寒区再生集料水泥稳定碎石路基的力学和温缩性能

2022-06-14张立群张学峰崔宏环

冰川冻土 2022年2期

张立群，张学峰，崔宏环

（1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北张家口075000； 2.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口075000）

0 引言

水泥稳定碎石材料铺建的道路基层有强度高、刚度大、耐久性好的优点，但易受环境因素的影响，产生结构上的损坏。尤其在寒冷地区，昼夜温差、年温差较大，极易受到温缩变形影响，进而发展为反射裂缝，影响道路运行。所以，亟须改善道路因温度收缩变形造成的破坏。

废旧沥青混合料（reclaimed asphalt pavement，RAP）和铁尾矿砂（iron tailing sand，ITS）均为固体废物，其中RAP 是道路修缮、改建过程中产生的废弃物，ITS 是选矿后的产物。RAP 方面，中国每年修缮约12%的路面，产生大量沥青混合料［1］；ITS 方面，每年产生尾矿5 亿吨以上［2］。这些废弃物通常采用露天堆放和填埋的方式处理，在占用大量土地的同时，又污染了自然环境。因此，这两种废弃物资源化利用问题亟待解决，国内外许多学者为此做了大量的研究工作。RAP 通常处理方法是破碎、筛分成不同粒径的再生集料，应用于道路面层［3-6］或道路基层［7-9］。张东省等［10］将RAP 的细颗粒添加到水泥稳定碎石中后，材料的强度和抗裂性能均有所提高；冯德成等［11］对水泥稳定RAP 的劈裂性能研究发现，材料的劈裂强度、峰值应变随RAP 掺量的增加先增大后减小；薛勇刚等［12］发现，向水泥稳定碎石中掺入大比例的废旧沥青混合料仍能够满足道路基层的强度要求，并且具有良好的水稳定性和抗冻性；王学武［13］发现，由于沥青的黏弹性和应力松弛作用，RAP 含量的增加有利于干缩性能。而ITS 本身颗粒大多处于2 mm 以下，可以直接代替混凝土中的细砂，并且优于普通混凝土的强度［14-16］。有研究指出，直接固化ITS掺量5.5%的水泥也可满足道路基层的强度要求［17］。

综合以上进展发现，对ITS 和RAP 的研究主要集中在力学方面，对温度收缩的研究以及在混合料中同时添加二者的研究较少。本试验场地处于寒冷地区，选取不同比例的RAP 和ITS 掺加到水泥稳定碎石中，进行无侧限抗压试验、弯拉试验和温缩试验，分析RAP 和ITS 的掺入比对水泥稳定碎石强度和温缩性能的影响规律，为以后的工程应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 原材料

天然集料为玄武岩，RAP 由张家口市公路破碎得到，ITS 在张家口矿山上直接取得，其物理指标见表1～2。

表1 粗集料的物理指标Table 1 Physical indexes of coarse aggregate

1.2 配合比设计

按一定质量比例的再生集料代替天然集料进行水泥稳定碎石级配设计，RAP 掺量为0、25%、40%、55%、70%、100%，ITS 掺量为0、30%、45%、60%、90%。为了研究ITS 和RAP 掺量变化对水泥稳定碎石路用性能的影响，顾万等［18］、黄孙科［19］指出RAP 掺量在20%～30%时，水泥稳定碎石有较好的路用性能，因此在ITS掺量变化时，RAP掺量固定在25%。崔孝炜等［20］发现ITS 掺量在50%～75%时，混凝土有较好的路用性能，所以RAP 掺量变化时，ITS 掺量固定在60%。根据规范［21］推荐的级配范围进行组成设计，设计结果见表3。通过重型击实试验确定不同类型混合料的最大干密度和最佳含水量，如表4所示。对于不同类型混合料统一采用5%的水泥掺量。

表2 细集料的物理指标Table 2 Physical indexes of fine aggregate

表3 再生集料的设计级配Table 3 Design gradation of recycled aggregate

表4 击实试验结果Table 4 Compaction test results

1.3 试验方法

试验采用7 d无侧限抗压强度试验、90 d弯拉试验和温缩试验来评价水泥稳定碎石的力学性能和温缩性能。依据规范［21］中高速公路基层压实标准，试件采用98%的压实度。将养护完成后的试件进行力学试验和温缩试验，其中7 d 无侧限抗压试验试件为150 mm×150 mm圆柱形试件，弯拉试验和温缩试验试件为100 mm×100 mm×400 mm 中梁试件。无侧限抗压试验和弯拉试验加载速率分别为1 mm·min-1和50 mm·min-1；温缩试验采用应变片法，温度区间为-20～40 ℃，设定6 个级别，每个级别温度差为10 ℃，降温速率0.5 ℃·min-1，恒温3 h。由文献［22］可知，在经历3次温度循环后，温缩特性变化规律已趋于稳定。因此，本文设计进行5次温度循环，温缩应变等试验数据由计算机自动采集，试验过程如图1所示。温缩试验中温缩系数按下式计算。

图1 试验过程Fig. 1 Test process：unconfined compressive test（a），flexural-tensile test（b）and temperature shrinkage test（c）

式中：αt为温缩系数；ti、ti-1为2 个相邻恒温段的温度值；εi、εi-1分别为温度ti、ti-1对应的温缩应变；βs为温度补偿标准件的线膨胀系数。

2 强度试验结果

2.1 ITS掺量对强度的影响

由图2 可知，无侧限抗压强度随着ITS 掺量的增加先增大后减小，掺量在60%时达到最大值，比未掺ITS 的水泥稳定碎石强度高了0.87 MPa，且均大于5 MPa，满足高速公路道路基层的规定；弯拉强度随ITS 掺量增加也呈现相似的现象，在掺量45%时得到最大值。即说明ITS 替代水泥稳定碎石中细砂后，不仅提高了材料的强度，也进一步提高了材料的抗裂性能。因为水泥发生了水解和水化反应，生成水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙和水化硫铝酸钙晶体，致使孔隙水pH 值上升，自由Ca（OH）2增加［23］。铁尾矿中SiO2和Al2O3成分比例在60%以上［24］，较高的pH 值和Ca（OH）2浓度会使铁尾矿中的SiO2和Al2O3溶解，并使他们与Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石等水化产物，进一步增大了水泥稳定碎石整体性。

图2 ITS掺量对强度的影响Fig. 2 Effect of ITS content on strength

2.2 RAP掺量对强度的影响

由图3 可知，水泥稳定碎石抗压强度随着RAP掺量的增加逐渐降低，但也均大于5 MPa，满足高速公路路基强度要求。而水泥稳定碎石的弯拉强度随RAP 掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，在掺量70%达到最大值，比掺量25%的水泥稳定碎石强度增加了0.26 MPa。废旧沥青混合料集料表面被沥青膜包裹，故形成矿料与水泥石间的过渡层，使得水泥石的胶结强度降低，致使导致抗压强度降低。沥青作为一种黏弹性材料，包裹住集料后，使集料与集料之间有了一定的抗拉性能，因此RAP 的增加会增大材料的弯拉强度。

图3 RAP掺量对强度的影响Fig. 3 Effect of RAP content on strength

3 温缩试验结果

3.1 ITS掺量对温缩性能的影响

3.1.1 温缩应变随温度的变化

为了研究水泥稳定碎石的温缩性能，本试验进行了5 次温度循环，以模拟季节冻土区温度的往复变化。如图4 所示，掺ITS 的水泥稳定碎石温缩应变随着时间的增加呈现震荡型变化规律，即温缩应变随着时间的增加相应地往复变化，并且图像的尖点即温缩应变的最大值和最小值随着时间的增长逐渐增大。当试验进行到第3 次温度循环后，温缩数据呈现出明显规律，其后发展与此次类似，因此选取第3次温度循环下的降温阶段进行研究。如图5所示，掺ITS的水泥稳定碎石随着温度降低温缩应变逐渐增大，其中ITS 掺量60%和90%的水泥稳定碎石温缩应变增长速度比较显著，在温度降到10 ℃后，温缩应变明显大于其他掺量水泥稳定碎石。水泥稳定碎石的温缩应变随着ITS 掺量的增加逐渐增大，其中只有ITS30 的温缩应变小于ITS0。铁尾矿中的SiO2和Al2O3等成分可以继续与水泥发生水化反应，进一步增加了水泥稳定碎石的胶凝物质［16，25］，且刘章［26］指出水泥稳定材料中胶凝材料的温度收缩性大约是固相颗粒的2～3 倍，因此随着ITS 掺量增加水泥稳定碎石温缩应变会逐渐增大。

图4 掺ITS的水泥稳定碎石（RAP=25%）温缩应变随时间的变化Fig. 4 Variation of temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with ITS（RAP=25%）with time

图5 掺ITS的水泥稳定碎石（RAP=25%）温缩应变随温度的变化Fig. 5 Variation of temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with ITS（RAP=25%）with temperature

3.1.2 温缩应变随温度循环次数的变化

如图6 所示，掺ITS 的水泥稳定碎石在升温和降温阶段累计温缩应变随循环次数变化趋势基本一致，ITS0 和ITS30 累计温缩应变随着温度循环次数的增加而增加，并且逐渐趋近ITS45，在最后一次温度循环时，ITS0 和ITS30 累计温缩应变为ITS45的89.2%和91.3%，ITS60和ITS90累计温缩应变随着温度循环次数的增加逐渐减小并稳定在某一数值，并且远大于ITS45 累计温缩应变。再者ITS45累计温缩应变随着循环次数的增加基本不变，所以ITS45有较好的温缩性能。

3.1.3 温缩系数随温度的变化

温缩系数可以反映出材料对温度变化的敏感性，图7 为第3 次温度循环下变化趋势图，掺ITS 水泥稳定碎石的温缩系数随温度区间变化规律呈“V”字形分布，在温度区间-10～40 ℃温缩系数逐渐减小，在温度区间-20～-10 ℃温缩系数逐渐增大。即在温度区间-20～-10 ℃、30～40 ℃材料对温度变化的敏感性较大，在温度区间-10～0 ℃敏感性最小，由图6 得知ITS 掺量45%时水泥稳定碎石温缩性能较好，结合图7 发现，ITS45 在-10～20 ℃温度范围内温缩系数较小，且如今施工技术可以在负温下施工［27］，所以施工温度在-10～20 ℃较为适宜。

图6 掺ITS的水泥稳定碎石（RAP=25%）累计温缩应变随温度循环次数的变化Fig. 6 Variation of cumulative temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with ITS（RAP=25%）with number of temperature cycles：cooling stage（a）and heating stage（b）

图7 掺ITS的水泥稳定碎石（RAP=25%）温缩系数随温度区间的变化Fig. 7 Variation of temperature shrinkage coefficient of cement stabilized macadam mixed with ITS（RAP=25%）with temperature range

以上结果产生的原因，温度降低后水泥稳定碎石孔隙水的分子热运动减弱，液体分子之间距离减小，相互吸引力增大，表面张力也相应增大，在表面张力的作用下，液体表面积减小，进而使毛细管内径减小，从而试件体积收缩［28-29］。初始降温时，表面张力较大，此时温缩变形和温缩系数较大，随着温度降低表面张力比初始降温时有所减小，温缩系数也逐渐减小；当温度下降到0 ℃以下时，水分子开始转化为冰晶态，水分子热运动快速减小，表面张力随之快速增大，但在-10～0 ℃时孔隙中大部分自由水和弱结合水开始结冰膨胀，抵消了部分收缩变形，所以此时温缩系数继续减小，当温度-20～-10 ℃时仅有部分弱结合水开始结冰膨胀，此时产生的膨胀变形远远小于表面张力引起的收缩变形，所以此时温缩系数开始迅速增长。

3.1.4 温缩系数随温度循环次数的变化

为了更好地说明温缩性能随温度循环变化的问题，这里引入平均温缩系数概念，平均温缩系数是求出每个温度区段内的温缩系数，然后再取其平均值。如图8 所示，不同ITS 掺量的水泥稳定碎石的平均温缩系数随着循环次数的增加呈现不同的规律，ITS0 和ITS30 的平均温缩系数随着循环次数的增加逐渐增大，即随着循环次数的增加对温度变化的敏感性越强，在第5 次循环时平均温缩系数分别比第1 次的大0.70×10-6℃-1和1.28×10-6℃-1，ITS60 和ITS90 的平均温缩系数随着循环次数的增加逐渐减小，但仍远远大于ITS0、ITS30 和ITS45 的平均温缩系数。其中ITS45的温缩系数基本不受温度循环的影响，稳定在9.0×10-6℃-1左右。

图8 掺ITS的水泥稳定碎石（RAP=25%）温缩系数随温度循环次数的变化Fig. 8 Variation of temperature shrinkage coefficient of cement stabilized macadam mixed with ITS（RAP=25%）with number of temperature cycles

3.2 RAP掺量对温缩性能的影响

3.2.1 温缩应变随温度的变化

掺RAP的水泥稳定碎石温缩试验也进行了5次温度循环，温缩应变随时间的变化规律与掺ITS 水泥稳定碎石一致，如图9所示，图像中的尖点均随着时间的增加逐渐增加。为了便于比较，也取第3 次温度循环下降温过程中温缩应变。如图10所示，掺RAP 的水泥稳定碎石温缩应变均随温度的降低逐渐增大，增长速度随掺量的增加有所不同，RAP25温缩应变随温度降低增长较快，而RAP70 和RAP100温缩应变随温度降低增长较慢，当在-20 ℃时RAP70 和RAP100 温缩应变仅为RAP25 温缩应变的66.0%和66.9%。RAP 是一种黏弹性材料，抵抗变形能力较强，并且RAP 因为破碎和老化的过程中产生较多的孔隙，材料中空隙率越高，热传导率也就越大，混合料受温度影响也就越小［30］，所以掺RAP 的水泥稳定碎石温缩应变随RAP 掺量增加而减小。

图9 掺RAP的水泥稳定碎石（ITS=60%）温缩应变随时间的变化Fig. 9 Variation of temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with RAP（ITS=60%）with time

图10 掺RAP的水泥稳定碎石（ITS=60%）温缩应变随温度的变化Fig. 10 Variation of temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with RAP（ITS=60%）with temperature

3.2.2 温缩应变随温度循环次数的变化

如图11所示，掺RAP的水泥稳定碎石的累计温缩应变在升温阶段和降温阶段随着循环次数的增加有相同的变化趋势，RAP 掺量在25%、40%、55%、100%时，掺RAP 的水泥稳定碎石累计温缩应变随着循环次数的增加而增大，RAP 掺量在70%时，则呈现相反的变化趋势；升温阶段累计温缩应变的变化速率明显大于降温阶段时的变化速率，其中第3～4次温度循环时体现得最为明显，在RAP 掺量25%、40%、55%、70%、100%时升温阶段累计温缩应变分别大于降温阶段的4%、9%、7%、2%、9%。在升温和降温阶段，掺RAP 的水泥稳定碎石的累计温缩应变均随着RAP 掺量的增加逐渐减小，降温阶段时RAP70 和RAP90 的累计温缩应变仅为RAP25 累计温缩应变的53.8%和64.2%。并且RAP70 累计温缩应变随循环次数增加而减小，因此RAP 掺量为70%时，表现出良好的温缩性能。

3.2.3 温缩系数随温度的变化

图12为第3 次温度循环下温缩系数随温度的变化趋势图，RAP 掺量为25%的水泥稳定碎石温缩系数随温度降低呈现“V”字形变化，而其他RAP 掺量的水泥稳定碎石温缩系数随温度变化呈现山谷型，即两端温度区间温缩系数变化显著，中间温度区间温缩系数无明显变化。由图11得知，RAP掺量为70%时有较好的温缩性能，且RAP70 温缩系数在-10～30 ℃温度范围内较小，因此RAP70适宜的温度范围是-10～30 ℃，比ITS45 有更广的施工温度。掺RAP 的水泥稳定碎石温缩系数随温度变化规律的原因与掺ITS 的水泥稳定碎石的结果类似，表面张力随着温度降低逐渐减小，温缩系数也随之减小，降到0 ℃以下后由于结冰后的膨胀，试件温缩系数继续减小，在-20～-10 ℃时，试件里的自由水大大减少，此时产生的膨胀变形远远小于表面张力引起的收缩变形，所以此时温缩系数开始迅速增长。

图11 掺RAP的水泥稳定碎石（ITS=60%）累计温缩应变随温度循环次数的变化Fig. 11 Variation of cumulative temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with RAP（ITS=60%）with number of temperature cycles：cooling stage（a）and heating stage（b）

图12 掺RAP的水泥稳定碎石（ITS=60%）温缩系数随温度区间的变化Fig. 12 Variation of temperature shrinkage coefficient of cement stabilized macadam mixed with RAP（ITS=60%）with temperature range

3.2.4 温缩系数随温度循环次数的变化

如图13所示，水泥稳定碎石的平均温缩系数随着RAP 掺量增加逐渐减小，其中RAP70 和RAP100平均温缩系数在第5 次温度循环时仅为RAP25 的76.8%和89.1%。RAP70 的平均温缩系数随着循环次数的增加逐渐减小，在第5 次温度循环时平均温缩应变比初始时小0.06×10-6℃-1，且明显小于其他掺量的水泥稳定碎石。而RAP25、RAP40、RAP55、RAP100 平均温缩系数随着循环次数的增加先减小后增大，在第2 次温度循环时平均温缩系数最小，在最后1次温度循环时平均温缩系数比第2次温度循环平均温缩系数分别增长了0.3×10-6℃-1、0.45×10-6℃-1、0.65×10-6℃-1、0.54×10-6℃-1。

图13 掺RAP的水泥稳定碎石（ITS=60%）温缩系数随温度循环次数的变化Fig. 13 Variation of temperature shrinkage coefficient of cement stabilized macadam mixed with RAP（ITS=60%）with number of temperature cycles