再生集料水泥稳定碎石的力学性能研究

李鹏飞，韩鹏威，徐文远

(1.黑龙江省公路工程造价管理总站，黑龙江 哈尔滨 150001；2.东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 再生粗集料的性能评价

再生粗集料是由硬化的水泥砂浆体、表面包裹一定数量砂浆的碎石以及与砂浆完全脱离的碎石三种石料组成。考虑到水泥稳定碎石中对集料的粒径要求，选择5～10 mm及10～20mm两组再生集料进行物理和力学性能试验。

1.1 物理性能评价

参考《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)中的方法对再生集料和天然集料分别进行进行吸水率、表观密度、针片状含量和堆积密度试验等物理性能试验，试验结果见表1。

表1 再生粗集料物理性能试验

试验结果表明：

(1)表观密度：再生集料的表观密度小幅度低于天然集料，主要原因为再生集料碎石存在较多的开口空隙，开口空隙越多，空隙率就越大，使得天然集料表观密度大于再生集料表观密度。

(2)吸水率：天然集料的吸水率小于再生集料的吸水率，主要原因是水泥砂浆的存在使得再生集料的孔隙率增大，吸水率也变大。

(3)堆积密度：再生粗集料的堆积密度低于天然粗集料。主要原因为再生集料表面会存在未水化的水泥砂浆，这些水泥砂浆强度比较差，在试验过程中易被压碎和脱落，这些碎落的水泥砂浆占据了相应内部空间，使得在相同体积下再生集料的整体质量降低。

(4)空隙率：天然集料空隙率低于再生集料的空隙率，主要原因是再生集料在破碎过程中，受到较大的机械挤压作用，内部产生了相应的微裂缝，再生集料表面凹凸不平，棱角较多，这些因素都间接增大了再生集料空隙率。

1.2 力学性能评价

参考《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)中的方法对再生集料和天然集料分别进行压碎值试验和坚固性试验。

表2 再生粗集料力学性能试验

试验结果表明：

(1)压碎值：天然集料和再生集料的压碎值均满足规范要求。再生集料较天然集料的压碎值高6.5%。主要原因是再生粗集料表面会存在未水化的水泥砂浆，这些水泥砂浆强度比较差，在压碎过程中易被压碎；再生集料在破碎过程中，受到较大的机械挤压作用，内部产生了相应的微裂缝，导致强度降低，进而导致抗破碎性能降低，压碎值增大。

(2)坚固性：再生集料的坚固性较天然集料较差，但均能满足规范要求。

2 力学性能研究

2.1 击实试验确定最大干密度和最佳含水量

本论文研究最终采用了《公路路面基层施工技术细则》(JTG/TF20-2015)里“表4.5.4水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围”中的C-C-2级配。此级配范围适用于二级及二级以下公路的基层，级配合理，抗变异能力较强。分别按4%、5%、6%三种不同的水泥剂量，以5～10 mm和10～20 mm两种再生集料掺配率分别为0%、35%、70%和100%四种不同掺配率等量取代天然集料，共计12组配合比来配制水泥稳定碎石混合料。击实试验结果如表3。

表3 击实试验结果

根据击实试验结果，得出以下结论：

(1)随着再生集料掺量的增加，混合料的最大干密度逐渐降低。水泥剂量为5%时，掺量为100%时的最大干密度与掺量为0时相比降低了6%。

(2)相同水泥剂量下，再生集料掺量越大，混合料的最佳含水量越大。水泥剂量为5%时，掺量为100%时的最佳含水量与掺量为0时相比增大了26%。

2.2 再生集料水泥稳定碎石力学性能

为研究再生集料掺量和养护龄期对再生集料水泥稳定碎石力学性能的影响，考虑到施工变异性和抗冻性能等因素最终采用5%的水泥剂量，以再生集料掺量分别为0%、35%、70%和100%等量取代天然集料，按照《公路工程无机结合料稳定类材料试验规程》(JTG E51-2009)进行7 d、2 8d和90 d龄期的无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验。试验结果如表4。

表4 再生集料水泥稳定碎石不同龄期力学性能

图1 劈裂强度与再生集料掺量、养生龄期的关系

试验结果表明：

(1)5%水泥剂量和100%再生集料掺量下的7 d无侧限抗压强度可以满足二级及二级以下公路的重交通等级路面基层要求，表明再生集料在实际工程中可以应用。

(2)随着再生集料掺量的增加，再生集料水泥稳定碎石无侧限抗压强度和劈裂强度呈现先增大后降低的规律。这种先增加后降低的主要原因是：试件强度不仅受到集料自身的强度的影响，还受到集料和集料之间、集料与水泥间的界面接触形成的粘聚力影响。强度试验过程中，试件的破坏最早发生于集料和集料之间的界面，这个过程只有少量的集料被破坏，此时集料—集料、集料与水泥间的界面接触强度会对水泥稳定碎石的强度造成影响。再生集料较天然集料品质较差，棱角更多，更粗糙，孔隙更大，当天然集料中掺入再生集料时，两者之间产生的摩擦力和咬合力更大；同时再生集料的较大孔隙率可以与更多的水泥浆接触，增大了集料与水泥间的界面接触强度。鉴于以上原因，再生集料的掺入增大了试件的劈裂强度。再生集料掺量为35%时，试件内的主要受力对象为天然集料，再生集料为次要受力对象。而随着再生集料掺量的逐步增加，试件内的主要受力对象变为了再生集料，再生集料自身强度低的原因被放大，整体强度随之降低。

(3)基层力学性能随着养护龄期的增长而逐渐增长，与普通水泥混凝土随龄期的变化规律相一致。

3 结 论

再生集料的压碎值和坚固性等力学性能较天然集料较差，但均能满足规范要求，再生集料的针片状含量低于天然集料。再生集料的物理力学性能与天然集料相差不大，符合规范要求；再生粗集料的吸水率大于天然粗集料的吸水率，在工程实际中需要考虑吸水率的问题，适当增加用水量。对7 d、28 d、90 d龄期的无侧限抗压强度和劈裂强度进行试验研究。再生集料掺量的逐步增大使得基层力学性能均呈现先增大后降低的规律，力学性能均随龄期的增长而增大。