双掺再生水泥稳定碎石干缩性能研究

张立群，张学峰，崔宏环，任忠钊

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

0 引言

我国道路基层为了满足结构强度和稳定性的要求，通常采用强度高、刚度高、板结性能好的水泥稳定碎石和石灰粉煤灰稳定碎石等材料[1]，但该材料抗变形能力较差，在湿度和温度变化后容易产生收缩裂缝，并在开裂中引起应力集中，进而沿着面层底部向上扩展为反射裂缝[2-4]，破坏道路的整体性和连续性，影响路面结构的使用性能和服务水平。道路在修建初期主要是以干燥收缩为主[5-6]，尤其是在干燥少雨的冀西北地区，因此本文主要研究道路的干燥收缩性能(以下简称干缩性能)。

废旧沥青混合料(Recycle Asphalt Pavement，RAP)是道路修建和改造过程中产生的固体废料，我国每年有大量的道路需要改建和维修，因此会产生大量的RAP，但我国RAP利用率不足30%，远没有达到发达国家90%的利用率[7-8]。铁尾矿砂(Iron Tailings Sand，ITS)也面临着相同的问题，铁尾矿砂是选矿后的产物，中国现有堆存的尾矿砂量近50亿t，而我国综合利用率仅为17%[9]。因此2种废弃物堆存问题亟须解决。将二者回收再利用于道路基层不仅处理了固体废料，又节约了矿料资源，并降低了建设成本。已有不少学者进行了相关研究：吴正光等[10]、薛勇刚等[11]和张立群等[12]发现RAP掺加到水泥稳定碎石中可以满足道路基层强度的要求，并有良好的耐久性；张东省等[13]将细粒的RAP掺加到水泥稳定碎石中，能改善其干缩性能和温缩性能；Sun等[14]、胡光伟等[15]和姜明等[16]对水泥稳定铁尾矿砂进行强度和回弹等试验研究，发现其可以满足道路基层的要求；Shettima等[17]研究发现，用铁尾矿砂代替混凝土的细集料可以提高抗压强度和抗折强度，优化干缩性能。

综上所述，废旧沥青混合料和铁尾矿砂单掺到水泥稳定碎石中均可以满足道路基层的相关要求，并且掺加废旧沥青细集料和铁尾矿砂均可以优化材料的干缩性能。因此本文将2种废弃物掺加到水泥稳定碎石中，研究2种废弃物对水泥稳定碎石干缩性能改善效果，并为固废处理提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究所用材料主要有水泥、天然碎石、RAP、河沙及铁尾矿砂。其中，水泥为河北金隅水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；天然集料为张家口市生产的玄武岩碎石和河沙；RAP为张家口市公路扩建、经鄂式破碎机破碎得到；铁尾矿在张家口矿山上直接取得。根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[18]中的相关方法，对集料的技术性能进行测试,其相关指标见表1和表2。

表1 粗集料物理指标

表2 细集料物理指标

根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)[19]中推荐的水泥稳定碎石级配范围，结合再生集料的筛分结果，得到混合料合成级配，见表3。

表3 再生集料的合成级配

1.2 试验方法

按照重型击实试验得到的最佳含水率和最大干密度，计算成型规格尺寸为100 mm×100 mm ×400 mm中梁试件时需要用到的各档再生集料、水泥及水的质量。拌和时先将水与集料拌和均匀闷料6 h，再加入水泥拌和均匀，混合料拌制结束后，将其均匀地装填到试模中，液压机静压成型。将脱模后的试件用保鲜膜包裹，放入到标准养护室中养护7 d，并在最后一天将其放入到恒温水箱中泡水24 h。养护结束后，将试件表面擦干，然后将其放置在收缩仪上，并在试件两端架设千分表，通过千分表读数的变化来测定试件的干缩变形量，如图1所示。

图1 干缩试验

试验从试件移入干缩室后开始计时，每天读一次数，同时, 测定备用试件在相同环境下的平均水分蒸发损失量，直至第30天。试验结束后，将试件放入烘箱内烘干至恒重，称取其质量。每种配合比下制取6个试件，其中，3个试件用于测定材料的收缩变形，另外3个用于测定材料的失水率。干缩系数由收缩变形和失水量计算得出，如公式(1)所示。

αdi=εi/ωi。

(1)

式中：αdi为干缩系数；εi为试件第i次收缩形变(10-6)；ωi为试件第i次失水率，%。

本文水泥掺量固定为5%(文中掺量均为质量分数)，RAP掺量范围为0%～100%，铁尾矿砂掺量范围为0%～90%。其中，RAP替代粒径为0.6～19 mm的天然集料，铁尾矿砂替代0.6 mm以下的天然集料。因此RAP和铁尾矿砂实际掺量范围分别为0%～90%和0%～9%，RAP掺量远大于铁尾矿砂掺量。张立群等[12]得出RAP比铁尾矿砂对水泥稳定碎石的强度和耐久性影响更大，同时张大勇等[20]发现RAP掺量比粗集料含量和水泥掺量对收缩性能的影响大，因此本文先固定RAP掺量，改变铁尾矿砂掺量。由文献[21-22]得出RAP掺量增加会削减水泥稳定碎石的强度，为保证道路基层的强度，又同时利用这2种废弃物，本文在研究铁尾矿砂掺量对水泥稳定碎石干缩特性的影响时，固定RAP掺量为25%，铁尾矿掺量分别为0%、30%、45%、60%、90%(分别标记为TR0-25、TR30-25、TR45-25、TR60-25、TR90-25)。

2 试验结果与分析

2.1 铁尾矿砂掺量对干缩特性的影响

(1)铁尾矿砂掺量对失水率的影响

由图2可知，不同铁尾矿砂掺量下的再生水泥稳定碎石累计失水率均随着时间的增加而增大，在干缩试验开始15 d内失水速度较快，之后趋于平稳。同时可以看出，铁尾矿砂的掺入可以明显减少水泥稳定碎石的累计失水率，并随着铁尾矿砂掺量的增加水泥稳定碎石的累计失水率逐渐减少。在相同的水泥掺量下，铁尾矿砂掺量30%、45%、60%、90%的再生水泥稳定碎石的累计失水率分别减少了12%、13%、28%、29%。因为铁尾矿砂与水泥结合后有一定的吸水性，所以随着铁尾矿砂掺量的增加失水率会逐渐减少。

图2 不同铁尾矿砂掺量下失水情况随时间变化趋势

(2)铁尾矿砂掺量对干缩应变的影响

由图3(a)可知，不同铁尾矿砂掺量的再生水泥稳定碎石干缩应变随着时间的增加而增大，并且铁尾矿砂的掺入可以改善水泥稳定碎石的干缩性能，随着铁尾矿砂掺量的增加干缩应变逐渐减小，其中铁尾矿砂掺量60%的再生水泥稳定碎石干缩应变最小，仅为没有掺加铁尾矿砂水泥稳定碎石的78.2%。因为铁尾矿砂较河砂密度大，故此相同配比掺量下所需要的铁尾矿沙颗粒较少，比表面积相应减小，于是相对有更多的水泥进行黏结，使之不易产生干缩变形，又因为铁尾矿砂的掺加使再生水泥稳定碎石的失水率减少，同样让其产生较小的干缩应变。由图3(b)可知，再生水泥稳定碎石干缩应变增长速率随时间增加逐渐增大，10 d前后达到峰值后迅速减小，即干缩应变试验前期迅速增长之后逐渐趋于平缓。因为试件失水主要集中在试验前期，试件大量失水导致干缩应变快速增加。因此推荐在施工期一周内必须进行湿法养护，以防止失水过大、干缩应变加剧，从而产生干缩裂缝。

图3 不同铁尾矿砂掺量下干缩情况随时间的变化

干缩试验开始初期失去大量的水，其中主要来自材料大孔隙中毛细管水的蒸发，而大孔隙中重力水的蒸发并不会引起较大的收缩变形，毛细管蒸发完后，随着湿度的继续降低，材料中的吸附水也开始蒸发，进而层间水也开始蒸发，此时会产生较大的收缩应力，宏观表现为迅速地收缩变形[23-24]，如图4所示，试验开始材料失水并不会引起较大的干缩变形，在达到一定的失水率后干缩应变迅速增加，其中TR0-25、TR30-25、TR45-25失水率达到4.5%后干缩应变迅速增加，TR60-25、TR90-25失水率在达到3.5%时干缩应变就已经开始迅速增长，因此掺入高掺量铁尾矿砂的水泥稳定碎石在施工过程中更要注重保水，保证失水率在一个较低的范围内。

图4 不同铁尾矿砂掺量下干缩应变随失水率的变化

(3)铁尾矿砂掺量对干缩系数的影响

由图5可知，不同铁尾矿砂掺量的再生水泥稳定碎石干缩系数均随着失水率的增加呈现先增加后减小的变化趋势。未掺铁尾矿砂的水泥稳定碎石在失水率5.0%～5.5%时干缩系数达到峰值，TR30-25、TR45-25在失水率4.5%～5.0%时达到峰值，TR60-25、TR90-25的干缩系数在失水率3.5%～4.0%时取得峰值，即随着铁尾矿砂掺量增加再生水泥稳定碎石的干缩系数的峰值点逐渐向失水率减小的方向移动，并且干缩系数的峰值逐渐减小，TR60-25和TR90-25干缩系数峰值为TR0-25的85.9%和82.0%。说明铁尾矿砂的掺入在降低材料失水情况的同时又降低了材料对水的敏感性。因为铁尾矿砂在减小材料失水的同时，也降低了材料的干缩变形，因此材料的干缩系数会有所下降。

图5 不同铁尾矿砂掺量下干缩系数随含水率的变化

2.2 RAP掺量对干缩特性的影响

通过研究铁尾矿砂对再生水泥稳定碎石的干缩特性发现，较其他铁尾矿砂掺量相比，掺量60%的再生水泥稳定碎石有较好的干缩特性，因此在研究RAP对再生水泥稳定碎石干缩特性的影响时，将铁尾矿砂掺量固定为60%，水泥掺量5%，RAP掺量分别为0、25%、40%、55%、70%、100%(分别标记为RI0-60、RI25-60、RI40-60、RI55-60、RI70-60、RI100-60)。

(1)RAP掺量对失水率的影响

由图6(a)可知，不同RAP掺量下的再生水泥稳定碎石累计失水率随着时间增加而增大。没有掺RAP的水泥稳定碎石开始失水量较少，但通过图6(b)发现其失水速度比掺加RAP的再生水泥稳定碎石失水速度快，因此在第5天超过掺加RAP的再生水泥稳定碎石累计失水率。掺加RAP的再生水泥稳定碎石在试验开始前10 d内失水较多，基本达到总失水率的85%以上，之后失水速度逐渐趋于平稳。同时，RAP掺量的增加会降低再生水泥稳定碎石累计失水率，相比没有掺加RAP的水泥稳定碎石，掺量为25%、40%、55%、70%、100%的再生水泥稳定碎石累计失水率分别减小了18.5%、19.3%、20.3%、24.2%、27.9%。这是由于在集料加水拌和时，有自由水进入了废旧沥青混合料的内部空隙，试件静压成型时，混合料的毛细孔隙进一步减小，甚至部分孔隙成为了封闭孔隙，从而自由水不能顺利流出，致使失水率降低。

图6 不同RAP掺量下失水情况随时间的变化趋势

(2)RAP掺量对干缩应变的影响

由图7可知，不同RAP掺量的再生水泥稳定碎石干缩应变均随着时间的增加逐渐增大。掺加RAP的再生水泥稳定碎石干缩应变在试验前10 d增加速度较快，之后干缩应变增长速率逐渐减小，而未掺RAP的水泥稳定碎石干缩应变增长速率呈现先增大后减小的变化，且减小后的干缩应变速率大于掺加RAP的再生水泥稳定碎石。故此未掺加RAP的水泥稳定碎石干缩应变前期较小，后期逐渐大于掺加RAP的再生水泥稳定碎石。其中RAP掺量25%的再生水泥稳定碎石干缩应变远小于RI0-60。因为掺入RAP的再生水泥稳定碎石失水量小于未掺RAP水泥稳定碎石的失水量，从而减小了干缩变形，并且沥青是一种柔性材料，RAP由于表面有沥青的包裹，在试件失水引发收缩时，这层包裹的沥青缓冲了收缩应力，减小了试件的干缩应变[25-26]。

图7 不同RAP掺量下干缩情况随时间变化趋势

掺加RAP的再生水泥稳定碎石干缩应变随含水率的变化趋势与掺加铁尾矿砂的再生水泥稳定碎石基本相同，如图8所示，再生水泥稳定碎石失水前期干缩应变增长缓慢，RI40-60、RI55-60、RI70-60、RI100-60在失水率4.0%时干缩应变开始迅速增加，RI0-60、RI25-60在失水率4.5%后开始迅速增长。因此掺加RAP的再生水泥稳定碎石施工时可以采取缩短周期、覆盖防晒苫布和适量洒水等方法，把失水率控制在较低的范围内。

图8 不同RAP掺量下干缩应变随失水率的变化

(3)RAP掺量对干缩系数的影响

由图9可知，不同掺量RAP再生水泥稳定碎石的干缩系数随着失水率的增加呈现先增加后减小的变化趋势，与前述掺铁尾矿砂的再生材料类似，掺入RAP的水泥稳定碎石与未掺RAP的水泥稳定碎石相比，干缩系数峰值对应的失水率逐渐向失水率减小的方向移动，失水率由5.5%～6.0%到4.5%～5.5%，再到4.0%～4.5%。与其不同的是，掺加RAP的再生水泥稳定碎石的干缩系数峰值并没有随着RAP掺量的增加而降低，而是呈现先增加后减小的变化趋势，在掺量55%时取得最大值，在掺量100%时取得最小值，并小于未掺入RAP水泥稳定碎石的干缩系数峰值。原因是再生水泥稳定碎石虽然由于RAP加入减小了材料失水量，但并没有明显地降低材料的干缩变形，故此没有明显减小材料对含水量变化的敏感性。

图9 不同RAP掺量下干缩系数随失水率的变化

3.3 干缩规律回归分析

基于上述分析可知，干缩变形实为材料含水量变化所引起的体积收缩。因此失水率是影响干缩性能的主要因素，先前学者主要是对试验结果进行阐述分析，少有理论分析，本文借助IBM SPSS Statistics软件对影响干缩应变因素进行回归分析，研究失水率和再生料的掺量对干缩变形的影响规律。

表4为软件对再生水泥稳定碎石进行回归曲线模型统计分析结果，可以发现2种再生水泥稳定碎石各个掺量下的干缩规律与指数模式有很高的拟合度，干缩应变(y)与失水率(ω)之间的指数公式为

表4 再生水泥稳定碎石干缩应变与失水率回归曲线模型统计及参数预估

y=eAω。

(2)

为了研究参数A与掺量之间的关系，对参数A与掺量x进行回归分析。得到A=a3x3+a2x2+a1x+a0，见表5。其中，掺铁尾矿砂的再生水泥稳定碎石参数a0=-0.959、a1=11.006、a2=-17.871、a3=9.389；掺RAP的再生水泥稳定碎石参数a0=0.924、a1=0.557、a2=-0.227、a3=-0.004。

表5 再生水泥稳定碎石掺量与参数A回归曲线模型统计及参数预估

综上可知，2种再生水泥稳定碎石干缩应变y与掺量x、失水率ω之间的方程式为

掺铁尾矿砂再生水泥稳定碎石：

y=e(9.389x3-17.871x2+11.006x-0.959)ω。

(3)

掺RAP的再生水泥稳定碎石：

y=e(-0.004x3-0.227x2+0.557x+0.924)ω。

(4)

3 结论

本文通过研究掺RAP再生水泥稳定碎石和掺铁尾矿砂再生水泥稳定碎石的干缩性能，并对2种再生水泥稳定碎石的失水率、干缩应变和干缩系数对比分析，得到以下结论。

(1)2种再生水泥稳定碎石累计失水率和干缩应变随时间变化趋势基本一致，由于铁尾矿砂的吸水性和RAP受力挤压封闭孔隙的因素，掺加RAP与掺加铁尾矿砂的再生水泥稳定碎石的累计失水率和干缩应变均比水泥稳定碎石的小，掺加铁尾矿砂的再生水泥稳定碎石与掺加RAP的再生水泥稳定碎石相比，干缩应变值较小，并且干缩应变在较高的失水率时才开始快速增长。

(2)2种再生水泥稳定碎石干缩系数峰值对应的失水率均随着掺量的增加向失水率减小的方向移动，掺加铁尾矿砂的再生水泥稳定碎石较掺加RAP的再生水泥稳定碎石可以更好地降低材料地对失水情况的敏感性。

(3)通过SPSS软件拟合发现种再生水泥稳定碎石干缩应变与掺量、失水率之间的关系相似，均为指数函数y=eAω，其中参数A与掺量有关，详情见表5。