雙摻再生水泥穩定碎石干縮性能研究

張立群，張學峰，崔宏環，任忠釗

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000;2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000)

0 引言

我國道路基層為了滿足結構強度和穩定性的要求，通常采用強度高、剛度高、板結性能好的水泥穩定碎石和石灰粉煤灰穩定碎石等材料[1]，但該材料抗變形能力較差，在濕度和溫度變化后容易產生收縮裂縫，并在開裂中引起應力集中，進而沿著面層底部向上擴展為反射裂縫[2-4]，破壞道路的整體性和連續性，影響路面結構的使用性能和服務水平。道路在修建初期主要是以干燥收縮為主[5-6]，尤其是在干燥少雨的冀西北地區，因此本文主要研究道路的干燥收縮性能(以下簡稱干縮性能)。

廢舊瀝青混合料(Recycle Asphalt Pavement，RAP)是道路修建和改造過程中產生的固體廢料，我國每年有大量的道路需要改建和維修，因此會產生大量的RAP，但我國RAP利用率不足30%，遠沒有達到發達國家90%的利用率[7-8]。鐵尾礦砂(Iron Tailings Sand，ITS)也面臨著相同的問題，鐵尾礦砂是選礦后的產物，中國現有堆存的尾礦砂量近50億t，而我國綜合利用率僅為17%[9]。因此2種廢棄物堆存問題亟須解決。將二者回收再利用于道路基層不僅處理了固體廢料，又節約了礦料資源，并降低了建設成本。已有不少學者進行了相關研究：吳正光等[10]、薛勇剛等[11]和張立群等[12]發現RAP摻加到水泥穩定碎石中可以滿足道路基層強度的要求，并有良好的耐久性；張東省等[13]將細粒的RAP摻加到水泥穩定碎石中，能改善其干縮性能和溫縮性能；Sun等[14]、胡光偉等[15]和姜明等[16]對水泥穩定鐵尾礦砂進行強度和回彈等試驗研究，發現其可以滿足道路基層的要求；Shettima等[17]研究發現，用鐵尾礦砂代替混凝土的細集料可以提高抗壓強度和抗折強度，優化干縮性能。

綜上所述，廢舊瀝青混合料和鐵尾礦砂單摻到水泥穩定碎石中均可以滿足道路基層的相關要求，并且摻加廢舊瀝青細集料和鐵尾礦砂均可以優化材料的干縮性能。因此本文將2種廢棄物摻加到水泥穩定碎石中，研究2種廢棄物對水泥穩定碎石干縮性能改善效果，并為固廢處理提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究所用材料主要有水泥、天然碎石、RAP、河沙及鐵尾礦砂。其中，水泥為河北金隅水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；天然集料為張家口市生產的玄武巖碎石和河沙；RAP為張家口市公路擴建、經鄂式破碎機破碎得到；鐵尾礦在張家口礦山上直接取得。根據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)[18]中的相關方法，對集料的技術性能進行測試,其相關指標見表1和表2。

表1 粗集料物理指標

表2 細集料物理指標

根據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)[19]中推薦的水泥穩定碎石級配范圍，結合再生集料的篩分結果，得到混合料合成級配，見表3。

表3 再生集料的合成級配

1.2 試驗方法

按照重型擊實試驗得到的最佳含水率和最大干密度，計算成型規格尺寸為100 mm×100 mm ×400 mm中梁試件時需要用到的各檔再生集料、水泥及水的質量。拌和時先將水與集料拌和均勻悶料6 h，再加入水泥拌和均勻，混合料拌制結束后，將其均勻地裝填到試模中，液壓機靜壓成型。將脫模后的試件用保鮮膜包裹，放入到標準養護室中養護7 d，并在最后一天將其放入到恒溫水箱中泡水24 h。養護結束后，將試件表面擦干，然后將其放置在收縮儀上，并在試件兩端架設千分表，通過千分表讀數的變化來測定試件的干縮變形量，如圖1所示。

圖1 干縮試驗

試驗從試件移入干縮室后開始計時，每天讀一次數，同時, 測定備用試件在相同環境下的平均水分蒸發損失量，直至第30天。試驗結束后，將試件放入烘箱內烘干至恒重，稱取其質量。每種配合比下制取6個試件，其中，3個試件用于測定材料的收縮變形，另外3個用于測定材料的失水率。干縮系數由收縮變形和失水量計算得出，如公式(1)所示。

αdi=εi/ωi。

(1)

式中：αdi為干縮系數；εi為試件第i次收縮形變(10-6)；ωi為試件第i次失水率，%。

本文水泥摻量固定為5%(文中摻量均為質量分數)，RAP摻量范圍為0%～100%，鐵尾礦砂摻量范圍為0%～90%。其中，RAP替代粒徑為0.6～19 mm的天然集料，鐵尾礦砂替代0.6 mm以下的天然集料。因此RAP和鐵尾礦砂實際摻量范圍分別為0%～90%和0%～9%，RAP摻量遠大于鐵尾礦砂摻量。張立群等[12]得出RAP比鐵尾礦砂對水泥穩定碎石的強度和耐久性影響更大，同時張大勇等[20]發現RAP摻量比粗集料含量和水泥摻量對收縮性能的影響大，因此本文先固定RAP摻量，改變鐵尾礦砂摻量。由文獻[21-22]得出RAP摻量增加會削減水泥穩定碎石的強度，為保證道路基層的強度，又同時利用這2種廢棄物，本文在研究鐵尾礦砂摻量對水泥穩定碎石干縮特性的影響時，固定RAP摻量為25%，鐵尾礦摻量分別為0%、30%、45%、60%、90%(分別標記為TR0-25、TR30-25、TR45-25、TR60-25、TR90-25)。

2 試驗結果與分析

2.1 鐵尾礦砂摻量對干縮特性的影響

(1)鐵尾礦砂摻量對失水率的影響

由圖2可知，不同鐵尾礦砂摻量下的再生水泥穩定碎石累計失水率均隨著時間的增加而增大，在干縮試驗開始15 d內失水速度較快，之后趨于平穩。同時可以看出，鐵尾礦砂的摻入可以明顯減少水泥穩定碎石的累計失水率，并隨著鐵尾礦砂摻量的增加水泥穩定碎石的累計失水率逐漸減少。在相同的水泥摻量下，鐵尾礦砂摻量30%、45%、60%、90%的再生水泥穩定碎石的累計失水率分別減少了12%、13%、28%、29%。因為鐵尾礦砂與水泥結合后有一定的吸水性，所以隨著鐵尾礦砂摻量的增加失水率會逐漸減少。

圖2 不同鐵尾礦砂摻量下失水情況隨時間變化趨勢

(2)鐵尾礦砂摻量對干縮應變的影響

由圖3(a)可知，不同鐵尾礦砂摻量的再生水泥穩定碎石干縮應變隨著時間的增加而增大，并且鐵尾礦砂的摻入可以改善水泥穩定碎石的干縮性能，隨著鐵尾礦砂摻量的增加干縮應變逐漸減小，其中鐵尾礦砂摻量60%的再生水泥穩定碎石干縮應變最小，僅為沒有摻加鐵尾礦砂水泥穩定碎石的78.2%。因為鐵尾礦砂較河砂密度大，故此相同配比摻量下所需要的鐵尾礦沙顆粒較少，比表面積相應減小，于是相對有更多的水泥進行黏結，使之不易產生干縮變形，又因為鐵尾礦砂的摻加使再生水泥穩定碎石的失水率減少，同樣讓其產生較小的干縮應變。由圖3(b)可知，再生水泥穩定碎石干縮應變增長速率隨時間增加逐漸增大，10 d前后達到峰值后迅速減小，即干縮應變試驗前期迅速增長之后逐漸趨于平緩。因為試件失水主要集中在試驗前期，試件大量失水導致干縮應變快速增加。因此推薦在施工期一周內必須進行濕法養護，以防止失水過大、干縮應變加劇，從而產生干縮裂縫。

圖3 不同鐵尾礦砂摻量下干縮情況隨時間的變化

干縮試驗開始初期失去大量的水，其中主要來自材料大孔隙中毛細管水的蒸發，而大孔隙中重力水的蒸發并不會引起較大的收縮變形，毛細管蒸發完后，隨著濕度的繼續降低，材料中的吸附水也開始蒸發，進而層間水也開始蒸發，此時會產生較大的收縮應力，宏觀表現為迅速地收縮變形[23-24]，如圖4所示，試驗開始材料失水并不會引起較大的干縮變形，在達到一定的失水率后干縮應變迅速增加，其中TR0-25、TR30-25、TR45-25失水率達到4.5%后干縮應變迅速增加，TR60-25、TR90-25失水率在達到3.5%時干縮應變就已經開始迅速增長，因此摻入高摻量鐵尾礦砂的水泥穩定碎石在施工過程中更要注重保水，保證失水率在一個較低的范圍內。

圖4 不同鐵尾礦砂摻量下干縮應變隨失水率的變化

(3)鐵尾礦砂摻量對干縮系數的影響

由圖5可知，不同鐵尾礦砂摻量的再生水泥穩定碎石干縮系數均隨著失水率的增加呈現先增加后減小的變化趨勢。未摻鐵尾礦砂的水泥穩定碎石在失水率5.0%～5.5%時干縮系數達到峰值，TR30-25、TR45-25在失水率4.5%～5.0%時達到峰值，TR60-25、TR90-25的干縮系數在失水率3.5%～4.0%時取得峰值，即隨著鐵尾礦砂摻量增加再生水泥穩定碎石的干縮系數的峰值點逐漸向失水率減小的方向移動，并且干縮系數的峰值逐漸減小，TR60-25和TR90-25干縮系數峰值為TR0-25的85.9%和82.0%。說明鐵尾礦砂的摻入在降低材料失水情況的同時又降低了材料對水的敏感性。因為鐵尾礦砂在減小材料失水的同時，也降低了材料的干縮變形，因此材料的干縮系數會有所下降。

圖5 不同鐵尾礦砂摻量下干縮系數隨含水率的變化

2.2 RAP摻量對干縮特性的影響

通過研究鐵尾礦砂對再生水泥穩定碎石的干縮特性發現，較其他鐵尾礦砂摻量相比，摻量60%的再生水泥穩定碎石有較好的干縮特性，因此在研究RAP對再生水泥穩定碎石干縮特性的影響時，將鐵尾礦砂摻量固定為60%，水泥摻量5%，RAP摻量分別為0、25%、40%、55%、70%、100%(分別標記為RI0-60、RI25-60、RI40-60、RI55-60、RI70-60、RI100-60)。

(1)RAP摻量對失水率的影響

由圖6(a)可知，不同RAP摻量下的再生水泥穩定碎石累計失水率隨著時間增加而增大。沒有摻RAP的水泥穩定碎石開始失水量較少，但通過圖6(b)發現其失水速度比摻加RAP的再生水泥穩定碎石失水速度快，因此在第5天超過摻加RAP的再生水泥穩定碎石累計失水率。摻加RAP的再生水泥穩定碎石在試驗開始前10 d內失水較多，基本達到總失水率的85%以上，之后失水速度逐漸趨于平穩。同時，RAP摻量的增加會降低再生水泥穩定碎石累計失水率，相比沒有摻加RAP的水泥穩定碎石，摻量為25%、40%、55%、70%、100%的再生水泥穩定碎石累計失水率分別減小了18.5%、19.3%、20.3%、24.2%、27.9%。這是由于在集料加水拌和時，有自由水進入了廢舊瀝青混合料的內部空隙，試件靜壓成型時，混合料的毛細孔隙進一步減小，甚至部分孔隙成為了封閉孔隙，從而自由水不能順利流出，致使失水率降低。

圖6 不同RAP摻量下失水情況隨時間的變化趨勢

(2)RAP摻量對干縮應變的影響

由圖7可知，不同RAP摻量的再生水泥穩定碎石干縮應變均隨著時間的增加逐漸增大。摻加RAP的再生水泥穩定碎石干縮應變在試驗前10 d增加速度較快，之后干縮應變增長速率逐漸減小，而未摻RAP的水泥穩定碎石干縮應變增長速率呈現先增大后減小的變化，且減小后的干縮應變速率大于摻加RAP的再生水泥穩定碎石。故此未摻加RAP的水泥穩定碎石干縮應變前期較小，后期逐漸大于摻加RAP的再生水泥穩定碎石。其中RAP摻量25%的再生水泥穩定碎石干縮應變遠小于RI0-60。因為摻入RAP的再生水泥穩定碎石失水量小于未摻RAP水泥穩定碎石的失水量，從而減小了干縮變形，并且瀝青是一種柔性材料，RAP由于表面有瀝青的包裹，在試件失水引發收縮時，這層包裹的瀝青緩沖了收縮應力，減小了試件的干縮應變[25-26]。

圖7 不同RAP摻量下干縮情況隨時間變化趨勢

摻加RAP的再生水泥穩定碎石干縮應變隨含水率的變化趨勢與摻加鐵尾礦砂的再生水泥穩定碎石基本相同，如圖8所示，再生水泥穩定碎石失水前期干縮應變增長緩慢，RI40-60、RI55-60、RI70-60、RI100-60在失水率4.0%時干縮應變開始迅速增加，RI0-60、RI25-60在失水率4.5%后開始迅速增長。因此摻加RAP的再生水泥穩定碎石施工時可以采取縮短周期、覆蓋防曬苫布和適量灑水等方法，把失水率控制在較低的范圍內。

圖8 不同RAP摻量下干縮應變隨失水率的變化

(3)RAP摻量對干縮系數的影響

由圖9可知，不同摻量RAP再生水泥穩定碎石的干縮系數隨著失水率的增加呈現先增加后減小的變化趨勢，與前述摻鐵尾礦砂的再生材料類似，摻入RAP的水泥穩定碎石與未摻RAP的水泥穩定碎石相比，干縮系數峰值對應的失水率逐漸向失水率減小的方向移動，失水率由5.5%～6.0%到4.5%～5.5%，再到4.0%～4.5%。與其不同的是，摻加RAP的再生水泥穩定碎石的干縮系數峰值并沒有隨著RAP摻量的增加而降低，而是呈現先增加后減小的變化趨勢，在摻量55%時取得最大值，在摻量100%時取得最小值，并小于未摻入RAP水泥穩定碎石的干縮系數峰值。原因是再生水泥穩定碎石雖然由于RAP加入減小了材料失水量，但并沒有明顯地降低材料的干縮變形，故此沒有明顯減小材料對含水量變化的敏感性。

圖9 不同RAP摻量下干縮系數隨失水率的變化

3.3 干縮規律回歸分析

基于上述分析可知，干縮變形實為材料含水量變化所引起的體積收縮。因此失水率是影響干縮性能的主要因素，先前學者主要是對試驗結果進行闡述分析，少有理論分析，本文借助IBM SPSS Statistics軟件對影響干縮應變因素進行回歸分析，研究失水率和再生料的摻量對干縮變形的影響規律。

表4為軟件對再生水泥穩定碎石進行回歸曲線模型統計分析結果，可以發現2種再生水泥穩定碎石各個摻量下的干縮規律與指數模式有很高的擬合度，干縮應變(y)與失水率(ω)之間的指數公式為

表4 再生水泥穩定碎石干縮應變與失水率回歸曲線模型統計及參數預估

y=eAω。

(2)

為了研究參數A與摻量之間的關系，對參數A與摻量x進行回歸分析。得到A=a3x3+a2x2+a1x+a0，見表5。其中，摻鐵尾礦砂的再生水泥穩定碎石參數a0=-0.959、a1=11.006、a2=-17.871、a3=9.389；摻RAP的再生水泥穩定碎石參數a0=0.924、a1=0.557、a2=-0.227、a3=-0.004。

表5 再生水泥穩定碎石摻量與參數A回歸曲線模型統計及參數預估

綜上可知，2種再生水泥穩定碎石干縮應變y與摻量x、失水率ω之間的方程式為

摻鐵尾礦砂再生水泥穩定碎石：

y=e(9.389x3-17.871x2+11.006x-0.959)ω。

(3)

摻RAP的再生水泥穩定碎石：

y=e(-0.004x3-0.227x2+0.557x+0.924)ω。

(4)

3 結論

本文通過研究摻RAP再生水泥穩定碎石和摻鐵尾礦砂再生水泥穩定碎石的干縮性能，并對2種再生水泥穩定碎石的失水率、干縮應變和干縮系數對比分析，得到以下結論。

(1)2種再生水泥穩定碎石累計失水率和干縮應變隨時間變化趨勢基本一致，由于鐵尾礦砂的吸水性和RAP受力擠壓封閉孔隙的因素，摻加RAP與摻加鐵尾礦砂的再生水泥穩定碎石的累計失水率和干縮應變均比水泥穩定碎石的小，摻加鐵尾礦砂的再生水泥穩定碎石與摻加RAP的再生水泥穩定碎石相比，干縮應變值較小，并且干縮應變在較高的失水率時才開始快速增長。

(2)2種再生水泥穩定碎石干縮系數峰值對應的失水率均隨著摻量的增加向失水率減小的方向移動，摻加鐵尾礦砂的再生水泥穩定碎石較摻加RAP的再生水泥穩定碎石可以更好地降低材料地對失水情況的敏感性。

(3)通過SPSS軟件擬合發現種再生水泥穩定碎石干縮應變與摻量、失水率之間的關系相似，均為指數函數y=eAω，其中參數A與摻量有關，詳情見表5。