水穩再生料強度優化研究

袁公昌，閆祥勝，李浩，周浩

（1.無棣縣公路事業發展中心，山東 濱州 251999；2.濱州安泰路橋工程有限公司，山東 濱州 251999；3.山東建筑大學，山東 濟南 250101）

在我國，半剛性基層瀝青路面成為我國高速公路的主要路面結構形式，半剛性基層是瀝青路面的主要基層類型，我國在建或已建成的高速公路90%以上采用半剛性基層瀝青路面，且大量道路進入大修期，但長期基建歷史導致我國優質石材日益短缺。對既有道路結構材料銑刨后進行穩定再生[1-2]是客觀需求。半剛性基層的材料構成決定了，對其進行水泥穩定再生是最合理的方法。半剛性基層材料的水穩再生料與傳統水泥穩定碎石較為接近，力學強度一般略低于水穩碎石，抗變形能力也更低。從而導致水穩再生基層更容易因應變能力較低而發生破壞。

為改善半剛性基層材料變形能力，道路工作者進行了大量研究[3-4]，其中最有效的方法是加入纖維進以及粉煤灰行強化[5-7]。粉煤灰[8]可以與水泥水化產物反應進行火山灰作用提供強度，且其形狀為微小球形有利于混合料的壓實和密實；摻入纖維后，水泥水化產生的水泥石可與集料和纖維粘接，從而將混合料整體連接為一個整體，且高聚物纖維具有很強的力學強度和變形能力，一方面直接提高混合料的強度，另一方面在混合料受力產生微裂縫的情況下，纖維可將已經碎裂的混合料試件仍然連接為一個整體，并維持一定強度，從而有效提高集料-水泥石-纖維復合材料整體的強度和變形性能。為了確定水泥和纖維強化對水穩再生材料的力學性能的影響，本文進行了系統的研究。

1 材料與實驗方法

（1）水泥。實驗所用水泥均選用標號為42.5 的硅酸鹽水泥，生產廠家為山東山水水泥。按照相應規范要求對所用水泥進行技術檢測，結果顯示，所選用的水泥的各項技術指標和性能參數均符合規范要求。本次選用水泥劑量4%，粉煤灰劑量為8%。

（2）再生料。一般經驗表明，水穩再生材料的強度比傳統水穩碎石略低。本次目的為完全利用基層再生料，再生料分為粗中細三檔，最終完全利用，未添加新碎石，其級配接近懸浮密實結構水穩碎石，但部分粒徑級配超范圍。

（3）纖維。本次實驗選用的纖維為聚丙烯纖維。纖維用量存在最佳用量和最佳強度，在一定范圍內，當纖維用量提高或纖維長度增長時可以提高混合料強度，但超過最佳值后，都會產生纖維團聚現象，降低混合料強度。根據纖維推薦用量和前期經驗，本次選擇纖維劑量1‰，纖維長度12mm。

（4）本次實驗方法為無側限抗壓實驗，通過不同材料的峰值強度和變形來評價其力學性能。無側限抗壓強度是半剛性基層材料試件在無側向壓力情況下的極限強度，這是無機結合料穩定材料組成設計的核心指標，可以綜合反映材料的性能。本文通過7d、28d、90d 齡期無側限抗壓強度反映其力學強度，通過7d 齡期的抗壓變形峰值反映其變形能力。試件的成型是按照試驗規程《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》JTGE51—2009 中的T0843—2009 方法成型徑高比為1:1的圓柱形試件，試模選用Φ150mm×150mm，壓實度為98%，靜壓成型，并在20℃條件下進行相應齡期下的標準養生。

2 結果分析

2.1 水穩再生材料強度

與傳統的新拌水穩碎石相比，水穩再生料強度略低，具體強度對比如圖1 所示。

圖1 水穩碎石與水穩再生混合料不同齡期強度

由圖1 可知，水泥再生材料的含水率顯著提高，密度計有一定程度降低，其抗壓強度下降約20%。其原因在于再生料骨料經過長期承載，骨料的強度、棱角性以及顆粒表面粗糙程度會有一定程度降低，集料的級配一般也有所衰退，且其中細料含量特別是其中的水泥石含量較高，從而降低混合料的強度，并提高其收縮系數，導致易于收縮開裂。一般可以在再生料中加入部分新碎石來在一定程度上改善再生料級配并提再生高混合料強度和性能。通過加入纖維和粉煤灰等措施可以更有效提高再生料的力學強度，特別是能有效提高其抗變形和開裂能力[9-10]。

2.2 纖維與粉煤灰對水穩再生料強度的影響

纖維和粉煤灰都可以提高再生料的強度。不同齡期條件下，纖維和粉煤灰都對再生料強度的影響如圖2 所示：

圖2 粉煤灰與纖維對水穩再生混合料不同齡期強度的影響

圖3 纖維與粉煤灰對水穩再生料力學和變形能力影響

由圖2 可以得到以下結論：（1）再生料中加入纖維后，其強度，特別是早期強度有明顯提高，約17%～22%，纖維強度水泥再生料強度基本與水泥穩定碎石相當。（2）加入粉煤灰后，其早期強度變化不大，明顯低于水穩碎石，與普通水穩再生料強度基本一致，但后期強度又明顯提高，90d 強度增長幅度可達24%，超過新拌水穩碎石強度。這是因為粉煤灰-水泥在水化過程中相互影響，粉煤灰的反應速率較低但可以持續很長時間，所以其早期強度相對較低但后期增長顯著。（3）復合添加纖維和粉煤灰，其早期強度較好，纖維強化水泥再生混合料相當，后期強度比單純纖維強化或添加粉煤灰的水穩再生混合料強度高，90d 強度提高29%。（4）在提高早期強度方面，纖維作用較大，粉煤灰影響很小；在提高長度強度方面粉煤灰影響更為顯著，復合使用纖維和粉煤灰能更有效地改善再生料強度。

這是因為纖維加入水穩再生料并分散基本均勻后，隨著水泥水化過程的持續，水泥石逐步與纖維絲束結合，大量水泥水化物和纖維絲束最終會形成致密的、三維方向隨機分布的水泥石-纖維立體網狀固結體系，并與水泥穩定再生料形成復合材料強度體系。纖維復合水穩材料的抗拉強度是由水泥穩定材料基體和纖維的抗拉強度疊加而成，依靠纖維和水泥基體間的界面吸附力；在這種狀態下，當混合料體系受力時，方向隨機的纖維絲束必然有一部分處于受拉狀態，從而承擔一部分應力，想要對水泥穩定再生料造成破壞，就必須克服纖維的抗拉強度做功，但纖維本身強度和變形能力很強，因此在斷裂過程中會產生更大的變形量并消耗更大的能量。

2.3 纖維與粉煤灰對水穩再生料變形能力的影響

為了進一步分析纖維與粉煤灰對水穩再生料變形能力[11]的影響，本文測試了不同材料試件7d 無側限抗壓強度應力峰值對應的變形值（其中的CTA為水穩碎石，CR 為水泥再生料，CFAR 為水泥粉煤灰再生料、CFR為水泥纖維再生料、CFAFR 為水泥粉煤灰纖維再生料）；為了與應力情況進行對比，同樣給出了不同材料荷載峰值，具體結果如下：

根據圖2 可以得到以下結論：不同外加劑對水穩再生料的力學強度和變形能力的影響不完全一致，具體說來：（1）加入粉煤灰后，水穩再生料的早期強度變化很小（降低3%），但應變值有一定提高（約8%）。（2）再生料中加入纖維后，早期強度有明顯提高（約18%）；而其極限變形值有顯著提高（約42%）。（3）復合添加纖維和粉煤灰，其早期強度提高（約17%），而其極限變形值有顯著提高約49%。這是因為纖維變形能力遠大于水泥石，當水泥石破裂后，纖維仍然將已經開裂的混合料聯系在一起并保有一定強度，所以不但可以有效提高混合料的強度更能顯著提高其抗變形能力。基層材料抵抗外部力學荷載的能力由極限強度和變形能力共同影響，抵抗收縮荷載的能力主要受變形能力影響。而復合使用粉煤灰和纖維同時提高水穩再生料的強度和變形能力，所以對基層的行車荷載的承載力和對收縮的抵抗能力，都有顯著的改善效果。

水泥穩定材料來說，其力學強度較高，正常工況條件下極少因力學強度不足而導致破壞；而其變形能力較弱，變形能力不足導致的收縮開裂是其最主要短板，極大影響水穩材料的耐久性。本文通過添加粉煤灰和高聚物纖維，有效提高水穩再生料的各項性能：在復合使用條件下，水穩再生料的長期力學強度可以提高29%，抗變形能力提高49%；可以提高水穩再生料的承載能力，特別是改善其變形能力可有效提高其抗開裂性能從而保證基層的耐久性。

從以上實驗結果可知，在水穩再生料中加入粉煤灰對其早期強度影響很小，但對其長期強度有顯著的增強作用，粉煤灰對再生料的變形能力有一定改善作用；加入適量纖維對水穩再生料的所有強度均有較好的增強作用，對其變形能力有顯著的改善作用；復合使用粉煤灰和纖維，對水穩再生料早期和長期的力學和變形性能均具有顯著的改善作用。

3 結論

本文通過添加粉煤灰和聚丙烯纖維來改善水穩再生料的力學性能，并通過不同齡期的強度和變形能力為指標進行評價，得到以下結論：

（1）水穩再生材料的力學性能一般略低于新拌水穩碎石，可以通過加入適量粉煤灰和纖維來進行改善。

（2）加入分粉煤灰后，水穩再生料早期強度變化較小，其后期強度有顯著提高，可超25%。

（3）加入纖維后，水穩再生料早期強度有顯著提升，約20%，其后期強度也有較為明顯提高，但其程度不如粉煤灰明顯；但加入纖維后再生料混合料變形能力顯著提高可達42%。

（4）復合摻加粉煤灰和纖維，可以顯著提高水穩再生料早期強度和后期強度；可以顯著提高水穩再生料的強度和變形能力，其強度可提高28%，變形能力可提高49%，有效提高其承載能力和抗裂性能。