低劑量水泥穩定銑刨料材料性能研究

馬加存 栗 虎 戰 文 劉建樹 周 浩

（1.山東省路橋集團有限公司， 山東 濟南 250001；2.山東建筑大學， 山東 濟南 250101）

0 引言

隨著交通行業的持續發展，大量公路逐步面臨改擴建的需求，改擴建中的道路一般基于原路基進行拓寬，不可避免地遇到橋梁。在橋臺處，就存在3 種類型的結構：橋臺、舊臺背回填、新臺背回填。橋臺是剛體結構[1]，其本身沉降量較小，而臺背回填材料剛度明顯較小，易于導致形成過大沉降，所以橋臺和臺背回填結構容易出現沉降差，當沉降差過大時就會出現“橋頭跳車”[2]，影響行駛舒適性，甚至因突然減速造成事故，且過大的沖擊振動對橋梁結構和汽車都有影響，降低其使用壽命，控制臺背回填結構[3-4]的沉降量具有重要的現實意義。臺背回填材料的原料多為細沙等，穩定處理難度很大，導致其剛度難以提升，從而產生過大沉降；而在公路改擴建工程中，往往產生大量的基層銑刨料[5]，一般用于再生等工程，但有時仍然殘余過多殘余廢料需要處理，這些銑刨料殘料中粗集料比例很大，經過適當穩定處理，可有效提高其剛度，并幾乎不再發生壓縮變形，從而改善橋頭跳車問題。

為了確定水穩銑刨料作為臺背回填材料正確使用方法，本文對其性能進行系統地研究。由于填料層為靠下，所受交通荷載的應力較小，對力學強度要求較低；且水穩銑刨料結構體積較大，為控制其收縮變形，水泥含量不宜太高；故本文主要研究低水泥劑量（1%-3%）[6]范圍的水泥穩定銑刨料。

1 試驗研究

為確定水穩銑刨料在臺背回填工程中的可行性，本文系統研究了水穩銑刨料的原材料基礎性能，以及混合料的力學性能和水泥劑量對混合料性能的影響。

1.1 篩分試驗

為全面了解銑刨料的基本性能，本文進行系統的研究。銑刨材料的級配影響混合料的可壓實性和密實性，優良的級配是獲得優良水泥穩定銑刨料的基礎。

試驗結果如表1 所示，從表中可以看出該水穩銑刨料中顆粒占比最多的為在9.5，4.75，2.36 三類篩上的顆粒均在10%～20%之間，此外，也存在大于40mm 的大粒徑顆粒。存在較粗顆粒是因為銑刨料未能完全破碎，存在少量集料仍然粘結在一起的現象，如圖1 所示。

表1 篩分試驗結果

將銑刨料級配與無機結合料穩定材料的基層和底基層比較，結果如圖2，從中可以看出，銑刨料的級配與水穩碎石基層的級配范圍差別較大，在19～37.5mm 篩孔均超過級配界限；但與水穩碎石底基層的級配范圍相比，除37.5mm 篩孔外，均符合此級配范圍。說明該銑刨料的級配較為優良，易于壓實獲得良好的密度，養護后可以得到較好的強度和剛度，有效控制自身的壓縮變形。

圖1 較大粒徑顆粒

圖2 銑刨料級配與水穩材料級配范圍對比

2.2 吸水率實驗

集料的吸水能力影響混合料的抗水損害能力和抗凍能力，臺背回填一般免不了冰凍問題，但受到降水和地下水的影響，仍需要具有較優良的抗水損害能力，銑刨料的吸水率測試結果如表2 所示。

表2 銑刨料吸水率

從表中可以看出，無論粗集料、細集料，銑刨料吸水率均顯著大于天然石料。這是因為銑刨料粗骨料表面粘附有水泥石，其內部空隙率遠大于天然石料，所以具有較強的吸水率，且細集料的比表面積更大，所有其表面粘附的水泥石質量比更高，從而具有更大的吸水率；且骨料表面可能粘附有一定細集料，二者之間也存在孔隙，同樣具有較強的吸水能力。所有銑刨料整體的吸水率較大，且細集料的吸水率更大。

2.3 擊實試驗

2%水泥劑量的水泥穩定銑刨料的擊實曲線如圖3 所示，從中可以看出水穩銑刨料在級配與水泥穩定碎石底基層材料級配相當的情況下，其最佳含水量比普通水穩碎石高約1.5%～2%，而其最大干密度比普通水泥穩定碎石低約0.006g/cm3左右。其原因在于2.2 所述，集料表面粘附的水泥石空隙率較高，以及互相粘接的集料顆粒間的空隙，從而具有較大的吸水率和相對較低的密度。從而導致水穩銑刨料整體的最佳含水量較高而最大干密度較低。

圖3 水穩銑刨料擊實曲線

2.4 抗壓強度試驗

水泥穩定材料的強度是核心性能指標，直接決定結構層的承載能力，并對其抗凍、抗水損害等性能有重要影響。水泥穩定材料的組成設計，一般以7 天無側限抗壓強度為設計指標；而劈裂強度決定結構層的層底受拉承載力，對結構體承載力有直接影響。

2.4.1 抗壓強度

水穩銑刨料的7 天無側限抗壓強度結果如圖4 所示。

圖4 水穩碎石強度試驗結果

從圖4 中可以看出：（1）水穩銑刨料的強度相當于或略低于普通水穩碎石，這是因為集料表面吸附的水泥石，以及集料之間的互相粘結，其強度較低成為薄弱面，降低了水穩銑刨料整體強度，但其級配相對良好；（2）水穩銑刨料的7 天無側限抗壓強度隨水泥劑量的增加，基本呈現線性增加的趨勢，提高水泥用量，可以提高其強度，并改良其抗水損壞能力和抗凍性能。

2.4.2 劈裂強度

從圖4 可以看出，水穩銑刨料的劈裂強度也較低；水穩銑刨料劈裂強度在水泥劑量為1%時強度很低不足0.1MPa，從1%增加到2%時的增幅最大，幾乎達到0.3MPa；這可能是因為1%水泥劑量過低，難以裹附所有集料表面，混合料顆粒具有無結合料表面，但2%水泥劑量條件下可以基本裹附集料表面，從而形成較高的強度；當水泥劑量提高到3%時，強度增加幅度較低。從劈裂性能看，2%的水泥劑量較為合理。

劈裂強度與基層材料的層底抗拉能力直接相關，提高劈裂強度可以顯著提高水穩銑刨料的抗力學疲勞能力，所以劈裂強度有更大的參考價值。為了保證水穩銑刨料結構層的整體性能，其劈裂強度不宜過低；但隨水泥劑量增加，水穩銑刨料后期其收縮系數增加，抗裂性能明顯下降；且高水泥劑量也造成其經濟成本相對較高，所以建議選擇2%作為水穩銑刨料穩定臺背回填料的最優結合料劑量。

3 結束語

（1）本項目銑刨料級配較好，基本滿足水穩碎石底基層的級配要求。但由于骨料顆粒表面粘附有水泥石和細集料，導致集料含有超過部分超過40mm 孔徑的粗集料，且吸水率較大；

（2）水穩銑刨料的最佳含水量比普通水穩碎石大約1.5%～2%，而最大干密度略小；

（3）水穩銑刨料的強度相當于或略低于普通水穩碎石，抗壓強度隨水泥劑量增加基本為線形增長；劈裂強度隨水泥劑量增加曲線較為曲折，綜合考慮其強度曲線、收縮性能以及成本，2%為其合理水泥劑量。