改性水泥稳定基层材料的力学性能及应用研究

王培亮　冉东　王逸飞

摘要：我国公路建设进入维修养护时期，大量的废旧沥青混合料亟待加以利用，同时半刚性基层路面易产生脆性断裂，影响路面的使用性能。本文将废旧沥青混合料再生掺加到半刚性基层材料中，从不同角度分析废旧沥青混合料对半刚性基层材料性能的影响。结果表明：随着混合料掺量的增大，材料的抗压强度呈现出先增长后减小的变化规律。当废旧沥青混合料的掺量在15%～20%之间时，水泥稳定基层材料的抗压强度达到最大值。因此，工程中完全可以用废旧沥青混合料取代一定比例的新集料，但在不增加水泥剂量的前提下，废旧沥青混合料掺量不宜超过集料总质量的20%。

关键词：水泥稳定基层；废旧沥青混合料；力学性能；工程应用

中图分类号：S 773.3；U 414文献标识码：A文章编号：1001-005X（2015）01-0139-04

Mechanical Properties and Application of Modified

Cement Stabilized Basement Material

Wang Peiliang，Ran Dong，Wang Yifei

（College of Civil Engineering，Northeast Forestry of University，Harbin 150040）

Abstract：As the highway construction in China has entered into the period of maintenance and repairing，lots of waste asphalt mixtures generated in the engineering need to be utilized.Meanwhile，it is easy to generate cracks for the semirigid pavement structure，which has negative impact on the performance of the pavement.In this paper，the regeneration of waste asphalt mixture was added into the semirigid basement material.The results showed that with the increase of the mixture，the compressive strength increased first and then decreased.When the content of waste asphalt mixture reached 15% to 20%，the compressive strength of cement stabilized base material reached the maximum value.Therefore，a certain percentage of the mixture replaced in engineering is completely feasible，but the total mixture of waste asphalt should not surpass 20% of the mass of aggregate.

Keywords： cement stabilized basement material；waste asphalt mixtures；mechanical properties；engineering application

收稿日期：2014-08-04

基金項目：黑龙江省自然基金（E201249）；哈尔滨市优秀学科带头人基金（2013RFXXJ033）

第一作者简介：王培亮，硕士研究生。研究方向：岩土工程。

Email：wanghongguang@zoho.com

引文格式：王培亮，冉东，王逸飞.改性水泥稳定基层材料的力学性能及应用研究[J].森林工程，2015，31（1）：139-142.随着旧路改造项目及路面大、中修项目的实施，产生了大量的废弃路面材料，特别是废旧路沥青混凝土材料。这些废旧材料既造成浪费，又会对环境造成污染。经过三十余年的建设，我国公路总里程数接近400万km，其中80%是沥青混凝土路面。目前，我国已建成的沥青混凝土路面接近使用寿命，面临着维修与改造的任务[1]。同时，我国公路交通量和车辆荷载的迅猛增长，使得新建公路工程，在服役的初期就遭受到了比较严重的损坏。

我国每年约产生220万t废旧的废旧沥青混合料，这加重了环境和能源压力。为有效利用旧路材料，达到工程建设“经济、环保、节约”的要求，国内外对旧路面再利用做了大量的研究工作，并在工程实践中取得了良好的应用效果和经济效益[2]。

我国现有废旧沥青混合料再生手段主要有热再生和冷再生两种。热再生用于下面层或柔性基层，冷再生用于柔性基层或半刚性基层[3-4]。同时，在应用中存在一些显著的问题亟待解决：其一是现有的再生技术多以添加乳化沥青或泡沫沥青作为再生胶结料，并添加新集料，这对再生设备及拌合设备均有改造需求，造成实施成本较高，推广难度较大。其二是废旧沥青混合料就地冷再生一般是以添加水泥和新集料作为半刚性基层使用，但由于目前工程中对基层性能的要求不高，导致其材料力学和变形特性研究较少，缺少相应的评价指标和体系，无法进行技术推广和工程应用[5]。

本文研究基于旧路改造设计的废旧沥青混合料的再利用问题，提出水泥掺拌不同比例废旧沥青混合料的再生方案，通过对水泥稳定基层材料的改性，研究其力学性能和工程应用。本文的研究成果对于，拓宽再生料的应用范围，降低再生料的经济成本，并开展具体的工程应用有积极的意义。

1试验原材料及配合比设计

采用黑龙牌P·C 32.5水泥，废旧沥青混合料来自高速公路的改扩建工程，新集料主要组成部分是玄武岩碎石。通过初步的基础材料试验，确定本文试验所采用的水泥、集料、旧沥青的技术性质，见表1～表3。

第1期王培亮等：改性水泥稳定基层材料的力学性能及应用研究

森林工程第31卷

表1试验用水泥的性能指标表

Tab.1 Technical indicators of used cement

80μm筛余/%密度/g·cm-3初凝时间/h终凝时间/h1.403.051.553.75

表2试验用集料的主要技术指标表

Tab.2 Main technical indicators of used aggregate

集料类型表观相对密度

/g·cm-3压碎值/%试验用新集料（A）20～302.68——试验用新集料（B）10～202.7521.2试验用新集料（C）5～102.76——试验用新石屑（D）2.71——废旧沥青混合料（E）2.6824.6

表3废旧沥青混合料中的旧沥青技术指标

Tab.3 Technical indicators of waste asphalt used in mixture

技术指标试验结果沥青含量/%4.6针入度（25℃，100g，5s）/0.1 cm27延度（15oC，5 cm/min）/cm47

根据骨架密实型水泥稳定类集料级配范围，设计废旧沥青混合料的掺量分别为15%、30%和45%三种，试验用级配见表4。

表4试验所用级配表%

表5击实特性试验结果

Tab.5 Results of compaction test

水泥剂量/%最大干密度/g·cm-3最佳含水量/%04.02.2006.04.52.2016.15.02.2036.115%4.02.1826.34.52.1846.35.02.1906.530%4.02.1546.74.52.1606.85.02.1617.045%4.02.1286.64.52.1336.95.02.1357.0

不同水泥劑量的混合料的击实特性随废旧沥青混合料掺量的变化曲线如图1和图2所示。

图1废旧沥青混合料掺量对

基层最大干密度的影响曲线

Fig.1 Influence curve of waste asphalt mixture

content on maximum dry density of basement

从图1可以看出，随这废旧沥青混合料掺量的增加，混合料的最大干密度持续降低。产生这种变化的原因，主要有两方面：其一是由于沥青的密度逐渐减小，最大干密度会随着掺量的升高而逐渐降低。其二是由于沥青具有明显的粘弹性特性，骨料颗粒的表面被废旧沥青所包裹而不易产生相对运动，因而在压实过程中，沥青混合料有较大的回弹性。

图2废旧沥青混合料掺量对

基层最佳含水率的影响曲线

Fig.2 Influence curve of waste asphalt mixture content

on optimum moisture content of basement

从图2中可以看出，随着废旧沥青混合料中掺量的增大，其最佳含水量呈现出先增大后趋缓的变化规律。同时，在制备废旧沥青混合料的过程中，由于沥青的憎水性，混合料颗粒表面在3 h后仍是部分干燥的。在沥青混合料压实的过程中，其受力特征是水泥稳定砂砾材料主要是靠彼此紧密的砂砾颗粒之间的润滑作用，而达到逐步密实状态。因此，随着在沥青混合料中废旧沥青混合料掺量的比例逐渐增大，所需要的含水量也会逐渐增大。

3改性水泥稳定基层材料的力学性能

本文的试验中，以废旧沥青混合料的掺量和水泥剂量为主要的影响因素，主要进行7d抗压强度试验，按照规范规定的标准试验规程进行试验，研究抗压强度的变化规律，试验结果如图3所示。

图3废旧沥青混合料掺量对基层抗压强度的影响曲线

Fig.3 Influence curve of waste asphalt mixture

content on compressive strength of basement

从图3中可以看出，废旧沥青混合料的掺量较小时，其掺量对材料的抗压强度的影响十分有限。这主要是由于水泥稳定基层材料的抗压强度是依靠水泥胶结料与骨料的粘结力，以及矿料间的摩阻力所形成的。同时，废旧沥青混合料颗粒表面存在大量的废旧沥青材料，因而具有可变形的性质，这使得骨料颗粒之间形成了紧密的接触状态，有利于提高沥青混合料中骨料间的摩阻力，因而改善了混合料的粘聚力。但当废旧沥青混合料的掺量较大时，水泥浆与废旧沥青混合料颗粒表面接触的面积逐渐增大，影响了水泥对新旧骨料颗粒的粘结作用，这会使得抗压强度在废旧沥青混合料掺量较大时反而有所降低。

因而，如果保持沥青混合料中的水泥剂量恒定，废旧沥青混合料的掺量较小时，对沥青混合料的抗压强度产生有利的影响，且能降低工程造价，完全能够应用于实际的公路工程中。应该注意的是，适宜的废旧沥青混合料掺量是一个动态平衡的过程，需要兼顾工程质量、经济性和保护环境等综合因素[6-7]。

基于上述分析，本研究建立废旧沥青混合料的抗压强度与废旧沥青混合料掺量之间的回归关系，采用二次抛物线来拟合，回归系数见表6。

表6抗压强度与废旧沥青混合料掺量的回归系数

Tab.6 Regression coefficient of the waste asphalt

mixture content and its compressive strength

水泥劑量/%Rc=A0+A1·CR+A2·C2RA0A1A2R4.04.08-0.53-3.590.9724.53.75-1.12-6.670.9015.04.48-0.77-5.380.925

我国在工程中，已经使用水泥稳定级配碎石基层材料较多，积累了大量的经验[8-9]。相关的工程经验表明，为了防止在公路中出现半刚性基层开裂等病害，应在确保水泥稳定级配碎石基层的抗压强度满足设计要求的前提下，工程中应尽量减少水泥剂量以及矿粉等活性物质的使用量，以降低温缩或干缩产生的开裂现象[10-12]。因而，参照现行的公路设计规范要求，并结合本文的研究结果，本文提出了在一定水泥掺量下适宜的废旧沥青混合料掺量，见表7。

表7重载交通量道路的废旧沥青混合料推荐掺量

Tab.7 Recommended content of waste asphalt

mixture used in heavy traffic highway

结构层位水泥剂量/%4.04.55.0基层——≤20≤40底基层≤35≤45≤60

4结论

本文从废旧沥青混合料的特性出发，研究了水泥剂量和废旧沥青混合料掺量对水泥稳定基层材料力学性能的影响规律，本文得到了如下结论：

（1）掺入不同比例的废旧沥青混合料后，水泥稳定基层材料的最大干密度随混合料掺量增大而减小，最佳含水量随废旧沥青混合料掺量增加而逐渐增大。对于不同的水泥剂量，其规律是随着水泥剂量增大，水泥稳定基层材料的最大干密度和最佳含水量均有所增大。

（2）废旧沥青混合料掺量对水泥稳定基层材料的抗压强度影响是，随着混合料掺量的增大，抗压强度呈现出先增长后减小的变化规律。当废旧沥青混合料的掺量在15%～20%之间时，水泥稳定基层材料的抗压强度达到最大值。同时，水泥剂量的增加对水泥稳定基层材料的抗压强度起到一定的促进作用。

（3）抗压强度和废旧沥青混合料掺量间存在二次曲线关系，工程中完全可以用废旧沥青混合料取代一定比例的新集料，但在不增加水泥剂量的前提下，废旧沥青混合料掺量不宜超过集料总质量的20%。

【参考文献】

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[责任编辑：李洋]