再生集料水泥穩定碎石的力學性能研究

李鵬飛，韓鵬威，徐文遠

(1.黑龍江省公路工程造價管理總站，黑龍江 哈爾濱 150001；2.東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 再生粗集料的性能評價

再生粗集料是由硬化的水泥砂漿體、表面包裹一定數量砂漿的碎石以及與砂漿完全脫離的碎石三種石料組成。考慮到水泥穩定碎石中對集料的粒徑要求，選擇5～10 mm及10～20mm兩組再生集料進行物理和力學性能試驗。

1.1 物理性能評價

參考《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)中的方法對再生集料和天然集料分別進行進行吸水率、表觀密度、針片狀含量和堆積密度試驗等物理性能試驗，試驗結果見表1。

表1 再生粗集料物理性能試驗

試驗結果表明：

(1)表觀密度：再生集料的表觀密度小幅度低于天然集料，主要原因為再生集料碎石存在較多的開口空隙，開口空隙越多，空隙率就越大，使得天然集料表觀密度大于再生集料表觀密度。

(2)吸水率：天然集料的吸水率小于再生集料的吸水率，主要原因是水泥砂漿的存在使得再生集料的孔隙率增大，吸水率也變大。

(3)堆積密度：再生粗集料的堆積密度低于天然粗集料。主要原因為再生集料表面會存在未水化的水泥砂漿，這些水泥砂漿強度比較差，在試驗過程中易被壓碎和脫落，這些碎落的水泥砂漿占據了相應內部空間，使得在相同體積下再生集料的整體質量降低。

(4)空隙率：天然集料空隙率低于再生集料的空隙率，主要原因是再生集料在破碎過程中，受到較大的機械擠壓作用，內部產生了相應的微裂縫，再生集料表面凹凸不平，棱角較多，這些因素都間接增大了再生集料空隙率。

1.2 力學性能評價

參考《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)中的方法對再生集料和天然集料分別進行壓碎值試驗和堅固性試驗。

表2 再生粗集料力學性能試驗

試驗結果表明：

(1)壓碎值：天然集料和再生集料的壓碎值均滿足規范要求。再生集料較天然集料的壓碎值高6.5%。主要原因是再生粗集料表面會存在未水化的水泥砂漿，這些水泥砂漿強度比較差，在壓碎過程中易被壓碎；再生集料在破碎過程中，受到較大的機械擠壓作用，內部產生了相應的微裂縫，導致強度降低，進而導致抗破碎性能降低，壓碎值增大。

(2)堅固性：再生集料的堅固性較天然集料較差，但均能滿足規范要求。

2 力學性能研究

2.1 擊實試驗確定最大干密度和最佳含水量

本論文研究最終采用了《公路路面基層施工技術細則》(JTG/TF20-2015)里“表4.5.4水泥穩定級配碎石或礫石的推薦級配范圍”中的C-C-2級配。此級配范圍適用于二級及二級以下公路的基層，級配合理，抗變異能力較強。分別按4%、5%、6%三種不同的水泥劑量，以5～10 mm和10～20 mm兩種再生集料摻配率分別為0%、35%、70%和100%四種不同摻配率等量取代天然集料，共計12組配合比來配制水泥穩定碎石混合料。擊實試驗結果如表3。

表3 擊實試驗結果

根據擊實試驗結果，得出以下結論：

(1)隨著再生集料摻量的增加，混合料的最大干密度逐漸降低。水泥劑量為5%時，摻量為100%時的最大干密度與摻量為0時相比降低了6%。

(2)相同水泥劑量下，再生集料摻量越大，混合料的最佳含水量越大。水泥劑量為5%時，摻量為100%時的最佳含水量與摻量為0時相比增大了26%。

2.2 再生集料水泥穩定碎石力學性能

為研究再生集料摻量和養護齡期對再生集料水泥穩定碎石力學性能的影響，考慮到施工變異性和抗凍性能等因素最終采用5%的水泥劑量，以再生集料摻量分別為0%、35%、70%和100%等量取代天然集料，按照《公路工程無機結合料穩定類材料試驗規程》(JTG E51-2009)進行7 d、2 8d和90 d齡期的無側限抗壓強度試驗和劈裂強度試驗。試驗結果如表4。

表4 再生集料水泥穩定碎石不同齡期力學性能

圖1 劈裂強度與再生集料摻量、養生齡期的關系

試驗結果表明：

(1)5%水泥劑量和100%再生集料摻量下的7 d無側限抗壓強度可以滿足二級及二級以下公路的重交通等級路面基層要求，表明再生集料在實際工程中可以應用。

(2)隨著再生集料摻量的增加，再生集料水泥穩定碎石無側限抗壓強度和劈裂強度呈現先增大后降低的規律。這種先增加后降低的主要原因是：試件強度不僅受到集料自身的強度的影響，還受到集料和集料之間、集料與水泥間的界面接觸形成的粘聚力影響。強度試驗過程中，試件的破壞最早發生于集料和集料之間的界面，這個過程只有少量的集料被破壞，此時集料—集料、集料與水泥間的界面接觸強度會對水泥穩定碎石的強度造成影響。再生集料較天然集料品質較差，棱角更多，更粗糙，孔隙更大，當天然集料中摻入再生集料時，兩者之間產生的摩擦力和咬合力更大；同時再生集料的較大孔隙率可以與更多的水泥漿接觸，增大了集料與水泥間的界面接觸強度。鑒于以上原因，再生集料的摻入增大了試件的劈裂強度。再生集料摻量為35%時，試件內的主要受力對象為天然集料，再生集料為次要受力對象。而隨著再生集料摻量的逐步增加，試件內的主要受力對象變為了再生集料，再生集料自身強度低的原因被放大，整體強度隨之降低。

(3)基層力學性能隨著養護齡期的增長而逐漸增長，與普通水泥混凝土隨齡期的變化規律相一致。

3 結 論

再生集料的壓碎值和堅固性等力學性能較天然集料較差，但均能滿足規范要求，再生集料的針片狀含量低于天然集料。再生集料的物理力學性能與天然集料相差不大，符合規范要求；再生粗集料的吸水率大于天然粗集料的吸水率，在工程實際中需要考慮吸水率的問題，適當增加用水量。對7 d、28 d、90 d齡期的無側限抗壓強度和劈裂強度進行試驗研究。再生集料摻量的逐步增大使得基層力學性能均呈現先增大后降低的規律，力學性能均隨齡期的增長而增大。