掺废旧沥青混合料的水泥稳定基层力学特性研究

赵国民，瞿晟，盛炎民，王宁宁，李书进

（1.中国港湾工程责任有限公司，北京 100027；2.常州工学院 土木建筑工程学院，江苏 常州 213032）

0 引言

由于水泥稳定基层具备良好的整体性和水稳性，已被广泛用于道路的沥青路面基层，且占比已超过全部道路基层结构形式的90%[1-2]。水泥稳定基层铺筑完成后，其前期养护对基层的质量和使用寿命至关重要，养护初期水泥稳定基层水泥水化阶段还未结束，强度并未完全形成，此时若温差过大、材料失水现象严重，会使材料内部干缩和温缩应力过大，导致材料内部产生微裂缝[3-4]，这些微裂缝在行车荷载的作用下会导致道路沥青面层破坏，降低道路的质量，缩短使用寿命。另一方面，沥青路面的翻修会产生大量的废旧沥青混合料。对这些废旧沥青混合料若仅采取抛弃掩埋的处理方式，不仅会侵占大量的土地，而且对周围的环境及水文地质也会造成较大的污染，如何处理和再循环利用这些废旧沥青混合料也成为当前的一个重大工程实际问题[5]。

当前，国内外已有专家学者就沥青混合料用于制备水泥稳定基层这一课题进行了研究，并取得了一系列成果。朱梦良和刘伟[6]通过试验发现，废旧沥青混合料的掺入能够有效改善水泥稳定基层的收缩性能。林通等[7]结合实际工程并进行室内试验发现，在废旧沥青混合料掺量增加的情况下，水泥稳定基层的最大干密度减小，而最佳含水量增大，且掺废旧沥青混合料的水泥稳定基层满足实际工程的使用要求。Ashley[8]对掺废旧沥青混合料水泥稳定基层力学性能进行研究发现，水泥稳定基层无侧限抗压强度会随着废旧沥青混合料掺量的增加而降低。

当前国内外的研究主要集中于废旧沥青混合料掺入对水泥稳定基层力学性能的影响，但关于水泥稳定基层在不同养护条件下的性能研究较少。本文研究了不同水泥、废旧沥青混合料掺量和养护温度对水泥稳定基层无侧限抗压强度和劈裂强度的影响，为相关工程提供一定的数据参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，双峰海螺水泥有限公司生产，其主要技术性能如表1所示。

表1 水泥的主要技术性能

集料：粗集料采用石灰岩碎石，粒径4.75~31.5 mm；细集料采用细度模数为2.4的中砂。集料的主要技术性能如表2所示。

表2 集料的主要技术性能

废旧沥青混合料：主要用作水泥稳定基层的细集料。废旧沥青混合料经铣刨和破碎作用下具备散装颗粒、含粉尘及部分沥青老化等特性，将废旧沥青混合料过4.75 mm筛后备用，其级配组成见表3。

表3 废旧沥青混合料细集料的累计筛余

1.2 试验方案

在不掺废旧沥青混合料的条件下确定水泥的掺量，选择3%、4%、5%、6%、7%和8%共6组水泥掺量（占所有物料总量）进行无侧限抗压强度试验，养护温度为25℃，测试龄期3、7、28 d，从而确定最佳水泥掺量。

在确定水泥掺量的基础上，选择0、5%、10%、15%、20%、25%共6组废旧沥青混合料掺量（占细集料用量），将其掺入水泥稳定基层中成型试件，养护温度为25℃，分别测试在3、7、28 d龄期的无侧限抗压强度，从而确定废旧沥青混合料的最佳掺量。

在确定水泥和废旧沥青混合料掺量的基础上，分别在5、15、25、35、45℃养护后进行无侧限抗压强度和劈裂强度试验，试件的养护龄期为3、7、28 d。

1.3 试验方法

无侧限抗压强度试验：首先按照配比将拌合物拌好，放入Ф15 cm×15 cm的试模中，并采用静压成型法成型试样，然后将试样脱模，并用塑料薄膜包裹放入标准养护室养护，养护24 h最后将试样塑料薄膜去除并浸入水中养护24 h，最后将养护完成的试样取出，去除表面自由水，将试样放在万能试验机上进行试验，控制加载速率为1 mm/min，待试样破坏后结束试验，记录试样的无侧限抗压强度。

劈裂强度试验：试样成型与养护方法与无侧限抗压强度一致，试样尺寸为Ф15 cm×15 cm，将试样放在万能试验机上，安装好劈裂试验夹具，并控制加载速率为1 mm/min进行劈裂强度试验，待试样破坏后结束试验，记录试样的劈裂强度。

2 结果与讨论

2.1 水泥掺量的确定

水泥掺量对水泥稳定基层不同龄期无侧限抗压强度的影响见表4。

表4 水泥掺量对水泥稳定基层无侧限抗压强度的影响

从表4可以看出，随着水泥掺量从3%增加到8%，试样的无侧限抗压强度呈先提高后基本保持稳定的趋势。这是由于在水泥稳定基层的强度主要取决于水泥水化形成的胶凝材料的胶结作用和集料的骨架作用，当水泥掺量从3%增加到6%时，胶结作用在整个强度体系中增强明显，所以水泥稳定基层的强度提高明显；而随着水泥掺量的进一步增加，胶结作用对整个强度体系的影响有限，故导致水泥稳定基层的强度趋于稳定。当水泥掺量为6%时，水泥稳定基层28 d无侧限抗压强度为6.57 MPa，满足基层抗压强度＞4 MPa的要求，后续的试验选择水泥掺量为6%进行。

2.2 废旧沥青混合料掺量的确定

废旧沥青混合料掺量对水泥稳定基层不同龄期无侧限抗压强度的影响见表5。

表5 废旧沥青混合料掺量对水泥稳定基层无侧限抗压强度的影响

从表5可以看出，在不同养护龄期下，随废旧沥青混合料掺量从0增加到25%，试样无侧限抗压强度先提高后降低，这是由于废旧沥青混合料作为细集料掺入到水泥稳定基层时，含有很多沥青成分，这些沥青成分的黏结作用对于水泥水化后胶凝材料的胶结作用是一种补充。当废旧沥青混合料掺量不大时，能明显提高无侧限抗压强度；但当掺量过大时，废旧沥青混合料中沥青成分过多，其软化特性不利于水泥稳定基层无侧限抗压强度的提高，表现为无侧限抗压强度降低。当废旧沥青混合料掺量为15%时，试样的无侧限抗压强度达到最大，后续选择废旧沥青混合料掺量为15%进行试验。

2.3 不同养护温度对水泥稳定基层力学特性的影响

水泥掺量为6%，废旧沥青混合料掺量为15%时，养护温度对水泥稳定基层无侧限抗压强度和劈裂强度的影响见表6。

表6 养护温度对水泥稳定基层无侧限抗压强度和劈裂强度的影响

从表6可以看出：

（1）在养护前期（3~7 d），试件的无侧限抗压强度随着养护温度的升高而提高；在养护后期（28 d），试件的无侧限抗压强度随养护温度的升高呈现先提高后基本保持稳定的趋势。这是由于在养护前期，低温不利于水泥水化反应的进行[9-10]，随着养护温度的升高，养护前期水泥发挥较充分水化反应，有利于强度的提高；而对于28d龄期试件，一般认为试件内部水化反应基本已停止，当养护温度较低时，水化反应不完全，表现为较低的无侧限抗压强度，当养护温度达到25℃或更高时，水化反应完全进行，对于同一配比的试件其强度趋于稳定。

（2）随着养护温度的升高，试件劈裂强度在不同养护龄期下均有不同程度的提高。这是由于随着养护温度的升高，一方面，水泥水化充分进行，胶凝材料的胶结作用增强；另一方面，随着温度的升高，废旧沥青混合料中沥青成分的黏结作用也增强，最终导致试件的劈裂强度提高，水泥稳定基层的抗拉性能得到增强。

3 结论

（1）在水泥水化产生的胶凝材料胶结作用下，水泥稳定基层的无侧限抗压强度随着水泥掺量增加而提高，当水泥掺量超过6%，无侧限抗压强度趋于稳定，当水泥掺量为6%时，试样28d无侧限抗压强度为6.57MPa，满足基层抗压强度＞4MPa的要求，故水泥的最佳掺量为6%。

（2）由于废旧沥青混合料中的沥青成分的黏结特性和软化特性，在不同的养护龄期下，随废旧沥青混合料掺量的增加，试样的无侧限抗压强度先提高后降低，废旧沥青混合料的最佳掺量为15%。

（3）由于温度对水泥水化反应有一定影响，随着养护温度的升高，试件前期的无侧限抗压强度提高，但随着水化反应最终结束，试件的28 d抗压强度随养护温度升高呈现先提高后趋于稳定的趋势；随着养护温度的升高，废旧沥青混合料中沥青成分的黏结作用增强，使不同龄期试件的劈裂强度都呈现提高的趋势。