掺RAP和铁尾矿砂的水泥稳定碎石受力特性试验研究

2022-03-06张立群崔宏环张学峰王晟华

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2022年6期

张立群，周辉，崔宏环，张学峰，王晟华

（1. 河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000；2. 河北省高校绿色建材与建筑改造应用技术研发中心，河北张家口 075000；3. 河北省装配式建造与地下工程技术创新中心，河北张家口 075000）

0 引言

近年来，中国城市建设发展十分迅速，房屋建设、道路翻修、矿产的开采都会产生大量的固体废弃物，如再生沥青混合料（RAP）和铁尾矿砂等.RAP是将旧沥青路面经过翻挖、回收、破碎、筛分后可以再生利用的一种固体废弃物[1]，铁尾矿砂是矿选后固体废弃物[2].大量的RAP和铁尾矿砂的堆积，不但占用土地而且对周围环境造成污染，RAP和铁尾矿砂的消耗亟待解决.

水泥稳定碎石是一种很好的道路基层材料，若将RAP和铁尾矿砂替代水泥稳定碎石中部分的天然集料，能减少天然集料的使用，具有较好的社会效益和环境效益.中国对RAP和铁尾矿砂作为道路基层材料做了很多研究.文献[3]、文献[4]对掺有RAP的水泥稳定碎石的路用性能进行了研究，表明大量RAP的掺加使混合料各项性能有所削弱，水泥质量掺量5%、RAP质量掺量60%配合，混合料强度为3.98 MPa，能满足公路基层强度要求.文献[5]～文献[8]对铁尾矿砂水泥稳定碎石进行的研究表明，水泥质量掺量4%与铁尾矿砂质量掺量20%配合，混合料的各项性能均达到最佳，并对铁尾矿砂水泥稳定碎石强度性能机理进行了分析.文献[9]分析了6种不同基层材料的抗压应力-应变全曲线，并从应变能密度的角度对水稳碎石基层材料的路用性能进行了评价.文献[10]分析掺RAP的水泥稳定碎石的劈裂特性，揭示了RAP掺量对水稳碎石基层材料劈裂应变能密度和脆性指数的影响规律.文献[11]、文献[12]在混凝土中分别掺加了铁尾矿砂和再生轻骨料，并对其抗压应力-应变特性进行了研究.文献[13]分析了水泥掺量对水泥土的抗压应力应变特性的影响.

应力-应变全曲线是力学特性的综合反应，是受力和变形的主要依据.本文对掺RAP和铁尾矿砂的水泥稳定碎石进行单轴抗压强度试验，分析水泥、RAP和铁尾矿砂掺量对水泥稳定碎石的峰值应力、峰值应变、模量、应变能密度和脆性指数的影响规律，揭示混合料应力-应变全曲线和变形模量-应变全曲线的变化规律，扩大掺有二元固体废弃物水泥稳定碎石的研究内容，为RAP和铁尾矿砂综合再生利用的研究和工程应用提供参考.

1 原材料及其技术指标

水泥采用标号为P.O42.5的硅酸盐水泥，RAP为张家口市公路改造扩建中废旧沥青铣刨料，铁尾矿砂由宣化钢铁集团有限公司提供，碎石和天然河砂均为自张家口当地石料厂生产的优质石料，试验用水为自来水.原材料的基本技术指标见表1、表2.粗集料包括天然碎石和RAP，细集料包括天然河砂和铁尾矿砂.

表1 粗集料主要技术指标Tab.1 main technical indicators of coarse aggregate

表2 细集料的主要技术指标Tab.2 main technical indicators of fine aggregate

2 试验方案

2.1 混合料级配

水稳碎石基层材料的设计级配见表3，级配上、下限依据文献[14]中基层要求确定.

表3 设计级配Tab.3 design grading

2.2 试验设计

本文将RAP替换部分1.18～19 mm天然集料，铁尾矿砂替换部分0～1.18 mm天然河砂.水泥掺量在3%～6%（质量分数，下同），设置3种水泥掺量，分别为3%、4.5%和6%.RAP和铁尾矿砂的掺量范围均为0%～100%（质量分数，下同），RAP设置5种掺量，分别为0%、25%、50%、75%和100%（质量分数，下同）.铁尾矿砂设置3种掺量，分别为0%、50%和100%（质量分数，下同）.水稳碎石基层材料共有17组配比，见表4.

表4 水稳碎石基层材料配合比Tab.4 mixing ratio of cement stabilized macadam base materials

2.3 实验方法及试件的制备

对17组配合比的集料进行击实试验和7 d无侧限抗压强度试验.采用静压法制作直径和高度均为150 mm的圆柱体试件，在标准养护室养护6 d后，将试件放在恒温水箱里浸水24 h后进行7 d抗压强度试验；为保证每个平行件相同，所有集料在制件前均要经过筛分，并按设计级配进行配料，每组配合比制作13个件.

3 结果与分析

3.1 应力-应变全曲线和变形模量-应变全曲线

图1为应力-应变全曲线和变形模量-应变全曲线.应力-应变全曲线反映了试件各个受力阶段的变形特点和破坏过程.由图1可知，掺RAP和铁尾矿砂的水泥稳定碎石的全应力-应变全曲线OABCDE可以分为五个阶段：①压密阶段（弧OA），试件刚开始受压时，试件内部颗粒间的空隙减小，试件逐渐被压密.②弹性阶段（弧AB），AB段的曲线近似一条斜直线，整个受力过程试件内部没有发生损伤.③弹塑性变形阶段（弧BC），试件发生弹塑性变形，试件内部发生损伤，到达点C时应力值达到最大，点C的应力为峰值应力，ε0为峰值应变.④应力衰减阶段（弧CD），曲线呈现应变软化型，应变变化很小，但应力下降速度很快.⑤残余应力阶段（弧DE），随着应变的增长，应力下降速度减慢，最后会稳定到一个数值，此时的应力称为残余应力.

图1 应力-应变曲线和变形模量-应变曲线Fig.1 full stress and strain and Whole deformation modulus and strain

变形模量为应力与应变的比值.由图1可知，变形模量-应变全曲线呈现先下降后上升再下降的趋势（弧O′AB′C′D′）.由于开始加载，应力逐渐增大而应变很小，导致开始阶段变形模量很大，记为EM.随着加载继续，变形模量减小，试件逐渐密实，弧O′A为压密阶段，到达点A时试件的密实度达到最大.弧AB′是弹性变形阶段，随着加载的继续变形模量增大，到达点B′时变形模量最大，为初始弹性模量，记为E0.弧B′C′是损伤阶段，随着加载继续，材料内部出现裂纹，试件内部出现损伤，变形模量逐渐减小，当应力达到峰值应力时，试件发生破坏，点C′对应的模量为割线模量，记为EP.弧C′D′为破坏后阶段，试件破坏后，随着加载继续，试件内部损伤不断增大，变形模量逐渐减小，最后趋近于0.

3.2 试件的破坏过程及形态

为进一步了解水稳碎石基层材料在单轴受压情况下的破坏形态，通过录像形式对试件的整个受压过程进行了记录，试件破坏过程见图2.

图2 试件受压破坏过程Fig.2 compression failure process of specimen

图2 （a）为试件的压密阶段，当压力机向试件施加载荷时，试件内部的空隙在逐渐减小，试件逐渐地被压密，压力机读数变化不大，试件表面没有明显的变化；图2（b）为试件的弹塑性阶段，随着加载的继续，压密后试件的内部开始产生损伤，且损伤程度在不断增大，试件的侧面出现了多处细小的裂缝，裂缝不断延长、扩展，压力机读数呈线性增长；图2（c）为试件的破坏阶段，由于载荷的增加，水稳碎石基层材料内部损伤不断增大，试件侧面的裂缝不断扩大、纵向裂缝贯通，压力机度数基本稳定在一个数值，此时的应力就是试件的峰值应力，试件发生破坏，且试件的中间部分直径增大，呈现鼓状形式；图2（d）为试件的破坏后阶段，试件到达最大承载力时，继续加载压力机的读数快速下降，试件表面裂缝彻底贯穿，同时会有胶结物脱落，试件彻底被压坏.通过观察17组不同配比试件的单轴受压情况，发现不同配比试件的单轴受压破坏过程和形态均相似.

3.3 应力-应变特性分析

根据表4设计的17组配合比制作试件，进行击实试验和单轴抗压强度试验，结果见表5.根据试验数据绘制水泥、RAP和铁尾矿砂掺量对应力-应变曲线影响关系图，见图3.

图3 各因素掺量对应力-应变的影响Fig.3 influence of various factors on the stress-strain curve

表5 试验结果Tab.5 test results

续表5

由图3（a）可知，水泥掺量和峰值应力呈正相关，与峰值应变呈负相关，水泥掺量6%的峰值应力比3%和4.5%的峰值应力分别提高了114.9%和39.4%，峰值应变分别降低了15.0%和4.4%，且水泥掺量越大，水稳碎石基层材料应力-应变全曲线的下降段就越陡.这是因为水泥占比越大，骨料间的胶结能力越大，生成的水化产物越多，试件内部的空隙逐级被水化产物所填充，试件更加密实，导致试件的峰值应力增大；试件密实度越大，材料的变形就越小，导致峰值应变减小；应力越大应变越小，材料越容易发生脆性破坏，导致应力-应变全曲线的下降段就变陡.

由图3（b）可知，RAP掺量和铁尾矿砂掺量与峰值应力均呈负相关， RAP掺量50%时，铁尾矿砂掺量100%对应的峰值应力比掺量50%和掺量0%的峰值应力分别降低了7.7%和10.6%；铁尾矿砂掺量50%时，RAP掺量100%对应的峰值应力比75%、50%、25%和0%的峰值应力分别降低了24.7%、28.2%、32.9%和36.2%.这是因为RAP骨料的强度低于天然集料的强度，且RAP表面由沥青包裹住，沥青吸水性较弱，与水泥的水化反应减弱，骨料间的胶结力减小，导致峰值应力减小；铁尾矿砂颗粒较细，单位面积下的水泥量减少，使水泥水化作用减弱，导致水稳碎石基层材料的峰值应力降低.

由图3（c）可知，RAP掺量和铁尾矿砂掺量与峰值应变均呈正相关. RAP掺量50%时，铁尾矿砂掺量100%对应的峰值应变比50%和0%的峰值应变分别提高了9.3%和16.2%；铁尾矿砂掺量50%时，RAP掺量100%对应的峰值应变比75%、50%、25%和0%的峰值应变分别提高了4.8%、9.8%、20.5%和22.6%.这是因为RAP和铁尾矿砂掺量的增加，均会降低水泥的水化作用，使生成的水化产物减少，试件内部的微小空隙不能被充分填充，导致试件受压时变形增大.

3.4 模量分析

图4为水泥、RAP和铁尾矿砂掺量对水稳碎石基层材料的初始弹性模量和割线模量影响关系.由图4（a）可知，随着水泥掺量增加，水稳碎石基层材料的初始弹性模量和割线模量均增大，水泥掺量6%的初始弹性模量比3%和4.5%的初始弹性模量分别提高了92.0%和56.3%，割线模量分别提高了83.1%和33.7%.说明水泥掺量的增加，水化产物增加，试件更加密实，水稳碎石基层材料抵抗变形的能力增大.

由图4（b）和图4（c）可知，RAP和铁尾矿掺量均与初始弹性模量和割线模量呈负相关，图4（b）中，RAP掺量50%时，铁尾矿砂掺量100%的初始弹性模量比0%和50%的初始弹性模量分别降低了12.6%和21.9%，割线模量分别降低了15.3%和22.1%；铁尾矿砂掺量50%时，RAP掺量100%对应的初始弹性模量比75%、50%、25%和0%的初始弹性模分别降低了24.2%、29.9%、38.8%和46.9%，割线模量分别降低了23.4%、29.2%、38.9%和47.3%.表明随着RAP和铁尾矿砂掺量的增加，水稳碎石基层材料抵抗变形的能力减弱.

图4 各因素掺量对模量影响Fig.4 influence of various factors on the modulus

3.5 应变能密度和脆性指数分析

应变能密度为材料加载时试件损伤、破坏和完全失去承载能力所需要的能量.图5为应力-应变全曲线中应变能密度所占面积示意.

图5 应力应变全曲线中应变能密度所占面积示意Fig.5 schematic diagram of the area occupied by the strain energy density in the full stress-strain curve

脆性是指试件在外力作用下发生很小的变形就发生破坏和失去承载能力的特性.根据文献[15]中脆性指数为BC=Ud/Ue，脆性指数越大材料的韧性越小，在破坏后释放的能量越剧烈.Ud为耗散应变能，即OAB所围成的面积，Ue为可释放弹性应变能，即ABC围成的面积，直线AB是以点B为起点，以初始弹性模量E0为斜率的直线，该直线与水平轴相交于点A.峰值应变能密度U0为Ud和Ue围成的面积之和，即OBC所围成的扇形面积，表示水稳碎石基层材料单轴受压破坏时需要的能量.U1为极限应变能密度，即OBD所围成的面积，表示水稳碎石基层材料完全失去承载能力时所要的能量.

图6为各因素掺量对峰值应变能密度、极限应变能密度和脆性指数的影响关系.由图6（a）和图6（d）可知，随着水泥掺量增大，峰值应变能密度、极限应变能密度和脆性指数均呈现增大的趋势.水泥掺量6%时的峰值应变能密度比3%和4.5%的峰值应变能密度提升了68.7%和31.9%，极限应变能密度提升了49.3%和36.2%，脆性指数提升了77.9%和36.7%.主要是因为水泥掺量越大，水稳碎石基层材料力学性能越好，骨料之间的粘结力越强，试件破坏需要更多能量，同时脆性增加.

由图6（b）、图6（c）和图6（d）为RAP掺量和铁尾矿砂掺量对峰值应变能密度、极限应变能密度和脆性指数影响关系，可知RAP掺量和铁尾矿砂掺量与峰值应变能密度、极限应变能密度和脆性指数均呈负相关，50%RAP掺量下，100%铁尾矿砂的峰值应变能密度比50%和0%铁尾矿砂掺量峰值应变能密度分别下降了21.5%和77.9%，极限应变能密度分别下降了18.8%和40.1%，脆性指数分别降低了6.8%和10.7%.在50%铁尾矿砂掺量下，100%RAP的峰值应变能密度比75%、50%、25%和0%的峰值应变能密度分别下降了7.5%、3.3%、7.9%和10.5%，极限应变能密度分别下降了7.2%、8.6%、12.9%和14.9%，脆性指数分别下降了6.9%、9.3%、16.2%和17.4%.

图6 各因素掺量对应变能密度和脆性指数影响Fig.6 influence of various factors on the variable energy density and brittleness index

产生上述现象的原因是RAP骨料性能小于天然集料性能，RAP掺入后混合料破坏所需要的能量必然减小，脆性指数的影响与材料的损伤过程有关，试件受压时发生损伤，产生纵向裂缝，随着加载继续裂缝不断扩展，出现应力集中现象，应力集中越明显，脆性越大，RAP模量低于天然集料模量，RAP的增加有利于减缓集料内部的应力集中现象，从而脆性指数降低，水稳碎石基层材料的韧性提高.而铁尾矿砂掺量增加使水泥水化作用减弱，导致材料性能降低，水稳碎石基层材料破坏所需要的能力降低，脆性指数减小.

3.6 RAP和铁尾矿砂掺量交互作用分析

为进一步揭示RAP和铁尾矿砂之间的交互作用对控制指标的影响，根据试验结果对峰值应力、峰值应变、模量、峰值应变能密度、极限应变能密度、脆性指数进行二因素方差分析，分析结果见表6.由表6可知，单因素B和C所对应的σ、ε、EP、E0、U0、U1、BC的p值均小于显著水平0.05，而B*C所对应σ、ε、EP、E0、U0、U1、BC的p值均大于显著水平0.05，表明RAP掺量和铁尾矿砂掺量对峰值应力、峰值应变、模量、峰值应变能密度、极限应变能密度、脆性指数的影响显著，而RAP和铁尾矿砂的交互作用对峰值应力、峰值应变、模量、峰值应变能密度、极限应变能密度和脆性指数的影响均不显著，这是因为RAP和铁尾矿砂之间并不会发生反应.