不同壓實(shí)方法成型水泥穩(wěn)定再生混凝土集料性能研究

羅生岳

（青海省興利公路橋梁工程有限公司，青海 西寧）

引言

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層具有早期強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好、抗凍性好等優(yōu)點(diǎn)，在我國道路基礎(chǔ)建設(shè)中應(yīng)用廣泛。近年來，因礦山無序開采和環(huán)保力度的加大，優(yōu)質(zhì)石材逐漸面臨短缺的窘境，因此，因地制宜地選擇可代替的道路材料成為學(xué)者們關(guān)注的重大課題，其中廢棄混凝土再生集料的重復(fù)利用受到了廣泛關(guān)注[1]。研究表明，摻加再生混凝土集料的水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著，是一種優(yōu)質(zhì)的可再生筑路材料[2-3]。而目前我國針對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的成型方法有兩種，一種是靜壓成型法，另一種是振動(dòng)成型法，然而研究表明，靜壓法成型的試樣與試驗(yàn)段試樣之間的相關(guān)性較差，原因在于采用靜壓法指導(dǎo)施工的理念被提出在上個(gè)世紀(jì)，而近年來隨著工程機(jī)械的發(fā)展，靜壓法壓實(shí)后的試樣力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于現(xiàn)場(chǎng)芯樣的強(qiáng)度，與現(xiàn)場(chǎng)施工方法的改進(jìn)不太匹配[4-5]。與此同時(shí)，振動(dòng)法成型的試樣具有更高的力學(xué)強(qiáng)度，與現(xiàn)場(chǎng)樣品具有更高的相關(guān)性，但振動(dòng)法與靜壓法在設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定再生混凝土集料的對(duì)比研究鮮有報(bào)道。因此，本研究對(duì)比研究了靜壓法和振動(dòng)法對(duì)水泥穩(wěn)定再生混凝土力學(xué)性能的影響，以證明振動(dòng)壓實(shí)方法能夠更好地從力學(xué)角度反映現(xiàn)場(chǎng)施工條件，有助于后續(xù)振動(dòng)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的研究。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1） 水泥

水泥為P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

（2） 天然集料

天然集料采用石灰?guī)r，技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 集料技術(shù)要求

（3） 再生混凝土集料

本研究使用的再生混凝土集料經(jīng)過鄂式破碎機(jī)破碎篩分后形成具有一定級(jí)配的再生混凝土集料，物理力學(xué)指標(biāo)見表3。

表3 再生混凝土集料的物理力學(xué)指標(biāo)

表3 可以看出，相對(duì)于天然集料，再生混凝土集料密度相對(duì)較低、壓碎值和吸水率偏高，對(duì)其制備的水泥穩(wěn)定碎石基層力學(xué)強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，究其原因在于再生混凝土經(jīng)過多年的使用內(nèi)部產(chǎn)生了眾多疲勞微裂紋，其次在破碎篩分過程中也會(huì)造成損傷，還有集料表面附著的水泥砂漿材料密度不高，導(dǎo)致再生混凝土集料的壓碎值和吸水率偏高，密度降低。

1.2 級(jí)配

本研究采用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50-2006）中骨架密實(shí)級(jí)配進(jìn)行研究，級(jí)配篩孔通過率列于表4、級(jí)配設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 級(jí)配設(shè)計(jì)

表4 骨架密實(shí)級(jí)配

1.3 試件成型方法

本研究選取靜態(tài)壓實(shí)法和振動(dòng)壓實(shí)法兩種方法制備試件，靜壓法根據(jù)《公路工程用無機(jī)粘結(jié)劑穩(wěn)定材料的試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）成型試件，振動(dòng)法根據(jù)《公路水泥穩(wěn)定碎石抗裂設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DB 41/T864-2013）。靜壓法為我國目前水泥穩(wěn)定碎石基層常用的設(shè)計(jì)方法，振動(dòng)法為近年來許多道路工作者推薦的設(shè)計(jì)方法。振動(dòng)法考慮到室內(nèi)儀器的可操作性，設(shè)計(jì)的垂直振動(dòng)壓實(shí)儀的內(nèi)部振動(dòng)器結(jié)構(gòu)模仿了定向振動(dòng)壓路機(jī)的獨(dú)特工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，核心部件是偏心塊，兩個(gè)偏心塊對(duì)稱布置抵消了水平力，工作時(shí)只產(chǎn)生垂直力，由快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的正弦激勵(lì)力確保了垂直振動(dòng)壓實(shí)儀的穩(wěn)定性和有效的垂直振動(dòng)壓實(shí)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 振動(dòng)壓實(shí)法的驗(yàn)證

通過比較振動(dòng)法樣品和路面芯樣的力學(xué)強(qiáng)度，評(píng)估了振動(dòng)法的可靠性，靜壓法成型的試樣被列為參考，其中路面芯樣來自某國道的試驗(yàn)段，三種試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比見圖2。

圖2 不同成型方法的試件強(qiáng)度與芯樣的相關(guān)性

圖2 可以看出振動(dòng)法試件與芯樣的力學(xué)強(qiáng)度相關(guān)性超90%，高于靜壓法試件（相關(guān)性僅70%），這證明了振動(dòng)法模擬實(shí)際施工程度較高。相比于靜壓法試件，振動(dòng)法試件的7 d 抗壓強(qiáng)度提高了28%，一方面因?yàn)檎駝?dòng)壓實(shí)有助于改善粗集料在試樣內(nèi)的滾動(dòng)排列，并且使得水泥砂漿更好的填充空隙，形成強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)；另一方面尺寸效應(yīng)對(duì)靜壓法試件影響更大，限制了集料在壓實(shí)過程中的移動(dòng)造成集料破碎，從而影響強(qiáng)度形成。三種樣品的外觀也證明了這一點(diǎn)，靜壓法試件表面有大量空隙和集料破碎的痕跡，振動(dòng)法試件和芯樣則表面密實(shí)，進(jìn)一步說明了振動(dòng)法的可靠性。

但兩種室內(nèi)成型試件的強(qiáng)度均低于道路芯樣，原因在于室內(nèi)試驗(yàn)成型試件受到模具尺寸效應(yīng)的影響，集料與模具接觸部位難以繼續(xù)移動(dòng)，空隙的數(shù)量和大小會(huì)存在較大波動(dòng)，而道路振動(dòng)壓路機(jī)具有很大的壓實(shí)力，路面鋪筑壓實(shí)時(shí)混合物的高頻振動(dòng)使混合物充分滾動(dòng)和壓實(shí)，細(xì)集料也可以動(dòng)態(tài)緊密填充骨架，從而大大減少了空隙的數(shù)量，提高路面密度和強(qiáng)度。

2.2 力學(xué)強(qiáng)度

使用兩種成型方法，研究了再生混凝土集料摻量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和回彈模量的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4 和圖5。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度測(cè)試試件養(yǎng)生齡期為7 d，回彈模量測(cè)試試件養(yǎng)生齡期為28 d。

圖3 再生混凝土集料摻量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 再生混凝土集料摻量對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

圖5 再生混凝土集料摻量對(duì)抗壓回彈模量的影響

如圖3、圖4 和圖5 所示，振動(dòng)法成型試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和回彈模量遠(yuǎn)高于靜壓法試件，抗壓強(qiáng)度提高32%～47.5%，劈裂強(qiáng)度提高30.6%～33.3%，抗壓回彈模量提升34.4%～39.8%。原因在于靜壓試件壓實(shí)過程中骨料之間受靜壓力作用，骨料的移動(dòng)范圍有限，細(xì)骨料和水泥砂漿不能很好地填充空隙，特別是對(duì)于骨架密實(shí)級(jí)配，靜壓對(duì)粗骨料的靜摩擦力容易導(dǎo)致集料破碎，會(huì)嚴(yán)重破壞試件內(nèi)部粗集料強(qiáng)嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，從而形成更多的空隙導(dǎo)致混合料的性能降低，這對(duì)于摻再生混凝土的水泥穩(wěn)定碎石而言更加嚴(yán)重，原因在于再生混凝土集料的壓碎值較大，再生混凝土集料承受的靜壓力超過集料強(qiáng)度時(shí)，會(huì)造成集料破碎嚴(yán)重，嚴(yán)重影響水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配。而振動(dòng)法通過振動(dòng)壓實(shí)的方式，可以對(duì)粗骨料在混合料中進(jìn)行更好的排列，從而形成更強(qiáng)的骨架嵌擠力，并且使水泥砂漿更充分地填充骨架，提高混合料抵抗變形的能力。振動(dòng)法成型的水泥穩(wěn)定再生混凝土集料密度較大，混合料空隙率減小，提高了礦料的骨架嵌擠作用。同時(shí)，振動(dòng)法設(shè)計(jì)的混合料最佳含水量相對(duì)較少，集料間的空隙主要被水泥砂漿填充，沒有多余的水分阻礙壓實(shí)，可以顯著提高混合料的粘聚力和內(nèi)摩阻力。因此，振動(dòng)法設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定再生混凝土具有更好的力學(xué)性能。

此外，圖中還可以看出，無論何種成型方法，隨著再生混凝土集料摻量的增大，力學(xué)強(qiáng)度隨之先增大后減小，當(dāng)摻量在30%左右時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和回彈模量達(dá)到最大，抗壓強(qiáng)度提升約6.5%～11.1%，回彈模量提升約9.6%～13.1%，摻量為45%時(shí)，劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大，劈裂強(qiáng)度約提升10.3%～11.4%。這是因?yàn)樵偕炷良现泻幸欢ǖ幕钚猿煞?，可以與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，有利于水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的提升，且再生混凝土集料表面粗糙多棱角，與水泥砂漿的界面過渡區(qū)粘結(jié)性較強(qiáng)，有助于提高混合料內(nèi)部摩擦力，對(duì)強(qiáng)度有積極效果。而當(dāng)摻量超過一定范圍時(shí)，再生集料高壓碎值對(duì)混合料強(qiáng)度的負(fù)面效果進(jìn)一步增大，且超過粘結(jié)力的提升效果，此時(shí)力學(xué)性能開始逐漸下降。

3 結(jié)論

（1） 振動(dòng)法試件與芯樣的力學(xué)強(qiáng)度相關(guān)性超90%，高于靜壓法試件（相關(guān)性僅70%），這證明了振動(dòng)法模擬實(shí)際施工程度較高。

（2） 振動(dòng)法成型試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和回彈模量遠(yuǎn)高于靜壓法試件，抗壓強(qiáng)度提高32%～47.5%，劈裂強(qiáng)度提高30.6%～33.3%，抗壓回彈模量提升34.4%～39.8%。

（3） 無論何種成型方法，隨著再生混凝土集料摻量的增大，力學(xué)強(qiáng)度隨之先增大后減小。