水泥稳定再生碎石干缩及疲劳性能研究

张 翯 宋长清 姚 军

（苏州新亿泰建材有限公司，江苏 苏州 215143）

0 引言

我国每年产生的建筑垃圾约24亿吨，资源化利用却仅为1.2亿吨，利用率为5%，远低于欧美国家的90%[1]。近几年我国加大了对建筑垃圾的再利用力度，其中将建筑垃圾破碎成再生骨料应用于道路基层成为了热点。但是再生骨料压碎值大、吸水率高，再生骨料的干缩及疲劳性能变化较大，规律不明显，因此一般的利用率仅为50%[2]。通过掺加纤维可以有效地改善水泥稳定再生碎石的干缩及疲劳性能。因此，本文主要对不同掺量下玄武岩纤维、聚丙烯纤维的水泥稳定再生碎石混合料的干缩及疲劳性能进行了试验研究，分析了变化规律，从而为后续的工程实践提供一定的参考。

1 试验方法

1.1 原材料

（1）骨料。试验再生骨料取自苏州新亿泰建材有限公司，由老旧房屋拆除后经过破碎而成，天然骨料来自安徽兴源，经破碎筛分后，按照粒径范围分为粗、中、细三类，其中再生料粒径为9.5～31.5mm（粗）、4.75～9.5mm（中）、0～4.75mm（细），天然料的粒径为9.5～31.5mm（粗）、4.75～19.0mm（中）、0～4.75mm（细）。对六种再生骨料进行吸水率、压碎值、针片状含量等性能检测，结果如表1。

表1 骨料性能检测结果

（2）水泥。水泥为苏州市售的天山牌P·042.5水泥，依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，对水泥性能指标检测结果如表2。

表2 水泥性能指标

（3）纤维。试验所用的玄武岩纤维和聚丙烯纤维均为市售的标准纤维，其基础性能检测结果见表3。

表3 纤维基础性能检测结果

1.2 配合比设计

（1）再生骨料级配合成。根据JTG/TF20-2015《公路路面基层施工技术细则》中水泥稳定级配碎石的推荐级配C-B-3，将三种再生骨料代替部分天然骨料，搭配天然粗骨料设计水泥稳定碎石基层材料级配，其中再生骨料占总质量的60%。采用的级配为再生细骨料∶再生中骨料∶再生粗骨料∶天然粗骨料=30∶25∶5∶40，合成级配如图1所示。

图1 水泥稳定再生碎石级配设计曲线

（2）击实试验。对设计的级配配比进行击实试验，水泥用量为4.5%，按照标准可以得出此级配下的最大干密度为2.016kg/m3，最佳含水量为6.32%。

1.3 性能测试

试验主要研究不同纤维掺量的水泥稳定再生碎石的干缩及疲劳性能，试件成型、养护和测试方法参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)。水泥稳定再生碎石中玄武岩纤维和聚丙烯纤维的掺量分别为0、3‰、6‰、9‰。疲劳性能试验采用澳大利亚UTM-130型万能试验机，见图2，选取0.7、0.75与0.8三组应力比进行，主要参数设置见表4。

图2 疲劳试验加载示意图

表4 疲劳试验参数设计

2 试验结果与分析

2.1 纤维掺量对干缩性能的影响

水泥稳定再生碎石在水分蒸发和水泥水化两种作用下，水分不断地减少而产生了收缩，干缩试验就是通过测量干缩变化值来反应试件的收缩性。图3和图4表征了单一纤维掺量的干缩量变化规律。

由图3可知，通过与未掺加纤维比较，掺加纤维可以明显改善试件的抗收缩性能，玄武岩掺量为3‰时减少了16%，掺量为6‰时减少了24%，掺量为9‰减少了19%，试件的收缩量在第1d时变化在10µm以下，第2d到5d每日收缩量相对平稳，前3d收缩量占了7d收缩总量的40%。第6d变化较大，第7d时变化微小，纤维掺量的增加与改善试件收缩性能并不成正比，抗收缩性能呈现先上升后下降的规律。掺量为6‰时在第7d的收缩量最小，仅为57µm，抗收缩性能最明显，当掺量9‰时抗收缩性能相比于6‰下降，出现了拐点。图4表现出了和图3相同的规律，掺聚丙烯纤维的试件抗收缩性强于未掺加纤维的试件，随着掺量从0增大到6‰再到9‰，抗收缩性能出现先上升后下降的趋势。两种6‰纤维掺量相比，玄武岩明显优于聚丙烯纤维。

图3 掺玄武岩纤维再生碎石干缩变化图

图4 掺聚丙烯纤维再生碎石干缩变化图

综上分析，水泥稳定再生碎石由于水分蒸发和水泥水化两种作用，混合料的水分会不断地减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用导致材料矿物晶体成凝胶体，而材料层间水及碳化收缩差会导致水稳材料产生体积收缩[3]。随着纤维掺量的增加，试件的抗收缩性并没有不断增大，而是出现了拐点。这是因为纤维具有较大的柔性，而水泥稳定碎石是半刚性材料，适量的纤维可有效减小收缩，但是过多的纤维会使水泥稳定碎石内提供粘结作用的面积减小，收缩增大[4]。

2.2 纤维掺量对疲劳性能的影响

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》T0856-2009，疲劳试验结果见图5和图6。

图5 不同种类水泥稳定再生碎石疲劳次数

从图5中可以看出，8种再生骨料中，在不用的应力比条件下，与全天然骨料试件相比，添加6‰玄武岩纤维的试件抗疲劳次数最高，接近全天然骨料试件，其次是同比例的聚丙烯纤维试件。图6显示，在三种应力比下对比同一类纤维掺量，6‰纤维掺量时，聚丙烯纤维抗疲劳次数均小于玄武岩纤维，0.70、0.75、0.80三种应力比分别下降了5%、3%、3%。随着纤维掺量的增加，6类试件疲劳次数都呈现出了先增大后减小的规律，在纤维掺量为6‰时出现了拐点，表现出了和干缩试验相同的规律。

图6 水泥稳定再生碎石疲劳次数随纤维掺量变化图

综上分析，纤维带有一定的延性，在弯曲破坏过程中，因为纤维的掺入，可以延缓了塑性裂缝的产生，能够在混凝土开裂后起到抑制裂缝发展的作用[5]。但纤维比水泥稳定碎石混合料弹性模量小，受力不同步，影响到均匀性和和其他性能，只有在受到极大应力时才会发挥作用[6]，所以掺量增加性能反而有所下降。

3 结束语

通过对玄武岩纤维和聚丙烯纤维掺量3‰、6‰、9‰的试件进行干缩和疲劳试验，得出掺加纤维可有效改善水泥稳定再生碎石的收缩和抗疲劳性能，尤以掺量为6‰玄武岩纤维改善效果最佳，两种纤维在掺量为6‰时出现拐点，干缩和疲劳特性呈现先上升后下降的趋势。