優(yōu)選出玄武巖纖維的較佳摻量和長度，并通過水泥穩(wěn)定建筑垃圾的力學(xué)性能試驗(28 d抗壓強(qiáng)度、90 d抗彎拉強(qiáng)度)、干縮抗裂性能試驗、耐久性能試驗(抗沖刷性能、抗凍性能、抗疲勞性能)，研究玄武巖纖維對水泥穩(wěn)定建筑垃圾路用性能的影響。試驗方法均參考JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》。

2 水泥穩(wěn)定建筑垃圾混合料組成設(shè)計

2.1 玄武巖纖維參數(shù)的選取

取建筑垃圾摻量為100%，水泥劑量為4.5%，纖維摻量為0.03%、0.06%、0.09%、0.12%，纖維長度為9、18、27 mm，進(jìn)行擊實試驗，并通過7 d抗壓強(qiáng)度試驗優(yōu)選出較佳的纖維摻量和長度。水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7 d抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如表6所示。

表6 水泥穩(wěn)定建筑垃圾7 d抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

由表6可知：隨著纖維長度的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7 d抗壓強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)纖維長度為18 mm時，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7 d抗壓強(qiáng)度最大。纖維長度較短時，纖維對不同的水泥水化產(chǎn)物不能充分地包裹連接，對水穩(wěn)碎石的整體強(qiáng)度影響較??；纖維長度較大時，纖維的數(shù)量也變少，且較長的纖維難以拌和均勻，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。隨著纖維摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的摻量先增大后減小，纖維摻量為0.06%時，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗壓強(qiáng)度最大。纖維摻量過小時，纖維無法在水穩(wěn)碎石內(nèi)部形成整體的亂向分布體系，無法起到連接固定的作用；纖維摻量過大時，纖維易結(jié)團(tuán)、散布不均勻，且阻礙了水泥石的相互黏結(jié)，導(dǎo)致水穩(wěn)碎石強(qiáng)度下降。

2.2 7 d抗壓強(qiáng)度試驗

基于以上研究，取水泥劑量為4.5%，纖維長度為18 mm，纖維摻量為0、0.06%，建筑垃圾摻量為0、25%、50%、75%、100%，進(jìn)行水泥穩(wěn)定建筑垃圾的擊實試驗和7 d抗壓強(qiáng)度試驗。結(jié)果如表7、8所示。

表7 水泥穩(wěn)定建筑垃圾的擊實試驗結(jié)果

由表7可知:建筑垃圾摻量越高，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的最佳含水率越大，最大干密度隨之減小。摻加玄武巖纖維對水泥穩(wěn)定建筑垃圾的最佳含水率、最大干密度影響很小，在成型試件時，可以忽略纖維對最佳含水率的影響。

由表8可知：隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。建筑垃圾摻量為100%時，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7 d抗壓強(qiáng)度均不能滿足重交通荷載等級下高速公路鋪筑上層結(jié)構(gòu)的要求。摻加玄武巖纖維后，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7 d抗壓強(qiáng)度大幅度增加，建筑垃圾摻量為100%時，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7 d抗壓強(qiáng)度較不摻加纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾增大了12%。

表8 水泥穩(wěn)定建筑垃圾7 d抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度配合比設(shè)計指標(biāo)取6 MPa，即水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7 d抗壓強(qiáng)度大于6 MPa時，認(rèn)為水泥穩(wěn)定建筑垃圾能夠滿足重交通荷載等級下高速公路鋪筑上層結(jié)構(gòu)的要求。

基于以上研究，該文選取建筑垃圾摻量為0、25%、50%、75%、100%，水泥劑量為4.5%，纖維長度為18 mm，纖維摻量為0、0.06%，進(jìn)行水泥穩(wěn)定建筑垃圾的路用性能試驗，以研究摻加纖維對不同建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾路用性能的影響。

3 路用性能試驗

3.1 力學(xué)性能試驗

根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》成型試件，進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度試驗、90 d抗彎拉強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果如表9所示。

表9 水泥穩(wěn)定建筑垃圾的力學(xué)性能及干縮抗裂性能試驗結(jié)果

由表9可知：隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28 d抗壓強(qiáng)度、90 d抗彎拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢。不摻加纖維時，100%建筑垃圾摻量的水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28 d抗壓強(qiáng)度、90 d抗彎拉強(qiáng)度分別比普通水穩(wěn)碎石(建筑垃圾摻量為0)降低了16.5%、24.4%。建筑垃圾壓碎值較大，采用靜壓法成型試件后，大量粗集料被壓碎，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的實際級配更偏向于懸浮密實結(jié)構(gòu)，缺乏足夠的粗集料以形成相互嵌擠的骨架，更容易受荷載作用而破壞。摻加纖維后，不同建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28 d抗壓強(qiáng)度、90 d抗彎拉強(qiáng)度均增大，建筑垃圾摻量為100%時，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28 d抗壓強(qiáng)度、90 d抗彎拉強(qiáng)度分別比不摻纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾增大了10.1%、17.1%。纖維的抗變形能力遠(yuǎn)高于水穩(wěn)碎石，纖維在水穩(wěn)碎石中呈均勻的亂向分布，起到了加筋作用和橋接作用，可以連接水泥水化產(chǎn)物，增強(qiáng)水穩(wěn)碎石抵抗變形的能力。

3.2 干縮抗裂性能試驗

干縮抗裂試驗結(jié)果示于表9。

由表9可知：隨著建筑垃圾摻量的逐漸增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28 d干縮系數(shù)也隨之增加。不摻加纖維時，100%建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28 d干縮系數(shù)比普通水穩(wěn)增大了36.1%。建筑垃圾的吸水率遠(yuǎn)高于普通碎石，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定建筑垃圾的早期失水率偏大；此外，建筑垃圾的壓碎值較大，集料表面孔隙較多，造成水泥穩(wěn)定建筑垃圾混合料的實際級配偏細(xì)，細(xì)集料含量偏大，對水泥穩(wěn)定建筑垃圾的干縮抗裂性能造成了不利的影響。因此，在實際應(yīng)用時，應(yīng)重視水泥穩(wěn)定建筑垃圾混合料的早期養(yǎng)生，并盡量采用粗集料含量較大的設(shè)計級配，以控制混合料的干縮變形。摻加纖維后，不同建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28 d干縮系數(shù)均增大，建筑垃圾摻量為100%時，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28 d干縮系數(shù)比不摻纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾降低了19.4%。摻加纖維后，水穩(wěn)碎石的空隙率降低，水分散失速度降低，進(jìn)而降低了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的失水收縮變形；此外，玄武巖纖維出色的抗變形能力也降低了水穩(wěn)碎石的收縮變形，進(jìn)而大幅度改善了水穩(wěn)碎石的干縮抗裂性能。

3.3 耐久性能試驗

參考JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》成型試件，進(jìn)行抗沖刷性能試驗、抗凍性試驗、抗疲勞性能試驗，其中，抗沖刷性能試驗齡期為28 d，沖刷時間為30 min，沖刷荷載為0.5 MPa；凍融循環(huán)次數(shù)為5次，試驗齡期為28 d；抗疲勞性能試驗采用控制應(yīng)力法，應(yīng)力比取0.6、0.7，試驗齡期為90 d。試驗結(jié)果如表10所示。

表10 水泥穩(wěn)定建筑垃圾耐久性能試驗結(jié)果

由表10可知:

(1)隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的沖刷質(zhì)量損失率逐漸增大，抗沖刷性能逐漸降低。不摻加纖維時，100%建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的沖刷質(zhì)量損失率比普通水穩(wěn)碎石增大了166.7%。這是因為建筑垃圾壓碎值大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾混合料的級配更加偏向于懸浮密實級配，混合料孔隙率較大、細(xì)集料含量偏多；此外，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的強(qiáng)度低于普通水穩(wěn)碎石，集料之間的黏附力較小，在“泵吸作用”下，細(xì)集料更容易被吸走。摻加纖維后，不同建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的沖刷質(zhì)量損失率均減小，建筑垃圾摻量為100%時，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的沖刷質(zhì)量損失率比不摻纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾降低了14.6%。摻加纖維后，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的強(qiáng)度增大，細(xì)集料與水泥膠結(jié)料、粗集料之間的黏結(jié)更為緊密，更難以被“泵吸作用”吸走。

(2)隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的凍穩(wěn)系數(shù)逐漸減小，抗凍性逐漸降低。不摻加纖維時，100%建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的凍穩(wěn)系數(shù)比普通水穩(wěn)碎石降低了7.1%。建筑垃圾孔隙較多，吸水率遠(yuǎn)高于普通碎石，水泥穩(wěn)定建筑垃圾內(nèi)部空隙水凍脹產(chǎn)生的附加應(yīng)力重復(fù)對材料進(jìn)行擠壓破壞作用，因此在經(jīng)過相同的凍融循環(huán)后，水泥穩(wěn)定建筑垃圾抗壓強(qiáng)度降低得更多；此外，建筑垃圾壓碎值大，強(qiáng)度較低，表面孔隙、裂縫較多，經(jīng)過凍融循環(huán)后強(qiáng)度降低得更多，導(dǎo)致水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗凍性低于普通水穩(wěn)碎石。摻加纖維后，不同建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的凍穩(wěn)系數(shù)均增大，建筑垃圾摻量為100%時，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的凍穩(wěn)系數(shù)比不摻纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾增大了2.4%。這是因為纖維增強(qiáng)了水泥穩(wěn)定建筑垃圾抵抗變形的能力，降低了凍脹作用對水泥穩(wěn)定建筑垃圾內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。

(3)隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的疲勞壽命逐漸減小。不摻加纖維時，應(yīng)力比為0.6、建筑垃圾摻量為100%的水泥穩(wěn)定建筑垃圾的疲勞壽命較普通水穩(wěn)碎石降低了35.2%，應(yīng)力比為0.7、建筑垃圾摻量為100%的水泥穩(wěn)定建筑垃圾的疲勞壽命較普通水穩(wěn)碎石降低了21.6%。建筑垃圾表面孔隙較多，與普通水穩(wěn)碎石相比，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的實際級配偏細(xì)，其級配更偏向于懸浮密實結(jié)構(gòu)，粗集料間形成的骨架不夠緊密；此外，建筑垃圾本身的強(qiáng)度較低，導(dǎo)致混合料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，因此在疲勞微裂紋擴(kuò)展時，水泥穩(wěn)定建筑垃圾遇到的阻礙較小，裂縫擴(kuò)展更快，造成了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的疲勞壽命小于普通水穩(wěn)碎石。摻加纖維后，不同建筑垃圾摻量水泥穩(wěn)定建筑垃圾的疲勞壽命均增大，應(yīng)力比為0.6、建筑垃圾摻量為100%時，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的疲勞壽命較不摻加纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾增大了26.7%；應(yīng)力比為0.7、建筑垃圾摻量為100%時，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的疲勞壽命較普通水穩(wěn)碎石增大了12.6%。呈亂向分布的纖維均勻地散布在水穩(wěn)碎石中，將水穩(wěn)碎石薄弱界面約束住，起到了擴(kuò)散荷載的作用，防止了應(yīng)力集中和疲勞微裂紋擴(kuò)展，增強(qiáng)了水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗變形能力。

4 結(jié)論

(1)摻加玄武巖纖維后，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的7 d抗壓強(qiáng)度大幅度增加，當(dāng)纖維摻量為0.06%、長度為18 mm時，水泥穩(wěn)定建筑垃圾7 d抗壓強(qiáng)度最高。

(2)隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的力學(xué)性能、干縮抗裂性能、抗沖刷性能、抗凍性能、抗疲勞性能逐漸降低。不摻加纖維時，100%建筑垃圾摻量的水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28 d抗壓強(qiáng)度、90 d抗彎拉強(qiáng)度分別比普通水穩(wěn)碎石降低了16.5%、24.4%，28 d干縮系數(shù)增大了36.1%，沖刷損失率增大了166.7%，凍穩(wěn)系數(shù)降低了7.1%，疲勞壽命降低了35.2%(0.6應(yīng)力比)、21.6%(0.7應(yīng)力比)。

(3)摻加玄武巖纖維后，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的力學(xué)性能、干縮抗裂性能、抗沖刷性能、抗凍性能、抗疲勞性能均有不同程度的提高。建筑垃圾摻量為100%時，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾的28 d抗壓強(qiáng)度、90 d抗彎拉強(qiáng)度分別比不摻纖維的水泥穩(wěn)定建筑垃圾增大了10.1%、17.1%，28 d干縮系數(shù)降低了19.4%，沖刷損失率降低了14.6%，凍穩(wěn)系數(shù)增大了2.4%，疲勞壽命提高了26.7%(0.6應(yīng)力比)、12.6%(0.7應(yīng)力比)。

(4)隨著建筑垃圾摻量的增大，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的路用性能降低；摻加纖維后，水泥穩(wěn)定建筑垃圾的路用性能均有不同程度的提升。建筑垃圾摻量小于等于75%時，摻纖維水泥穩(wěn)定建筑垃圾可應(yīng)用于重交通荷載等級下高速公路基層中。