水泥稳定碎石再利用试验研究

李丽慧，马金柱

(许昌学院 土木工程学院，河南 许昌 461000)

我国公路及城市道路的设计年限一般为15～20年，当已建成的路面达到使用年限或因重交通、超载等原因提前被破坏，甚至是结构性破坏，路面必须进行改造[1,2].水泥稳定碎石基层是我国高等级公路基层和底基层应用最广泛的一种结构型式[3,4].

我国每年的路面改造工程都会产生大量的废旧水泥稳定碎石.以前，大部分建筑垃圾未经任何处理就被运往郊外露天堆放或填埋[5]；近十年来，随着国家对资节约源和环保问题的日益重视，全国各地陆续建设了建筑垃圾处理厂[6]，对本地区的建筑垃圾进行回收、集中处理与再利用.建筑垃圾通常要经过分类、破碎、分拣等工艺后存放，然后根据需求再利用.废旧水泥稳定碎石如果由建筑垃圾清运公司集中回收，从铣刨到再利用通常需要一段时间；如果由该道路工程的施工单位直接回收后再利用，不仅大大缩短其存放时间，而且能够节约占地.本研究以废旧水泥稳定碎石为研究对象，通过试验，分析其存放前后各方面性能的差异，为废旧水泥稳定碎石资源化处置效益的最大化提供科学依据.

1 试验方案

在道路改造工程水泥稳定碎石基层铣刨现场取样，分两个批次进行水泥稳定碎石再生试验，一批立即进行配合试验、无侧限抗压强度和收缩试验，并将该配合比应用于本工程水泥稳定碎石底基层；另一批放置三个月后，再进行相同试验，与之前的再生集料进行对比.

2 原材料试验

2.1 再生集料

再生集料为许昌市某道路改建工程中旧水泥稳定碎石基层的铣刨料.取样之后立即用于试验研究的集料简称为1#集料，经过露天放置3个月之后用于试验研究的集料简称为2#集料.经过筛分试验测得再生集料的级配变化，1#集料和2#集料级配组成见表1和图1.

表1 两批集料级配

图1 两批集料的级配曲线

由图1可以看出，再生集料19 mm以上粒径所占比例较少.2#集料与1#集料相比，大粒径的比例变小.所以，再生集料出现了“粉化”现象.

2.2 天然集料

由于水泥稳定碎石再生集料中大粒径所占比例较少，而且物理力学性能往往不均匀[7]，在施工过程中可能出现粗细料离析、强度不均匀等质量问题[8].因此，再生集料中掺加一定比例的天然集料，以改善其级配，提高再生水泥稳定碎石的品质.掺加的天然集料粒径为9.5～19 mm的碎石.

2.3 水泥

水泥为许昌豫新P.O32.5水泥，初凝时间为169 min，终凝时间为262 min，满足《通用硅酸盐水泥标准》GB175-2007要求.

3 配合比设计

3.1 集料组成设计

《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034—2000)(简称《规范1》)和《公路沥青路面设计规范》 [JTG D50—2006](简称《规范2》)对水泥稳定碎石的集料级配提出了要求.本项目为沥青混凝土路面，由于骨架密实结构具有优良的力学性能、抗收缩能力，所以参考了《规范1》中高速和一级公路公路底基层和《规范2》中骨架密实型级配.1#和2#再生集料都选择3种掺配比例，分别为35%碎石+65%再生集料(简称1—35和2—35)、40%碎石+60%再生集料(简称1—40和2—40)和45%碎石+55%再生集料(简称1—45和2—45)，级配组成见表2.

表2 1#集料3种掺配比例的级配

根据混合料筛分结果，选择1-35和2-35 ，即两种再生集料的掺配比例均为35%碎石+65%再生集料.

3.2 最佳含水量的确定

无侧限抗压强度设计要求为大于等于3.5MPa.采用击实法成型试件，确定最佳干密度和最佳含水率.试件从试模内脱出后,立即用塑料薄膜包覆，放置于养护室标准养护6 d、浸水1 d，进行7 d无侧限抗压强度试验.

研究表明，掺加一定比例的粉煤灰，可以改善水泥稳定碎石的收缩性能[9].5%的粉煤灰掺量可以显著改善水泥稳定碎石收缩性能[10].因此，本研究掺加的粉煤灰用量为5.0%.1-35集料，采用水泥用量为4.0%，进行击实试验，击实试验结果见表3和图2，2-35集料击实试验、击实试验结果见表4和图3.

表3 1-35击实试验结果

经过击实试验，得到1-35最佳干密度为2.232 g·cm-3，最佳含水量为7.4%.

2-35集料，水泥用量4.0%，粉煤灰5.0%，经击实试验后，试件强度达不到目标要求.因此，水泥用量调整为5%，粉煤灰用量不变，进行击实试验，击实试验结果见表4和图3，水泥稳定碎石击实试验结果见表4和图3.

表4 2-35击实试验结果

图2 1-35击实曲线

图3 2-35击实曲线

经过击实试验，得到2-35最佳干密度为2.212 g·cm-3，最佳含水量为7.6%.

3.3 无侧限抗压强度

用重型击实法制备试件.试件从试模内脱出并称量后立即用塑料薄膜包覆，在25±2 ℃的标准养护室保湿养生 6 d, 浸水1 d，进行7 d无侧限抗压强度试验.试验结果见表 5.

表5 无侧限抗压强度试验结果

无侧限抗压强度试验结果表明：1-35与2-35的无侧限抗压强度大致相当，均满足强度要求，但是1-35的水泥用量为4%，2-35的水泥用量为5%，因此，再生集料经过存放后的经济性有所下降.

4 干缩试验

按照最佳含水量制备100 mm×100 mm×40 mm梁试件.试件脱模后用塑料袋密封，置于标准养护室保湿养生7d后，测定试件的收缩情况.每隔 24h测一次试件的干燥收缩值及相应含水量，直至含水量基本保持不变[11].测得1-35和2-35的干缩系数分别为49×10-6和,62×10-6.表明：掺加粉煤灰的再生水泥稳定碎石干缩性能较好；1-35的干缩性能优于2-35.分析原因：2-35与1-35集料相比偏细，尤其是粒径小于2.36 mm的成分明显偏多.细集料，尤其是2.36 mm以下的集料会导致水泥稳定碎石收缩率的增大[12].缩短再生骨料的存放时间，有利于改善其收缩性能.

5 结语

综上所述，可以得出如下结论：

(1)水泥稳定碎石再生集料可以作为骨料的主要来源，用于水泥稳定碎石中；

(2)水泥稳定碎石再生集料放置过程中，级配发生了一定变化，出现了“粉化”现象；

(3)放置一段时间后的再生水泥稳定碎石集料，进行配合比设计时，需要的水泥用量有所增加.

因此，建议道路改造工程中产生的水泥稳定碎石铣刨料宜尽快利用，应用于本项工程水泥稳定碎石基层中，缩短存放时间，以提高其经济性.

参考文献：

[1] 蔡先山.公路改建工程路基路面改建方法浅析[J].工程与建设,2010,24(3):406-408.

[2] 李金龙.市政道路改造工程中的理论分析与试验研究[D].南京：南京理工大学,2008.

[3] 黄 科,李 东,孙家瑛.再生集料对水泥稳定碎石路基层性能影响[J].华东公路,2008(2):67-69.

[4] 杨瑞华,许志鸿,李宇峙,等.水泥稳定碎石基层级配研究[J].公路工程,2007,32(4):76-78.

[5] 祁 峰,韩瑞民,张名成.建筑垃圾无机再生集料性能试研究[J].交通标准化,2014,42(5):96-99.

[6] 谢 浩.以建筑周期全过程的管理模式处理建筑垃圾[J].混凝土世界,2013,52(10):20-23.

[7] 高启聚,谢祥根.废弃路面水泥混凝土再生利用的试验研究[J].中南公路工程, 2006,31(3):151-154.

[8] 孙家瑛,蒋华钦.掺再生集料的水泥稳定碎石路面基层施工与应用[J].2009,30(4):40-43.

[9] 余 峰,李永亮,杨红辉.粉煤灰在水泥稳定碎石基层中的应用[J].中外公路,2004,24(4):150-152.

[10] 徐鸥明,王有贵,陈俊宇,等.掺粉煤灰水泥稳定碎石收缩特性研究[J].重交通大学学报:自然科学版,2014,33(4):72-75.

[11] 孙兆辉,许志鸿,王铁斌.基于干缩变形特性的水泥稳定碎石级配组成[J].同济大学学报:自然科学版2006,34(9):1 185-1 190.

[12] 孙家瑛,蒋华钦,刘绥芳,等.再生混凝土集料对水泥稳定碎石性能的影响及工程应用[J].混凝土与水泥制品,2009(1):20-23.