再生骨料水泥穩(wěn)定碎石收縮性能分析

陳 軍

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

該依托工程修建較早，主線路段全長108 km，修建面層結構為水泥混凝土路面，目前已產(chǎn)生一定病害，達到改擴建要求。前期養(yǎng)護過程中，每年對該高速養(yǎng)護產(chǎn)生了一定量的廢棄水泥混凝土面板，這些廢棄物均堆積在公路沿線大大小小的棄土場，破壞了周邊環(huán)境。因此如何將上述廢棄混凝土面板加以利用，一方面可以節(jié)省投資，另一方面也可以節(jié)約資源，符合我國提出的“綠色公路”要求[1-4]。

半剛性基層由于采用水泥膠凝材料，且水泥摻量遠小于水泥混凝土，因此其干溫縮特性對水穩(wěn)基層影響較大，易導致路面強度降低，產(chǎn)生沖刷和唧泥坑槽等病害，減少道路的使用壽命[5-7]。由于再生集料具有吸水率高、壓碎值高等特性，在傳統(tǒng)直觀認知中認為其可能帶來更加嚴重的開裂，阻礙了其在實際工程中的應用[8-11]。

1 原材料性能試驗

對高速公路廢棄路面板進行破碎得到再生集料，篩分得到粗細集料，再生集料的技術指標試驗結果如表1、表2所示。

表1 再生粗集料指標

表2 再生細集料指標

由表1可知：由于再生集料上附著了一定量的水泥砂漿，導致其壓碎值與吸水率相對較大。這是由于水泥混凝土面板破碎后，表面存在水泥漿體破碎形成薄弱面，因此有較大的壓碎值，同時由于砂漿相較巖石據(jù)喲較高的吸水率，因此吸水率增大。

由表2可知：再生細集料的吸水率較原生集料大，且有機質含量高。其中吸水率高原因與粗集料相同，且由于加工破碎的水泥漿體粉末歸為細集料，因此其吸水率更高。而由于面板破除過程中不可避免產(chǎn)生污染，因此有機質含量相應增大[12]。但總體而言破碎的再生集料均滿足規(guī)范有關水穩(wěn)基層的對應要求。

3 水泥穩(wěn)定再生集料碎石設計

依據(jù)公路基層水泥穩(wěn)定材料的級配范圍要求，采用表3所示的級配進行試驗。

表3 水泥穩(wěn)定碎石合成級配

試驗選用緩凝42.5水泥，水泥用量為3.0%，5.0%，7.0%，采用擊實法確定不同水泥用量下的最佳含水量和最大干密度，擊實試驗結果如表4所示。

表4 不同水泥摻量擊實試驗結果

采用試件尺寸：φ150 mm×150 mm，試件在(20±2) ℃、濕度95%環(huán)境下養(yǎng)生6 d后泡水24 h后，試驗結果如表5所示。

表5 水泥穩(wěn)定碎石7 d無側限抗壓強度

由表5可知，設計的水泥穩(wěn)定再生集料碎石性能基本滿足規(guī)范要求。

4 收縮性能試驗

4.1 試驗設計

采用與配合比設計相同的級配進行梁式試件制備，水泥摻量分別為3%，5%，7%，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試件9個為一組，3個用作標準空白試件，另外6個用作收縮變形試驗使用。養(yǎng)生方式與無側限抗壓強度測試試件相同，養(yǎng)生7 d，其中最后24 h浸泡水中。

4.2 干縮試驗

試件浸水完成后取出擦干備用，稱取試件的初始質量m0，然后將試件兩個長短端面磨平，并用502膠水將銅釘粘結在試件端面上。待銅釘粘結牢固后，將試件安置于收縮儀上。

試驗初期(一般7 d內(nèi))測量頻率為每日一次，之后每2 d測量一次，在30 d后讀取第40、50、60、70、80、90 d的千分表讀數(shù)。觀測結束后烘干至恒重并稱取質量記為m，計算干縮應變、干縮系數(shù)，取平均值作為最終計算結果。試驗結果如圖1～圖3所示。

圖1 不同水泥摻量下失水率變化曲線

圖2 不同水泥摻量下干縮系數(shù)變化曲線

圖3 兩種集料組成混合料干縮系數(shù)對比

由圖1可知。

同常規(guī)水穩(wěn)混合料一樣，摻加再生集料的混合料失水率隨齡期的增長而增大，且水泥摻量越大，累計失水率越大，水泥摻量由3%增加至5%時，混合料最終累計失水率差距接近1%。這是由于水泥作為干硬性膠凝材料，在強度形成過程中需要吸收水分，因此混合料累計失水率逐漸增大，水泥摻量越大水化所需的水分越多，故累計失水率也越大。因此在實際工程運用中，在保證結構層強度的條件下應盡可能控制水泥摻量，同時也應加強養(yǎng)護，減少結構層暴露于空氣中的時間，以免控制由于干縮現(xiàn)象導致的結構層裂縫的產(chǎn)生。

不同摻量水穩(wěn)混合料累計失水率隨齡期變化趨勢基本一致，當齡期在10 d以內(nèi)時，失水率急劇增加，10～30 d時，失水率增幅變緩，至30 d以后失水率仍有增加，但增幅較小。上述失水率變化與水泥水化強度形成過程基本一致，即在10 d以內(nèi)時為強度形成關鍵期，此階段強度基本形成，之后水化放緩。

由圖2可知。

同累計失水率變化趨勢類似，不同水泥摻量水穩(wěn)混合料干縮系數(shù)均隨齡期逐漸增長，且分為3個階段：快速增長期(10 d以內(nèi))、增速放緩區(qū)(10～30 d)、緩慢增長區(qū)(30 d以后)。同時，隨著水泥摻量的增加干縮系數(shù)逐漸增大，且當水泥摻量由3%增加到5%時干縮系數(shù)增長遠大于水泥摻量由5%增加到7%時增幅。因此建議在實際工程中，條件允許時應嚴格水泥摻量，以避免提高水泥摻量時干縮系數(shù)的快速增大現(xiàn)象。

綜上分析，為指導工程實踐，采用該再生集料時，為控制干縮，養(yǎng)生齡期宜不小于10 d。條件允許時應養(yǎng)生至30 d，或養(yǎng)生10 d后盡快施做上一結構層，以免再生水穩(wěn)層暴露于空氣中增大干縮現(xiàn)象的產(chǎn)生。

為了進一步確定再生集料用于工程實際中的可行性，參考已有試驗數(shù)據(jù)將水泥穩(wěn)定天然集料與再生集料組成的混合料之間干縮試驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示。

由圖3可知。

當水泥摻量小于5%時，天然集料組成的混合料干縮系數(shù)小于再生集料組成的混合料，且干縮系數(shù)差距較小。且當水泥摻量較高，達到5%以上時，再生集料組成的混合料干縮系數(shù)增速放緩，并小于天然集料組成的混合料。表明僅就干縮系數(shù)這一指標而言，將再生集料運用于水穩(wěn)基層具有可行的理論基礎。

4.3 溫縮試驗

采用與干縮試驗相同的試件進行溫縮試驗，養(yǎng)生7 d后烘干至恒重備用。測量試件原始長度，對試件端部進行打磨處理，安裝到收縮儀上，并安置千分表。溫縮試驗共分為5個溫度區(qū)間，溫度范圍為-10～40 ℃，試驗由高溫開始逐漸降溫依次進行試驗。試驗在降溫保濕期間后5 min進行千分表數(shù)據(jù)讀取，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同水泥摻量下溫縮系數(shù)與溫度區(qū)間關系

由圖4可知。

(1)隨著水泥摻量的增加，溫縮系數(shù)均顯著增大，這與干縮系數(shù)同水泥摻量關系一致。表明在滿足結構層強度的條件下宜有效控制再生集料水穩(wěn)混合料水泥摻量，以免后期形成裂縫造成結構層承力性能下降。

(2)不同水泥摻量條件下，再生集料水穩(wěn)混合料溫縮系數(shù)隨溫度變化趨勢基本一致，均為先減小后增大。其中，當溫度區(qū)間為0～10 ℃時溫縮系數(shù)最小。表明再生集料水穩(wěn)混合料存在合適的養(yǎng)生溫度區(qū)間，即當溫度區(qū)間為0～10 ℃時，將可有效減小溫縮裂縫的產(chǎn)生。但綜合以往有關水泥強度形成機理，溫度越高強度形成越快，平衡溫縮與強度二者之間關系，建議宜將養(yǎng)生溫度控制在0～20 ℃為宜。溫度過低時宜采用可控制熱量損失的“一布一膜”類土工布進行養(yǎng)生，溫度過高時應采取灑水降溫等有效降溫措施。

5 結 論

再生水穩(wěn)混合料干縮發(fā)展分為3個階段：快速增長期(10 d以內(nèi))、增速放緩區(qū)(10～30 d)、緩慢增長區(qū)(30 d以后)。

再生集料水泥穩(wěn)定碎石在0～10 ℃溫度區(qū)間時，溫縮效應最小，但綜合水泥強度形成機理，平衡溫縮與強度二者之間關系，建議宜將養(yǎng)生溫度控制在0～20 ℃為宜。

綜合分析，建議工程應用中宜采用0～20 ℃條件下養(yǎng)生30 d，或養(yǎng)生10 d后施工封層、瀝青層等上結構層的方法進行水泥穩(wěn)定再生集料碎石施工。