水泥稳定再生碎石基层材料力学性能试验研究

2021-11-24秦頔

商品与质量 2021年2期

秦頔

恩施自治州华泰交通建设有限公司湖北恩施 445000

1 再生水泥稳定碎石级配设计

现阶段，水泥稳定碎石再生技术比较成熟，常用的方法有厂拌法和路拌法，其中，为满足道路规范要求，需合理设计再生水泥稳定碎石级配。大量研究表明，C-C-2级配具有更广的适用范围，能最大限度保证集料的均匀性和密实性，可适用于大交通量荷载路面；同时C-C-2级配中0.075mm的骨料含量相对较低，不易发生收缩问题，有利于提高再生水泥稳定碎石的抗开裂能力[1]。

2 再生水泥稳定碎石力学性能研究

2.1 劈裂强度

劈裂强度试验，对试件施加侧向压力来模拟行车荷载由路面向下传递的剪切应力。试验首先将试件放置在25±2℃条件下进行养护，测得试件7d、28d劈裂强度，由数据可知，随着RA掺量增加，7d和28d劈裂强度先增加后减少，一定RA掺量能够提高再生水泥稳定混合料的劈裂强度，这是因为再生料中RA表面纹理更粗糙，具有更多棱角，使混合料之间获得更强的嵌挤作用，但当RA掺量过多时，因整体混合料强度不足，新料无法充分形成骨架，导致内部薄弱点过多，劈裂强度下降。

2.2 无侧限抗压强度

制作直径15cm、高15cm的圆柱体抗压试件，放置在25±2℃条件下进行养护，测得试件7d、28d劈裂强度，由数据得知，4种试件7d、28d抗压强度先增大后减小，强度值呈抛物线形，在试件3处表现出最大值，分别为4.48MPa和5.22MPa，均满足规范要求。故掺入适量的RA对再生水泥混合料具有有利作用，这是因为再生料中针片状集料较少，且集料外层水泥砂浆能实现二次放热，提高试件无侧限抗压强度。但随着RA掺量增多，再生水泥稳定碎石整体性能会下降，因此需控制RA掺量，以达到最佳无侧限抗压强度值。

3 原材料及试验方案

3.1 再生骨料（RA）

本文采用的再生骨料是“白改黑”二级公路破碎加工处理得到的骨料，粒径范围为2.36-31.5mm，再生骨料经二次水洗后已去除部分表层水泥砂浆和灰尘。

3.2 天然骨料（NA）

研究采用的天然骨料根据粒径不同，分为粗骨料和细骨料，质地均匀，针片状率低。

3.3 水泥

采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间为3.5h，终凝时间为6h,3d的抗压强度和抗折强度分别不小于18MPa和3.5MPa。

3.4 试验方案

研究采用静压成型的方式成型再生水泥稳定碎石，确定其适宜的配合比的设计方案。为进一步探究再生骨料替代率对水泥稳定碎石基层材料的性能影响，采用的再生骨料掺量分别为0%、20%、40%、60%、80%及100%。研究在确定最佳水泥剂量和水胶比的对照试验组（纯NA水泥稳定碎石）的基础上，通过控制水泥及水胶比不变，调整RA的替代率来探究再生水泥稳定碎石材料的性能变化。主要考察水稳碎石材料的28d无侧限抗压强度、回弹模量、劈裂强度、抗冻性能及疲劳性能[2]。

4 试验结果分析

4.1 无侧限抗压强度

水泥稳定再生碎石材料作为道路基层混凝土，承受着路面荷载对其的直接作用，在交通荷载往复持续的作用下，基层材料易产生裂缝、空洞等问题，直接影响碎石材料的强度等级。

随着再生骨料替代天然骨料的比例增加，水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度逐渐降低。对于天然集料组成水稳碎石，其抗压强度为9.58MPa。当再生骨料的掺量分别为20%、40%、60%、80%和100%时，抗压强度分别为9.24MPa、9.03MPa、8.64MPa、8.17MPa和7.65MPa，较普通水泥稳定碎石材料而言，分别下降了3.55%、5.74%、9.81%、14.72%和20.15%。抗压强度的下降速率呈现先慢后快的趋势。再生骨料是废旧混凝土破碎加工得到的材料，在长期服役过程中混凝土的强度已存在一定劣化，在再生骨料添加初期，水泥水化反应能在骨料表层产生二次加强作用，但对于碎石材料的整体强度而言会略微下降。当再生骨料掺量过多时，稳定碎石材料内部的再生骨料作为主要受力骨架，易产生开裂失稳，也急剧降低水泥稳定碎石材料的抗压强度。

4.2 回弹模量

回弹模量是路基材料应力与应变的比值，可表征基层材料抵抗竖向变形的能力。回弹模量的数值越高，则表明材料抵抗竖向荷载作用的能力越强。随着再生骨料替代天然骨料的比例增加，水泥稳定碎石材料的回弹模量逐渐降低。NA、0.2RA+0.8NA、0.4RA+0.6NA、0.6RA+0.4NA、0.8RA+0.2NA和 RA水泥稳定碎石材料的回弹模量分别为4062MPa、3985MPa、3912MPa、3621MPa、3378MPa、3015MPa。由于不同组合方案的碎石材料均采用了5.2%剂量的水泥，当再生骨料的掺量大于60%时，碎石材料的回弹模量急剧下降，相较于普通碎石材料的回弹模量下降了10.86%；主要原因是再生骨料的过多，使得水泥与再生骨料的融合度不高，水化反应的效果削减。若要使用高掺量的再生骨料用于水稳碎石，则需加强水泥剂量的使用，或使用其他外掺剂材料来综合提升碎石材料性能[3]。

4.3 劈裂强度

劈裂强度是测试水稳碎石材料抵抗开裂性能的评价指标，水泥稳定碎石作为基层材料，在荷载作用下，内部结构易产生开裂和反射裂缝问题。当再生骨料的掺量为40%和80%时，其劈裂强度分别为0.65MPa和0.61MPa，较普通稳定碎石材料分别降低4.41%和10.29%。再生骨料对水稳碎石材料的劈裂强度影响较小，其原因是水稳碎石材料的劈裂强度本身就很小，外力作用下材料会产生一定开裂破坏，但再生骨料稳定碎石材料经养护后具备一定强度等级，轻微的劈裂作用对其影响较小。