废旧油脂生物油改性水泥稳定碎石性能研究

2020-11-18杨侣珍

公路工程 2020年5期

杨侣珍，杨毅

(1.湖南交通职业技术学院,湖南长沙 410132；2.湖南省怀芷高速公路建设开发有限公司,湖南怀化 418000；3.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114)

1 概述

半刚性基层沥青路面是中国高等级公路的主要路面结构，最常见的半刚性基层是水泥稳定碎石基层，其具有强度高、稳定性好等优点[1-3]。但在交通荷载、温度和湿度等诸多因素的持续作用下，水泥稳定碎石基层很容易产生裂缝，从而导致整个路面结构的使用寿命下降[4]。因此预防和减少裂缝的产生可以有效提高水泥稳定碎石的疲劳寿命，增加其耐久性。

已有研究表明，解决水泥稳定碎石开裂问题主要有以下几种方法：优化级配设计、采用聚合物纤维改性水泥稳定碎石、采用乳化沥青、橡胶沥青等改性剂改性水泥稳定碎石、采用膨胀剂抵消水泥稳定碎石的收缩变形等[5-10]。以上方法可以有效增加水泥稳定碎石的抗裂性，与此同时也存在一定的问题，如施工困难、投资费用高等。部分学者将生物油作为改性剂应用于基质沥青中，结果发现生物油可以有效改善沥青的高温性能和抗老化性[11-13]。另外，也有学者将生物油作为再生剂用于沥青再生，试验结果表明再生沥青的黏度和针入度都有所提高[14-15]。但将生物油用于改性水泥稳定碎石的研究鲜有报道，因此，若将生物油成功改性水泥稳定碎石，增加其抗裂性，可以扩大生物油在道路建设中的应用范围。

基于此，本文借鉴生物油应用于沥青混合料的成功经验，采用3%、5%、7%掺量的生物油制备出改性水泥稳定碎石试样，对其进行无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、干缩试验和四点弯曲疲劳试验，以有效评价其力学和路用性能。

2 原材料与试验方法

2.1 试验原材料

a.水泥。

本研究中采用湖南隆回南方水泥有限公司生产的P. S. B 32.5R水泥，对其细度、凝结时间、安定性等性能指标进行检测，得到其各项技术性质如表1所示。

b.集料。

表1 水泥技术指标Table 1 Cement technical index细度检测(80μm筛筛析法)安定性凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d2.22.424641223.641.84.27.5

本研究采用的粗集料和细集料来自湖南省湘潭某公司。根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)要求进行各性能指标测试，试验结果见表2。

表2 集料性质试验结果Table 2 Test results of aggregate properties压碎值/%针片状/%表观密度/(g·cm-3)吸水率/%液限指数/%塑性指数22.111.52.8150.4212.8

c.级配。

根据规范JTJ / T F20-2015要求，水泥稳定碎石矿料级配见表3。

表3 矿料级配表Table 3 Gradation of the cement stabilized crushed stone孔径/mm通过率/%孔径/mm通过率/%26.51002.362619851.181616740.61013.2630.369.5580.1544.75380.0753

d.废生物油。

为了研究废旧油脂生物油对水泥稳定碎石的影响，先对生物油的基本性能指标进行检测，检测结果见表4。

表4 废旧油脂生物油的性能测试结果Table 4 Performance test results of waste bio-oil密度/%黏度/%含水率吸水率/%液限指数/%塑性指数22.111.52.8150.4212.8

2.2 试验方案

生物油掺量选择3%、5%、7%，将生物油涂覆在粗集料表面，以改变水泥砂浆和粗集料的界面。将涂有生物油的粗集料与细集料、水泥和水混合搅拌，得到生物油改性水泥稳定碎石。

为了研究改性水泥稳定碎石性能，本文进行了无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、干缩试验和4点弯曲疲劳试验。所有试件的成型和养生均按照规范要求完成(JTG-E51-2009)，无侧限抗压强度和劈裂强度试验的试样采用圆柱形试件，直径10 cm，高10 cm，在7、28、90 d时进行强度试验。测试结果见表5。干缩试验中采用中梁，在第7d的时候开始测试。测试结果见表5。通过MTS进行4点弯曲疲劳试验检测水泥稳定碎石的疲劳性能，4个应力水平分别为0.3、0.4、0.5、0.6，加载波形为半正弦波，加载频率为10 Hz。

3 试验结果分析

a.废旧油脂生物油掺量对强度的影响。

餐厨垃圾，俗称泔脚，是指居民在食品加工和消费过程中形成的废料和剩余废弃物。餐厨垃圾的组成、性质和产量会随区域和季节变化的不同而有所差异，但所有餐厨垃圾都具备如下特点：含水率高，含固率一般小于20%；易腐烂发臭，易滋生病菌，会造成疾病的传播；产生的易腐烂、易生物降解的废弃物是城市生活垃圾的主要组成部分。受传统文化的影响，食品种类比较繁多、结构成分也比较复杂，饮食结构呈现多元化，食物垃圾呈现多样性，具有多、硬、杂、粗等特点[2]。

强度包括无侧限抗压强度和劈裂强度，强度越高，水泥稳定碎石性能越佳。废旧油脂生物油掺量对水泥稳定碎石无侧限抗压强度和劈裂强度的影响如图1所示。

图1 生物油掺量对水泥稳定碎石强度的影响Figure 1 The effect of the content of bio-oil on the strength of cement stabilized crushed stone

从图1可以看出，随着龄期的增加水泥稳定碎石抗压强度均增加。当龄期为7 d时，未改性水泥稳定碎石的抗压强度为3.95 MPa，生物油掺量3%、5%、7%的改性水泥稳定碎石抗压强度分别为3.54、3.36、3.21 MPa。当龄期为28 d时，未改性水泥稳定碎石的抗压强度为5.32 MPa，3%、5%、7%掺量生物油的改性水泥稳定碎石抗压强度分别降低了7.52%、11.47%和12.97%。当龄期为90 d时，水泥稳定碎石抗压强度的变化规律与之前一致。在同一龄期下，水泥稳定碎石的抗压强度随着生物油掺量增加而降低。这可能是由于粗集料表面被生物油覆盖，阻碍了粗集料附近的水泥发生水化作用；另一方面，生物油削弱了水泥砂浆和集料之间的界面结合力。龄期7～28 d，未改性水泥稳定碎石抗压强度增加34.68%，而3%、5%、7%掺量生物油改性水泥稳定碎石抗压强度分别增加了38.98%、40.18%、44.24%。从图1中也可以看出随着龄期的增加，生物油改性水泥稳定碎石的抗压强度增长速率增大。也就说生物油改性水泥稳定碎石的抗压强度在后期增加速率比早期快，且其抗压强度接近于未改性水泥稳定碎石抗压强度。这可能是由于生物油的逐渐分解，粗集料附近未发生水化作用的水泥会继续发生反应，从而导致水泥稳定碎石的抗压强度增加。

从图1中分析水泥稳定碎石劈裂强度，可以发现劈裂强度曲线与抗压强度曲线相似，生物油的掺入对水泥稳定碎石的劈裂强度起到抑制作用。同一龄期下，随着生物油的掺入水泥稳定碎石的劈裂强度逐渐降低。生物油改性水泥稳定碎石的劈裂强度增长速率高于未改性水泥稳定碎石。龄期分别为7、28、90 d时，未改性水泥稳定碎石劈裂强度分别为0.48、0.65、0.70 MPa。以龄期28 d为例，3%、5%、7%掺量生物油改性水泥稳定碎石劈裂强度分别为0.59、0.51、0.49 MPa，与未改性水泥稳定碎石相比，生物油改性水泥稳定碎石劈裂强度分别降低了9.23%、21.54%、24.62%。从上可以看出，劈裂强度的降低程度随着生物油掺量的增加逐渐增大，这可能是由于生物油降低了集料与水泥胶浆之间的粘结强度，降低效果对劈裂强度的影响更大。

b.废旧油脂生物油掺量对干缩系数的影响。

干燥收缩时因为水泥稳定碎石内部含水量的变化而引起整体宏观体积收缩的现象。本文中，养护龄期为7 d，测试时间间隔为2、2、4、4、12、24 h，之后均为24 h一次，直到含水量基本不变为止。试验结果如表6、图2所示。

从图2可以看出，水泥稳定碎石的干缩系数随时间的增加而增加。在同一时间下，生物油改性水泥稳定碎石的干缩系数小于未改性水泥稳定碎石的干缩系数。干缩系数越小意味着干收缩越好，抗裂性越好。从上可以看出，与未改性水泥稳定碎石相比，生物油掺量为3%、5%、7%改性水泥稳定碎石的干缩系数分别降低了8.24%、11.62%、16.47%。分析其原因可能是由于生物油覆盖了集料表面，且与集料结合以抵抗干缩。另一方面，生物油可以有效减少水泥稳定碎石的耗水量，也可以减少其干缩变形。简而言之，生物油可以有效降低水泥稳定碎石的干缩系数，减少水泥稳定碎石干缩裂缝的产生。

表6 生物油改性水泥稳定碎石干缩系数Table 6 Drying shrinkage coefficient of bio-oil modified cement stabilized crushed stone%生物油掺量/%2 h4 h8 h12 h24 h48 h72 h96 h120 h144 h168 h192 h216 h02122628354142465462646668331124273340414552585960625211252632383943485456586072102325303639424650525456

图2 生物油掺量对水泥稳定碎石干缩系数的影响Figure 2 The effect of the content of bio-oil on the shrinkage coefficient of cement stabilized macadam

c.废旧油脂生物油掺量对疲劳寿命的影响。

4点弯曲疲劳试验结果见表7。

从表7中可以看出，在同一应力水平条件下，水泥稳定碎石疲劳寿命变化明显，变异系数最高为14.82%。与未改性水泥稳定碎石相比，生物油改性水泥稳定碎石疲劳寿命有所下降，但是水泥稳定碎石疲劳寿命均随着应力水平的增大而减小。为了进一步分析生物油对水泥稳定碎石疲劳寿命的影响，将疲劳寿命与应力水平放在单对数坐标系中，可以发现疲劳寿命与应力水平之间呈现线性关系。通过式(1)进行疲劳寿命方程拟合，拟合结果见表8和图3。

表7 4点弯曲疲劳试验结果Table 7 Four-point bending fatigue test results生物油掺量应力水平疲劳寿命1234平均疲劳寿命变异系数Cv/%0.3685 125562 103610 685503 685590 399.513.010%0.486 53575 06896 35280 15684 527.7510.850.59 86210 3628 5327 3969 03814.820.68639431130903959.7512.300.3303 456336 541359 541321 459330 249.257.19 3%0.462 53270 35965 23667 51166 409.55.01 0.56 5236 1056 8956 3566 469.755.12 0.6623639573590606.254.97

续表7 4点弯曲疲劳试验结果生物油掺量应力水平疲劳寿命1234平均疲劳寿命变异系数Cv/%0.3252 665209 666227 891233 078230 8257.66 5%0.456 98753 24851 48960 25955 495.757.06 0.55 4985 2365 6825 1365 3884.61 0.6564548596523557.755.480.3195 235198 654204 464186 589196 235.53.81 7%0.454 36552 13558 79849 35653 663.57.43 0.54 9864 7364 5264 1254 593.257.93 0.6495456502468480.254.54

lgNf=a+bσ/S

(1)

式中：Nf为水泥稳定碎石疲劳寿命；a,b为拟合参数；σ为应力水平；S为水泥稳定碎石抗压强度。

图3 水泥稳定碎石疲劳方程拟合曲线Figure 3 Fitting curve of fatigue equation of cement stabilized crushed stone

从表8可以看出，疲劳方程拟合相关系数较高。疲劳方程曲线斜率表示水泥稳定碎石疲劳寿命对应力水平的敏感性，斜率越大，疲劳寿命对应力水平越敏感。从结果可以发现，与未改性水泥稳定碎石疲劳方程相比，生物油改性水泥稳定碎石的疲劳方程的斜率更低，换句话说，生物油改性水泥稳定碎石的疲劳寿命比未改性水泥稳定碎石的疲劳寿命更稳定。荷载作用下所产生的能量是由水泥稳定碎石的弹性变形和塑性变形消耗，水泥稳定碎石基层的能量通过弹性变形进行积累，卸载后将恢复变形且释放累积的能量，试样底部未损坏。如果水泥稳定碎石内部损坏，消耗能量，则会产生塑性变形。在重复加载条件下，底部的损伤逐渐累积，整体强度和剩余疲劳寿命逐渐降低，直到发生疲劳破坏，这种破坏削弱了水泥稳定碎石基层的承载力。基于以上讨论可以发现，生物油改性水泥稳定碎石的变形能力增强，在相同交通荷载作用下，生物油改性水泥稳定碎石可以通过弹性变形消耗更多的能量，而未改性水泥稳定碎石是通过内部损坏消耗更多的能量。在相同的重复荷载作用下，生物油改性水泥稳定碎石的破坏明显小于未改性水泥稳定碎石。因此，生物油改性水泥稳定碎石的抗疲劳开裂性能优于未改性水泥稳定碎石。

表8 水泥稳定碎石疲劳方程拟合结果Table 8 Fitting results of fatigue equation of cement stabi-lized crushed stone生物油掺量/%疲劳方程相关系数0lgNf=8.350 41-10.392 39σ/S0.982 93lgNf=7.890 26-10.066 36σ/S0.955 05lgNf=7.429 69-9.360 9σ/S0.972 77lgNf=7.394 93-9.868 31σ/S0.965 4