水泥穩(wěn)定再生碎石干縮及疲勞性能研究

張 翯 宋長清 姚 軍

（蘇州新億泰建材有限公司，江蘇 蘇州 215143）

0 引言

我國每年產生的建筑垃圾約24億噸，資源化利用卻僅為1.2億噸，利用率為5%，遠低于歐美國家的90%[1]。近幾年我國加大了對建筑垃圾的再利用力度，其中將建筑垃圾破碎成再生骨料應用于道路基層成為了熱點。但是再生骨料壓碎值大、吸水率高，再生骨料的干縮及疲勞性能變化較大，規(guī)律不明顯，因此一般的利用率僅為50%[2]。通過摻加纖維可以有效地改善水泥穩(wěn)定再生碎石的干縮及疲勞性能。因此，本文主要對不同摻量下玄武巖纖維、聚丙烯纖維的水泥穩(wěn)定再生碎石混合料的干縮及疲勞性能進行了試驗研究，分析了變化規(guī)律，從而為后續(xù)的工程實踐提供一定的參考。

1 試驗方法

1.1 原材料

（1）骨料。試驗再生骨料取自蘇州新億泰建材有限公司，由老舊房屋拆除后經過破碎而成，天然骨料來自安徽興源，經破碎篩分后，按照粒徑范圍分為粗、中、細三類，其中再生料粒徑為9.5～31.5mm（粗）、4.75～9.5mm（中）、0～4.75mm（細），天然料的粒徑為9.5～31.5mm（粗）、4.75～19.0mm（中）、0～4.75mm（細）。對六種再生骨料進行吸水率、壓碎值、針片狀含量等性能檢測，結果如表1。

表1 骨料性能檢測結果

（2）水泥。水泥為蘇州市售的天山牌P·042.5水泥，依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》，對水泥性能指標檢測結果如表2。

表2 水泥性能指標

（3）纖維。試驗所用的玄武巖纖維和聚丙烯纖維均為市售的標準纖維，其基礎性能檢測結果見表3。

表3 纖維基礎性能檢測結果

1.2 配合比設計

（1）再生骨料級配合成。根據JTG/TF20-2015《公路路面基層施工技術細則》中水泥穩(wěn)定級配碎石的推薦級配C-B-3，將三種再生骨料代替部分天然骨料，搭配天然粗骨料設計水泥穩(wěn)定碎石基層材料級配，其中再生骨料占總質量的60%。采用的級配為再生細骨料∶再生中骨料∶再生粗骨料∶天然粗骨料=30∶25∶5∶40，合成級配如圖1所示。

圖1 水泥穩(wěn)定再生碎石級配設計曲線

（2）擊實試驗。對設計的級配配比進行擊實試驗，水泥用量為4.5%，按照標準可以得出此級配下的最大干密度為2.016kg/m3，最佳含水量為6.32%。

1.3 性能測試

試驗主要研究不同纖維摻量的水泥穩(wěn)定再生碎石的干縮及疲勞性能，試件成型、養(yǎng)護和測試方法參考《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTGE51-2009)。水泥穩(wěn)定再生碎石中玄武巖纖維和聚丙烯纖維的摻量分別為0、3‰、6‰、9‰。疲勞性能試驗采用澳大利亞UTM-130型萬能試驗機，見圖2，選取0.7、0.75與0.8三組應力比進行，主要參數設置見表4。

圖2 疲勞試驗加載示意圖

表4 疲勞試驗參數設計

2 試驗結果與分析

2.1 纖維摻量對干縮性能的影響

水泥穩(wěn)定再生碎石在水分蒸發(fā)和水泥水化兩種作用下，水分不斷地減少而產生了收縮，干縮試驗就是通過測量干縮變化值來反應試件的收縮性。圖3和圖4表征了單一纖維摻量的干縮量變化規(guī)律。

由圖3可知，通過與未摻加纖維比較，摻加纖維可以明顯改善試件的抗收縮性能，玄武巖摻量為3‰時減少了16%，摻量為6‰時減少了24%，摻量為9‰減少了19%，試件的收縮量在第1d時變化在10μm以下，第2d到5d每日收縮量相對平穩(wěn)，前3d收縮量占了7d收縮總量的40%。第6d變化較大，第7d時變化微小，纖維摻量的增加與改善試件收縮性能并不成正比，抗收縮性能呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律。摻量為6‰時在第7d的收縮量最小，僅為57μm，抗收縮性能最明顯，當摻量9‰時抗收縮性能相比于6‰下降，出現(xiàn)了拐點。圖4表現(xiàn)出了和圖3相同的規(guī)律，摻聚丙烯纖維的試件抗收縮性強于未摻加纖維的試件，隨著摻量從0增大到6‰再到9‰，抗收縮性能出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。兩種6‰纖維摻量相比，玄武巖明顯優(yōu)于聚丙烯纖維。

圖3 摻玄武巖纖維再生碎石干縮變化圖

圖4 摻聚丙烯纖維再生碎石干縮變化圖

綜上分析，水泥穩(wěn)定再生碎石由于水分蒸發(fā)和水泥水化兩種作用，混合料的水分會不斷地減少。由于水的減少而發(fā)生的毛細管作用、吸附作用、分子間力的作用導致材料礦物晶體成凝膠體，而材料層間水及碳化收縮差會導致水穩(wěn)材料產生體積收縮[3]。隨著纖維摻量的增加，試件的抗收縮性并沒有不斷增大，而是出現(xiàn)了拐點。這是因為纖維具有較大的柔性，而水泥穩(wěn)定碎石是半剛性材料，適量的纖維可有效減小收縮，但是過多的纖維會使水泥穩(wěn)定碎石內提供粘結作用的面積減小，收縮增大[4]。

2.2 纖維摻量對疲勞性能的影響

根據《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》T0856-2009，疲勞試驗結果見圖5和圖6。

圖5 不同種類水泥穩(wěn)定再生碎石疲勞次數

從圖5中可以看出，8種再生骨料中，在不用的應力比條件下，與全天然骨料試件相比，添加6‰玄武巖纖維的試件抗疲勞次數最高，接近全天然骨料試件，其次是同比例的聚丙烯纖維試件。圖6顯示，在三種應力比下對比同一類纖維摻量，6‰纖維摻量時，聚丙烯纖維抗疲勞次數均小于玄武巖纖維，0.70、0.75、0.80三種應力比分別下降了5%、3%、3%。隨著纖維摻量的增加，6類試件疲勞次數都呈現(xiàn)出了先增大后減小的規(guī)律，在纖維摻量為6‰時出現(xiàn)了拐點，表現(xiàn)出了和干縮試驗相同的規(guī)律。

圖6 水泥穩(wěn)定再生碎石疲勞次數隨纖維摻量變化圖

綜上分析，纖維帶有一定的延性，在彎曲破壞過程中，因為纖維的摻入，可以延緩了塑性裂縫的產生，能夠在混凝土開裂后起到抑制裂縫發(fā)展的作用[5]。但纖維比水泥穩(wěn)定碎石混合料彈性模量小，受力不同步，影響到均勻性和和其他性能，只有在受到極大應力時才會發(fā)揮作用[6]，所以摻量增加性能反而有所下降。

3 結束語

通過對玄武巖纖維和聚丙烯纖維摻量3‰、6‰、9‰的試件進行干縮和疲勞試驗，得出摻加纖維可有效改善水泥穩(wěn)定再生碎石的收縮和抗疲勞性能，尤以摻量為6‰玄武巖纖維改善效果最佳，兩種纖維在摻量為6‰時出現(xiàn)拐點，干縮和疲勞特性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。