HPMC對(duì)水泥穩(wěn)定全深式冷再生材料的性能影響研究

高種晟， 諸劍峰， 方 磊， 李秀君

（1. 上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2. 浙江省桐鄉(xiāng)市公路管理局，桐鄉(xiāng) 314500；3. 襄陽華昇工程檢測(cè)咨詢有限公司，襄陽 441000）

道路再生技術(shù)是指將舊路面材料（主要是面層、基層材料）經(jīng)過銑刨、回收、破碎和篩分，再與適量新集料和穩(wěn)定劑一同拌合，重新形成能夠滿足設(shè)計(jì)要求的再生混合料，之后經(jīng)攤鋪、壓實(shí)，形成具有一定承載能力的路面結(jié)構(gòu)層的再生方法。目前，基于水泥穩(wěn)定的全深式就地冷再生方式作為低成本、低能耗、高效率和高質(zhì)量的節(jié)能降耗養(yǎng)護(hù)技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外得到普遍應(yīng)用。以瀝青面層銑刨料以及水穩(wěn)基層銑刨料為主要原材料進(jìn)行再生利用的混合料作為路面基層或底基層，其強(qiáng)度形成主要取決于水泥作為穩(wěn)定劑水化后的強(qiáng)度。道路施工通常處于夏季，氣溫高，水份蒸發(fā)快，水份損失越多，水泥水化后強(qiáng)度損失越大。因此，外界環(huán)境因素對(duì)實(shí)際施工中拌和混合料的含水量產(chǎn)生較大且不可避免的影響，如何保證混合料的保水性能，使其在最佳含水量的情況下，水泥能夠充分水化達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度，成為亟待解決的問題。

為了使干混砂漿能夠達(dá)到適宜施工的稠度和易性[1]，作為保水和增稠劑的羥丙基甲基纖維素醚（hydroxypropyl methyl cellulose ether，HPMC）已被普遍運(yùn)用。隨著砂漿商品化的發(fā)展，以及纖維素生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，HPMC本身所具有的保水、保塑性使其在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2-3]。蘇雷[4]通過研究摻入HPMC改性砂漿發(fā)現(xiàn)，隨著HPMC摻量的增加，砂漿的保水性能不斷提高，失水量逐漸減少；袁偉等[5]通過在泡沫混凝土中添加HPMC的試驗(yàn)和應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，HPMC提高了新拌混凝土的保水性能，減小了硬化泡沫混凝土的失水速率，降低拌合物對(duì)溫度的敏感性，會(huì)使泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯降低。

針對(duì)就地再生實(shí)際施工中再生混合料最佳含水量難以控制的問題，本文先通過在水泥膠砂試件中添加HPMC，研究HPMC對(duì)于水泥水化的影響機(jī)理，進(jìn)而探討在再生混合料中摻入HPMC的可行性，重點(diǎn)研究不同摻量的HPMC對(duì)水泥穩(wěn)定全深式就地冷再生材料的性能影響。

1 HPMC的作用機(jī)理

HPMC是由纖維素堿活化處理后與醚化劑氯甲烷和環(huán)氧丙烷進(jìn)行醚化反應(yīng)[6]，在醚化反應(yīng)中纖維素分子上的羥基（—OH）被甲氧基（—OCH3）和羥丙基取代生成，其分子結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖中，n表示聚合度，R代表—H,—CH3或—CH2CHOHCH3。

圖 1 HPMC的分子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Molecular structure of HPMC

纖維素分子上的羥基被取代的基團(tuán)數(shù)可用醚化度（也叫取代度）表示，HPMC的醚化度在1.2～1.5之間[7]。因此，高分子聚合物HPMC的大分子線狀結(jié)構(gòu)中官能團(tuán)上存在的羥基（—OH）能與拌和水分子形成氫鍵，使拌和水黏度增加；HPMC的長(zhǎng)分子鏈間會(huì)相互吸引，使HPMC分子間相互纏結(jié)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把水泥、拌和水包裹起來；醚鍵（—O—）以及脫水葡萄糖環(huán)等重要基團(tuán)對(duì)再生混合料性能產(chǎn)生一定的影響。

2 HPMC對(duì)水泥膠砂性能的影響

2.1 原材料

試驗(yàn)采用42.5 R硅酸鹽水泥，其比表面積為398.1 m2/kg，80 μm篩余為0.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；HPMC黏度為200 000 MPa·s；標(biāo)準(zhǔn)砂。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》（GB/T 17671-1999），測(cè)定40 mm×40 mm×160 mm水泥棱柱體試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

由水泥450 g、標(biāo)準(zhǔn)砂1 350 g和水225 g，按照其質(zhì)量比1∶3∶0.5拌制成一組塑性膠砂成型3個(gè)水泥試件。試件連模標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h，然后脫模在水中養(yǎng)護(hù)48 h；齡期結(jié)束，進(jìn)行3 d抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，折斷后每截再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

試驗(yàn)選擇HPMC摻量為 0%，0.2%，0.4%，0.6%（水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂及水的混合料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。為探究HPMC摻入方式對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響，根據(jù)摻配方式不同擬定兩組試驗(yàn)，每組3個(gè)平行試件。方式Ⅰ：在標(biāo)準(zhǔn)砂中先加入水，再加入水泥，最后添加HPMC（水+水泥+HPMC）；方式Ⅱ：在標(biāo)準(zhǔn)砂中加入水再添加HPMC，最后加入水泥（水+HPMC+水泥）。固定水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂和水的質(zhì)量比為 1∶3∶0.5，試驗(yàn)溫度為 24 ℃。

2.3 HPMC分散液狀態(tài)

摻量為 0%，0.2%（1.35 g），0.4%（2.7 g）及0.6%（4.05 g）的HPMC溶于水（75 g）后形成的分散液如圖2和圖3所示。

HPMC為水溶性高分子化合物又稱水溶性樹脂或水溶性聚合物，通過增加拌和水的黏度來增加拌合物稠度，在水中能溶解而形成溶液或分散液。

2.4 HPMC引氣作用

摻量為 0.4%（2.7 g）及 0.6%（4.05 g）的 HPMC溶于水（75 g）后形成的分散液中含有氣泡，如圖4和圖5所示。

HPMC的引氣作用是指由于纖維素醚中含有烷基基團(tuán)，能使水溶液的表面能降低，使分散液中的含氣量增加，并且氣泡膜的韌性和純水氣泡的韌性相比較高，不易排出[8]。

2.5 水泥砂漿試件抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度

不同HPMC摻量、相同成型條件下，HPMC摻量與水泥砂漿試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，如圖6和圖7所示。

圖 2 HPMC摻量為0%和0.2%分散液Fig. 2 HPMC content of 0% and 0.2% dispersion

圖 3 HPMC摻量為0.4%和0.6%分散液Fig. 3 HPMC content of 0.4% and 0.6% dispersion

圖 4 HPMC摻量為0.4%分散液中氣體Fig. 4 Gases in 0.4% HPMC dispersion

圖 5 HPMC摻量為0.6%分散液中氣體Fig. 5 Gases in 0.6% HPMC dispersion

圖 6 HPMC摻量對(duì)水泥試件抗折強(qiáng)度的影響Fig. 6 Effect of HPMC content on flexural strength of cement specimens

圖 7 HPMC摻量對(duì)水泥試件抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 7 Effect of HPMC content on compressive strength of cement specimens

水泥膠砂試件抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度降低的主要原因是由于纖維素醚的引氣作用[9]。HPMC中含有烷基基團(tuán)，能使水溶液的表面能降低，造成水泥膠漿中含有較多氣體且難以排出；浸水養(yǎng)護(hù)過程中，纖維素醚吸水膨脹進(jìn)一步增大砂漿內(nèi)部孔洞，致使水泥膠砂試件密度下降，這是降低水泥試件強(qiáng)度的影響因素之一。纖維素醚的引氣作用雖然能夠改善砂漿的和易性，但由于含氣量增大，引起硬化體結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致強(qiáng)度等力學(xué)性能下降的負(fù)面作用。因此在使用HPMC作為外摻劑應(yīng)用于水泥基材料中應(yīng)合理考慮其摻量[10]。

另一方面，纖維素醚的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致其對(duì)于水泥水化具有緩凝的作用。纖維素醚保留著纖維素的基本骨架，在纖維素醚的分子結(jié)構(gòu)中依然存在脫水葡萄糖環(huán)結(jié)構(gòu)，脫水葡萄糖環(huán)作為引起水泥緩凝的主要基團(tuán)，它能夠與水泥水化水溶液中的鈣離子生成糖鈣分子化合物（或叫絡(luò)合物）[4,11]，降低水泥水化誘導(dǎo)期的鈣離子濃度，阻止Ca（OH）2和鈣鹽晶體的生成、析出，從而延緩水泥水化的進(jìn)程。試驗(yàn)結(jié)果顯示，方式Ⅱ水泥試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度大于方式Ⅰ。摻配方式Ⅰ中水泥水化后再加入外摻劑HPMC，而在方式Ⅱ中水泥是在HPMC溶于水后的分散液中進(jìn)行水化。這說明HPMC的緩凝作用雖然會(huì)延緩水泥水化的進(jìn)程，但并不會(huì)影響水泥水化后的強(qiáng)度。HPMC溶于水形成類似薄膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效包裹著水，從而防止水泥膠漿中水分的揮發(fā)，在攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢璧那闆r下，規(guī)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，水泥能夠充分水化形成強(qiáng)度。

3 HPMC對(duì)水穩(wěn)再生混合料性能的影響

試驗(yàn)所用材料取自浙江省桐鄉(xiāng)市某公路。材料A：瀝青面層（3 cm厚）以及二灰碎石基層銑刨料；材料B：瀝青面層（6 cm厚）以及二灰碎石基層銑刨料。

3.1 再生混合料合成級(jí)配曲線

根據(jù)原路面銑刨材料的規(guī)格選用《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41-2008）表5.6.2中1號(hào)級(jí)配上下線范圍。再生混合料組成：70%銑刨料+30%石屑（0～5 mm）。

材料A,B對(duì)應(yīng)再生混合料合成級(jí)配如圖8所示。

圖 8 材料A、材料B再生混合料級(jí)配曲線Fig.8 Gradation curve of material A and B recycled mixtures

3.2 再生混合料粗集料密度

再生材料A,B粗集料密度如表1所示。

表 1 材料A和材料B粗集料的密度Tab.1 Density of coarse aggregate of material A and B

3.3 再生混合料最佳含水量和最大干密度

根據(jù)規(guī)范T 0804-1994，通過擊實(shí)試驗(yàn)確定：材料A再生基層混合料的最佳含水量為7%，最大干密度為2.221 g/cm3；材料B再生基層混合料的最佳含水量為7%，最大干密度為2.208 g/cm3。

3.4 再生混合料保水性

保水性是指再生混合料能保持水分的能力，也是衡量再生混合料在運(yùn)輸以及停放時(shí)內(nèi)部組分穩(wěn)定性的性能指標(biāo)。保水性可用失水率指標(biāo)評(píng)價(jià)，即失水率越大，保水性能越差；失水率越小，保水性能越好。通過失水率實(shí)驗(yàn)測(cè)定摻入HPMC的再生混合料分別在常溫（室內(nèi)溫度24 ℃，空氣濕度75%）及60 ℃高溫環(huán)境下的保水性能。

3.4.1 再生混合料常溫下保水性能

常溫下失水率試驗(yàn)是通過濾紙與規(guī)定面積的圓柱形水泥穩(wěn)定再生試件上表面接觸一定時(shí)間后，測(cè)量濾紙前后質(zhì)量變化，從而計(jì)算出失水率。

由于濾紙具有很好的吸水性，即使再生混合料的保水性很高，濾紙仍能吸附再生混合料中的水分。試驗(yàn)使用圓柱形φ150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)水泥穩(wěn)定再生試件，上表面覆蓋一層紗布，再放置8張濾紙以及不透水蓋板，采用2 kg重物靜壓15 min，測(cè)定濾紙前后的質(zhì)量變化，計(jì)算失水率，以此反映常溫下再生混合料的保水性。

濾紙：選用超白濾紙，直徑110 mm，性能指標(biāo)符合GB/T 1914—200《化學(xué)分析濾紙》中規(guī)定的速定性濾紙要求。紗布：市售醫(yī)用紗布，尺寸為110 mm×110 mm。

常溫下材料A，B對(duì)應(yīng)再生混合料失水率與HPMC摻量關(guān)系如圖9所示。

圖 9 常溫下HPMC摻量與再生混合料失水率的關(guān)系Fig.9 Relationship between HPMC content and water loss rates of regenerated mixtures at room temperature

纖維素醚結(jié)構(gòu)中含有的羥基和醚鍵，這些基團(tuán)上的氧原子與水分子締合成氫鍵，使游離水分子變成結(jié)合水，從而很好地起到保水作用[3]。從圖9中可以看出，在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，再生混合料的失水率與HPMC摻量呈現(xiàn)良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，HPMC摻量越高，再生混合料失水率越小，其保水性越好。再生混合料隨著HPMC的摻入表現(xiàn)出較為黏稠的狀態(tài)。當(dāng)HPMC摻量達(dá)到0.4%時(shí)，再生混合料基本無泌水現(xiàn)象；當(dāng)摻量達(dá)到0.6%以后，失水率變化不再明顯。

3.4.2 再生混合料高溫下保水性能

高溫下失水率試驗(yàn)是模擬夏季道路施工的環(huán)境條件，稱量一定質(zhì)量的再生混合料，將其放入恒定溫度60 ℃的烘箱，5 h后測(cè)定其質(zhì)量前后變化，然后計(jì)算出失水率。

60 ℃高溫下材料A，B對(duì)應(yīng)再生混合料失水率與HPMC摻量關(guān)系如圖10所示。

圖 10 高溫下HPMC摻量與再生混合料失水率的關(guān)系Fig.10 Relationship between HPMC content and water lossrates of regenerated mixtures at high temperature

從圖10可以看到，未摻HPMC，材料A再生混合料失水率達(dá)到4.8%，材料B再生混合料失水率達(dá)到3.7%，相較于7%的最佳含水量而言，在高溫環(huán)境下施工，溫度對(duì)再生混合料的含水量影響較為嚴(yán)重。當(dāng)HPMC摻量達(dá)到0.4%時(shí)，材料A失水率為3.2%，材料B為2.8%；摻入HPMC后，材料A，B再生混合料失水率都有明顯下降，說明外摻劑在高溫情況下仍具有一定的保水性能。HPMC摻量為0.6%時(shí)，材料A，B再生混合料失水率有所增長(zhǎng)是因?yàn)閾饺脒^量HPMC，再生混合料黏聚性能增加，表現(xiàn)為細(xì)集料包裹在粗骨料表面。外摻劑的引氣作用使得再生混合料內(nèi)部氣孔增多，從而導(dǎo)致水分蒸發(fā)流失較快。

再生混合料本身對(duì)水分非常敏感，極易出現(xiàn)拌合后短時(shí)間內(nèi)因?yàn)樗稚⑹Ф霈F(xiàn)和易性嚴(yán)重下降的問題，即施工可操作時(shí)間極短；另外，對(duì)于再生混合料來講，原材料往往較為干燥，在施工過程中，由于混合料對(duì)水分的保持能力不足，大量水分會(huì)被原材料吸走，導(dǎo)致黏結(jié)骨料局部缺水，水化因此不充分，出現(xiàn)強(qiáng)度降低、黏結(jié)力下降的現(xiàn)象。HPMC具有出色的吸水保水能力，能夠很好地解決再生混合料的泌水、施工可操作時(shí)間短、黏結(jié)力不足、混合料松散易離析等問題。因此，HPMC作為外摻劑添加到水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料中具有一定必要性。

3.5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

材料A，B再生混合料最佳含水量7%，水泥劑量5%；HPMC摻量 0%，0.2%，0.4%及0.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；根據(jù)規(guī)范T 0843-2009成型4組，每組13個(gè)φ150 mm×150 mm圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件；進(jìn)行齡期 7 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度為20 ±2 ℃，濕度≥95%），最后一天浸泡于20 ±2 ℃水中，水面高出試件頂部約2.5 cm。

HPMC摻量為0.4%時(shí)，水泥穩(wěn)定再生混合料強(qiáng)度一定程度增長(zhǎng)是由于適量纖維素醚的摻入，HPMC所具有的成膜和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以及大分子長(zhǎng)鏈上羥基的吸附作用，使再生混合料中水泥與拌和水形成絮凝狀，水泥能夠充分水化，并且增加拌和水的黏度。再生混合料具有一定的黏聚性，保證了成型后的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)度有所增長(zhǎng)。此時(shí)，HPMC的引氣作用對(duì)于再生混合料試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小的程度較小。

HPMC摻量達(dá)到0.6%，水泥穩(wěn)定再生混合料強(qiáng)度降低是因?yàn)閾饺脒^量親水性的高分子材料HPMC，其遇水溶解后所形成的膠體吸附水泥顆粒，與細(xì)集料包裹在粗骨料表面，形成一定的阻隔作用。此時(shí)，再生混合料較為松散，粒徑大小不同的集料出現(xiàn)離析，導(dǎo)致再生混合料成型后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，合理的HPMC摻配比例對(duì)水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料的強(qiáng)度更為有利。HPMC作為外摻劑應(yīng)用于水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料具有可行性，建議HPMC適宜摻量為0.3%～0.5%，最佳摻量為0.4%。

浸水1 d后，材料A，B再生試件吸水率與HPMC摻量關(guān)系如圖11所示。從圖11中可以看到，摻入HPMC后，材料A，B再生試件吸水率明顯上升且吸水率較大，表明再生試件內(nèi)部孔洞較多。外摻劑HPMC的引氣作用導(dǎo)致成型后的再生混合料試件孔隙率增加。

圖 11 HPMC摻量與再生混合料吸水率的關(guān)系Fig. 11 Relationship between HPMC content and water absorption rates of regenerated mixtures

材料A，B再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與HPMC摻量關(guān)系如圖12所示。

圖 12 HPMC摻量與再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.12 Relationship between HPMC content and the unconfined compressive strength of regenerated mixtures

HPMC摻量在0.2%以下，水泥穩(wěn)定再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低主要影響因素是由于HPMC的摻入增加再生混合料的含氣量，造成再生混合料成型后試件的孔隙率較大，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致試件強(qiáng)度降低。

4 結(jié) 論

通過對(duì)摻入HPMC的水泥膠砂試件和水泥穩(wěn)定全深式就地冷再生基層混合料的研究，得出以下主要結(jié)論：

a. HPMC由于引氣作用會(huì)降低水泥膠砂試件的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度。

b. HPMC溶于水形成類似薄膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效包裹著水，防止水分的揮發(fā)。在標(biāo)準(zhǔn)砂中加水后摻入HPMC再添加水泥與水泥先水化再摻入HPMC的摻配方式相較而言，水泥在HPMC溶于水后的分散液中更能夠充分水化，水泥膠砂試件抗折及抗壓強(qiáng)度大于水泥先水化再摻入HPMC后的水泥膠砂試件。

c. 隨著HPMC摻配比例增加，常溫下水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料的稠度增大，黏度增大，失水率減小，保水性能增強(qiáng)；當(dāng)摻量在0.4%以上時(shí)，再生混合料基本不再有泌水現(xiàn)象產(chǎn)生；60 ℃高溫情況下，摻入HPMC的再生混合料仍具有一定保水性能。

d. HPMC由于引氣作用會(huì)增加再生混合料中氣泡含量，對(duì)于水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定的削弱作用。適量摻入HPMC，可增強(qiáng)再生混合料的保水性能，保證水泥充分水化。本試驗(yàn)條件下，建議使用HPMC摻量為0.3%～0.5%，最佳摻量為0.4%（再生混合料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），這對(duì)水泥穩(wěn)定全深式冷再生混合料的強(qiáng)度更為有利。