水泥穩定再生碎石干縮及疲勞性能研究

張 翯 宋長清 姚 軍

（蘇州新億泰建材有限公司，江蘇 蘇州 215143）

0 引言

我國每年產生的建筑垃圾約24億噸，資源化利用卻僅為1.2億噸，利用率為5%，遠低于歐美國家的90%[1]。近幾年我國加大了對建筑垃圾的再利用力度，其中將建筑垃圾破碎成再生骨料應用于道路基層成為了熱點。但是再生骨料壓碎值大、吸水率高，再生骨料的干縮及疲勞性能變化較大，規律不明顯，因此一般的利用率僅為50%[2]。通過摻加纖維可以有效地改善水泥穩定再生碎石的干縮及疲勞性能。因此，本文主要對不同摻量下玄武巖纖維、聚丙烯纖維的水泥穩定再生碎石混合料的干縮及疲勞性能進行了試驗研究，分析了變化規律，從而為后續的工程實踐提供一定的參考。

1 試驗方法

1.1 原材料

（1）骨料。試驗再生骨料取自蘇州新億泰建材有限公司，由老舊房屋拆除后經過破碎而成，天然骨料來自安徽興源，經破碎篩分后，按照粒徑范圍分為粗、中、細三類，其中再生料粒徑為9.5～31.5mm（粗）、4.75～9.5mm（中）、0～4.75mm（細），天然料的粒徑為9.5～31.5mm（粗）、4.75～19.0mm（中）、0～4.75mm（細）。對六種再生骨料進行吸水率、壓碎值、針片狀含量等性能檢測，結果如表1。

表1 骨料性能檢測結果

（2）水泥。水泥為蘇州市售的天山牌P·042.5水泥，依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》，對水泥性能指標檢測結果如表2。

表2 水泥性能指標

（3）纖維。試驗所用的玄武巖纖維和聚丙烯纖維均為市售的標準纖維，其基礎性能檢測結果見表3。

表3 纖維基礎性能檢測結果

1.2 配合比設計

（1）再生骨料級配合成。根據JTG/TF20-2015《公路路面基層施工技術細則》中水泥穩定級配碎石的推薦級配C-B-3，將三種再生骨料代替部分天然骨料，搭配天然粗骨料設計水泥穩定碎石基層材料級配，其中再生骨料占總質量的60%。采用的級配為再生細骨料∶再生中骨料∶再生粗骨料∶天然粗骨料=30∶25∶5∶40，合成級配如圖1所示。

圖1 水泥穩定再生碎石級配設計曲線

（2）擊實試驗。對設計的級配配比進行擊實試驗，水泥用量為4.5%，按照標準可以得出此級配下的最大干密度為2.016kg/m3，最佳含水量為6.32%。

1.3 性能測試

試驗主要研究不同纖維摻量的水泥穩定再生碎石的干縮及疲勞性能，試件成型、養護和測試方法參考《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTGE51-2009)。水泥穩定再生碎石中玄武巖纖維和聚丙烯纖維的摻量分別為0、3‰、6‰、9‰。疲勞性能試驗采用澳大利亞UTM-130型萬能試驗機，見圖2，選取0.7、0.75與0.8三組應力比進行，主要參數設置見表4。

圖2 疲勞試驗加載示意圖

表4 疲勞試驗參數設計

2 試驗結果與分析

2.1 纖維摻量對干縮性能的影響

水泥穩定再生碎石在水分蒸發和水泥水化兩種作用下，水分不斷地減少而產生了收縮，干縮試驗就是通過測量干縮變化值來反應試件的收縮性。圖3和圖4表征了單一纖維摻量的干縮量變化規律。

由圖3可知，通過與未摻加纖維比較，摻加纖維可以明顯改善試件的抗收縮性能，玄武巖摻量為3‰時減少了16%，摻量為6‰時減少了24%，摻量為9‰減少了19%，試件的收縮量在第1d時變化在10μm以下，第2d到5d每日收縮量相對平穩，前3d收縮量占了7d收縮總量的40%。第6d變化較大，第7d時變化微小，纖維摻量的增加與改善試件收縮性能并不成正比，抗收縮性能呈現先上升后下降的規律。摻量為6‰時在第7d的收縮量最小，僅為57μm，抗收縮性能最明顯，當摻量9‰時抗收縮性能相比于6‰下降，出現了拐點。圖4表現出了和圖3相同的規律，摻聚丙烯纖維的試件抗收縮性強于未摻加纖維的試件，隨著摻量從0增大到6‰再到9‰，抗收縮性能出現先上升后下降的趨勢。兩種6‰纖維摻量相比，玄武巖明顯優于聚丙烯纖維。

圖3 摻玄武巖纖維再生碎石干縮變化圖

圖4 摻聚丙烯纖維再生碎石干縮變化圖

綜上分析，水泥穩定再生碎石由于水分蒸發和水泥水化兩種作用，混合料的水分會不斷地減少。由于水的減少而發生的毛細管作用、吸附作用、分子間力的作用導致材料礦物晶體成凝膠體，而材料層間水及碳化收縮差會導致水穩材料產生體積收縮[3]。隨著纖維摻量的增加，試件的抗收縮性并沒有不斷增大，而是出現了拐點。這是因為纖維具有較大的柔性，而水泥穩定碎石是半剛性材料，適量的纖維可有效減小收縮，但是過多的纖維會使水泥穩定碎石內提供粘結作用的面積減小，收縮增大[4]。

2.2 纖維摻量對疲勞性能的影響

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》T0856-2009，疲勞試驗結果見圖5和圖6。

圖5 不同種類水泥穩定再生碎石疲勞次數

從圖5中可以看出，8種再生骨料中，在不用的應力比條件下，與全天然骨料試件相比，添加6‰玄武巖纖維的試件抗疲勞次數最高，接近全天然骨料試件，其次是同比例的聚丙烯纖維試件。圖6顯示，在三種應力比下對比同一類纖維摻量，6‰纖維摻量時，聚丙烯纖維抗疲勞次數均小于玄武巖纖維，0.70、0.75、0.80三種應力比分別下降了5%、3%、3%。隨著纖維摻量的增加，6類試件疲勞次數都呈現出了先增大后減小的規律，在纖維摻量為6‰時出現了拐點，表現出了和干縮試驗相同的規律。

圖6 水泥穩定再生碎石疲勞次數隨纖維摻量變化圖

綜上分析，纖維帶有一定的延性，在彎曲破壞過程中，因為纖維的摻入，可以延緩了塑性裂縫的產生，能夠在混凝土開裂后起到抑制裂縫發展的作用[5]。但纖維比水泥穩定碎石混合料彈性模量小，受力不同步，影響到均勻性和和其他性能，只有在受到極大應力時才會發揮作用[6]，所以摻量增加性能反而有所下降。

3 結束語

通過對玄武巖纖維和聚丙烯纖維摻量3‰、6‰、9‰的試件進行干縮和疲勞試驗，得出摻加纖維可有效改善水泥穩定再生碎石的收縮和抗疲勞性能，尤以摻量為6‰玄武巖纖維改善效果最佳，兩種纖維在摻量為6‰時出現拐點，干縮和疲勞特性呈現先上升后下降的趨勢。