水稳再生料强度优化研究

袁公昌，闫祥胜，李浩，周浩

（1.无棣县公路事业发展中心，山东 滨州 251999；2.滨州安泰路桥工程有限公司，山东 滨州 251999；3.山东建筑大学，山东 济南 250101）

在我国，半刚性基层沥青路面成为我国高速公路的主要路面结构形式，半刚性基层是沥青路面的主要基层类型，我国在建或已建成的高速公路90%以上采用半刚性基层沥青路面，且大量道路进入大修期，但长期基建历史导致我国优质石材日益短缺。对既有道路结构材料铣刨后进行稳定再生[1-2]是客观需求。半刚性基层的材料构成决定了，对其进行水泥稳定再生是最合理的方法。半刚性基层材料的水稳再生料与传统水泥稳定碎石较为接近，力学强度一般略低于水稳碎石，抗变形能力也更低。从而导致水稳再生基层更容易因应变能力较低而发生破坏。

为改善半刚性基层材料变形能力，道路工作者进行了大量研究[3-4]，其中最有效的方法是加入纤维进以及粉煤灰行强化[5-7]。粉煤灰[8]可以与水泥水化产物反应进行火山灰作用提供强度，且其形状为微小球形有利于混合料的压实和密实；掺入纤维后，水泥水化产生的水泥石可与集料和纤维粘接，从而将混合料整体连接为一个整体，且高聚物纤维具有很强的力学强度和变形能力，一方面直接提高混合料的强度，另一方面在混合料受力产生微裂缝的情况下，纤维可将已经碎裂的混合料试件仍然连接为一个整体，并维持一定强度，从而有效提高集料-水泥石-纤维复合材料整体的强度和变形性能。为了确定水泥和纤维强化对水稳再生材料的力学性能的影响，本文进行了系统的研究。

1 材料与实验方法

（1）水泥。实验所用水泥均选用标号为42.5 的硅酸盐水泥，生产厂家为山东山水水泥。按照相应规范要求对所用水泥进行技术检测，结果显示，所选用的水泥的各项技术指标和性能参数均符合规范要求。本次选用水泥剂量4%，粉煤灰剂量为8%。

（2）再生料。一般经验表明，水稳再生材料的强度比传统水稳碎石略低。本次目的为完全利用基层再生料，再生料分为粗中细三档，最终完全利用，未添加新碎石，其级配接近悬浮密实结构水稳碎石，但部分粒径级配超范围。

（3）纤维。本次实验选用的纤维为聚丙烯纤维。纤维用量存在最佳用量和最佳强度，在一定范围内，当纤维用量提高或纤维长度增长时可以提高混合料强度，但超过最佳值后，都会产生纤维团聚现象，降低混合料强度。根据纤维推荐用量和前期经验，本次选择纤维剂量1‰，纤维长度12mm。

（4）本次实验方法为无侧限抗压实验，通过不同材料的峰值强度和变形来评价其力学性能。无侧限抗压强度是半刚性基层材料试件在无侧向压力情况下的极限强度，这是无机结合料稳定材料组成设计的核心指标，可以综合反映材料的性能。本文通过7d、28d、90d 龄期无侧限抗压强度反映其力学强度，通过7d 龄期的抗压变形峰值反映其变形能力。试件的成型是按照试验规程《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTGE51—2009 中的T0843—2009 方法成型径高比为1:1的圆柱形试件，试模选用Φ150mm×150mm，压实度为98%，静压成型，并在20℃条件下进行相应龄期下的标准养生。

2 结果分析

2.1 水稳再生材料强度

与传统的新拌水稳碎石相比，水稳再生料强度略低，具体强度对比如图1 所示。

图1 水稳碎石与水稳再生混合料不同龄期强度

由图1 可知，水泥再生材料的含水率显著提高，密度计有一定程度降低，其抗压强度下降约20%。其原因在于再生料骨料经过长期承载，骨料的强度、棱角性以及颗粒表面粗糙程度会有一定程度降低，集料的级配一般也有所衰退，且其中细料含量特别是其中的水泥石含量较高，从而降低混合料的强度，并提高其收缩系数，导致易于收缩开裂。一般可以在再生料中加入部分新碎石来在一定程度上改善再生料级配并提再生高混合料强度和性能。通过加入纤维和粉煤灰等措施可以更有效提高再生料的力学强度，特别是能有效提高其抗变形和开裂能力[9-10]。

2.2 纤维与粉煤灰对水稳再生料强度的影响

纤维和粉煤灰都可以提高再生料的强度。不同龄期条件下，纤维和粉煤灰都对再生料强度的影响如图2 所示：

图2 粉煤灰与纤维对水稳再生混合料不同龄期强度的影响

图3 纤维与粉煤灰对水稳再生料力学和变形能力影响

由图2 可以得到以下结论：（1）再生料中加入纤维后，其强度，特别是早期强度有明显提高，约17%～22%，纤维强度水泥再生料强度基本与水泥稳定碎石相当。（2）加入粉煤灰后，其早期强度变化不大，明显低于水稳碎石，与普通水稳再生料强度基本一致，但后期强度又明显提高，90d 强度增长幅度可达24%，超过新拌水稳碎石强度。这是因为粉煤灰-水泥在水化过程中相互影响，粉煤灰的反应速率较低但可以持续很长时间，所以其早期强度相对较低但后期增长显著。（3）复合添加纤维和粉煤灰，其早期强度较好，纤维强化水泥再生混合料相当，后期强度比单纯纤维强化或添加粉煤灰的水稳再生混合料强度高，90d 强度提高29%。（4）在提高早期强度方面，纤维作用较大，粉煤灰影响很小；在提高长度强度方面粉煤灰影响更为显著，复合使用纤维和粉煤灰能更有效地改善再生料强度。

这是因为纤维加入水稳再生料并分散基本均匀后，随着水泥水化过程的持续，水泥石逐步与纤维丝束结合，大量水泥水化物和纤维丝束最终会形成致密的、三维方向随机分布的水泥石-纤维立体网状固结体系，并与水泥稳定再生料形成复合材料强度体系。纤维复合水稳材料的抗拉强度是由水泥稳定材料基体和纤维的抗拉强度叠加而成，依靠纤维和水泥基体间的界面吸附力；在这种状态下，当混合料体系受力时，方向随机的纤维丝束必然有一部分处于受拉状态，从而承担一部分应力，想要对水泥稳定再生料造成破坏，就必须克服纤维的抗拉强度做功，但纤维本身强度和变形能力很强，因此在断裂过程中会产生更大的变形量并消耗更大的能量。

2.3 纤维与粉煤灰对水稳再生料变形能力的影响

为了进一步分析纤维与粉煤灰对水稳再生料变形能力[11]的影响，本文测试了不同材料试件7d 无侧限抗压强度应力峰值对应的变形值（其中的CTA为水稳碎石，CR 为水泥再生料，CFAR 为水泥粉煤灰再生料、CFR为水泥纤维再生料、CFAFR 为水泥粉煤灰纤维再生料）；为了与应力情况进行对比，同样给出了不同材料荷载峰值，具体结果如下：

根据图2 可以得到以下结论：不同外加剂对水稳再生料的力学强度和变形能力的影响不完全一致，具体说来：（1）加入粉煤灰后，水稳再生料的早期强度变化很小（降低3%），但应变值有一定提高（约8%）。（2）再生料中加入纤维后，早期强度有明显提高（约18%）；而其极限变形值有显著提高（约42%）。（3）复合添加纤维和粉煤灰，其早期强度提高（约17%），而其极限变形值有显著提高约49%。这是因为纤维变形能力远大于水泥石，当水泥石破裂后，纤维仍然将已经开裂的混合料联系在一起并保有一定强度，所以不但可以有效提高混合料的强度更能显著提高其抗变形能力。基层材料抵抗外部力学荷载的能力由极限强度和变形能力共同影响，抵抗收缩荷载的能力主要受变形能力影响。而复合使用粉煤灰和纤维同时提高水稳再生料的强度和变形能力，所以对基层的行车荷载的承载力和对收缩的抵抗能力，都有显著的改善效果。

水泥稳定材料来说，其力学强度较高，正常工况条件下极少因力学强度不足而导致破坏；而其变形能力较弱，变形能力不足导致的收缩开裂是其最主要短板，极大影响水稳材料的耐久性。本文通过添加粉煤灰和高聚物纤维，有效提高水稳再生料的各项性能：在复合使用条件下，水稳再生料的长期力学强度可以提高29%，抗变形能力提高49%；可以提高水稳再生料的承载能力，特别是改善其变形能力可有效提高其抗开裂性能从而保证基层的耐久性。

从以上实验结果可知，在水稳再生料中加入粉煤灰对其早期强度影响很小，但对其长期强度有显著的增强作用，粉煤灰对再生料的变形能力有一定改善作用；加入适量纤维对水稳再生料的所有强度均有较好的增强作用，对其变形能力有显著的改善作用；复合使用粉煤灰和纤维，对水稳再生料早期和长期的力学和变形性能均具有显著的改善作用。

3 结论

本文通过添加粉煤灰和聚丙烯纤维来改善水稳再生料的力学性能，并通过不同龄期的强度和变形能力为指标进行评价，得到以下结论：

（1）水稳再生材料的力学性能一般略低于新拌水稳碎石，可以通过加入适量粉煤灰和纤维来进行改善。

（2）加入分粉煤灰后，水稳再生料早期强度变化较小，其后期强度有显著提高，可超25%。

（3）加入纤维后，水稳再生料早期强度有显著提升，约20%，其后期强度也有较为明显提高，但其程度不如粉煤灰明显；但加入纤维后再生料混合料变形能力显著提高可达42%。

（4）复合掺加粉煤灰和纤维，可以显著提高水稳再生料早期强度和后期强度；可以显著提高水稳再生料的强度和变形能力，其强度可提高28%，变形能力可提高49%，有效提高其承载能力和抗裂性能。