低剂量水泥稳定铣刨料材料性能研究

马加存 栗 虎 战 文 刘建树 周 浩

（1.山东省路桥集团有限公司， 山东 济南 250001；2.山东建筑大学， 山东 济南 250101）

0 引言

随着交通行业的持续发展，大量公路逐步面临改扩建的需求，改扩建中的道路一般基于原路基进行拓宽，不可避免地遇到桥梁。在桥台处，就存在3 种类型的结构：桥台、旧台背回填、新台背回填。桥台是刚体结构[1]，其本身沉降量较小，而台背回填材料刚度明显较小，易于导致形成过大沉降，所以桥台和台背回填结构容易出现沉降差，当沉降差过大时就会出现“桥头跳车”[2]，影响行驶舒适性，甚至因突然减速造成事故，且过大的冲击振动对桥梁结构和汽车都有影响，降低其使用寿命，控制台背回填结构[3-4]的沉降量具有重要的现实意义。台背回填材料的原料多为细沙等，稳定处理难度很大，导致其刚度难以提升，从而产生过大沉降；而在公路改扩建工程中，往往产生大量的基层铣刨料[5]，一般用于再生等工程，但有时仍然残余过多残余废料需要处理，这些铣刨料残料中粗集料比例很大，经过适当稳定处理，可有效提高其刚度，并几乎不再发生压缩变形，从而改善桥头跳车问题。

为了确定水稳铣刨料作为台背回填材料正确使用方法，本文对其性能进行系统地研究。由于填料层为靠下，所受交通荷载的应力较小，对力学强度要求较低；且水稳铣刨料结构体积较大，为控制其收缩变形，水泥含量不宜太高；故本文主要研究低水泥剂量（1%-3%）[6]范围的水泥稳定铣刨料。

1 试验研究

为确定水稳铣刨料在台背回填工程中的可行性，本文系统研究了水稳铣刨料的原材料基础性能，以及混合料的力学性能和水泥剂量对混合料性能的影响。

1.1 筛分试验

为全面了解铣刨料的基本性能，本文进行系统的研究。铣刨材料的级配影响混合料的可压实性和密实性，优良的级配是获得优良水泥稳定铣刨料的基础。

试验结果如表1 所示，从表中可以看出该水稳铣刨料中颗粒占比最多的为在9.5，4.75，2.36 三类筛上的颗粒均在10%～20%之间，此外，也存在大于40mm 的大粒径颗粒。存在较粗颗粒是因为铣刨料未能完全破碎，存在少量集料仍然粘结在一起的现象，如图1 所示。

表1 筛分试验结果

将铣刨料级配与无机结合料稳定材料的基层和底基层比较，结果如图2，从中可以看出，铣刨料的级配与水稳碎石基层的级配范围差别较大，在19～37.5mm 筛孔均超过级配界限；但与水稳碎石底基层的级配范围相比，除37.5mm 筛孔外，均符合此级配范围。说明该铣刨料的级配较为优良，易于压实获得良好的密度，养护后可以得到较好的强度和刚度，有效控制自身的压缩变形。

图1 较大粒径颗粒

图2 铣刨料级配与水稳材料级配范围对比

2.2 吸水率实验

集料的吸水能力影响混合料的抗水损害能力和抗冻能力，台背回填一般免不了冰冻问题，但受到降水和地下水的影响，仍需要具有较优良的抗水损害能力，铣刨料的吸水率测试结果如表2 所示。

表2 铣刨料吸水率

从表中可以看出，无论粗集料、细集料，铣刨料吸水率均显著大于天然石料。这是因为铣刨料粗骨料表面粘附有水泥石，其内部空隙率远大于天然石料，所以具有较强的吸水率，且细集料的比表面积更大，所有其表面粘附的水泥石质量比更高，从而具有更大的吸水率；且骨料表面可能粘附有一定细集料，二者之间也存在孔隙，同样具有较强的吸水能力。所有铣刨料整体的吸水率较大，且细集料的吸水率更大。

2.3 击实试验

2%水泥剂量的水泥稳定铣刨料的击实曲线如图3 所示，从中可以看出水稳铣刨料在级配与水泥稳定碎石底基层材料级配相当的情况下，其最佳含水量比普通水稳碎石高约1.5%～2%，而其最大干密度比普通水泥稳定碎石低约0.006g/cm3左右。其原因在于2.2 所述，集料表面粘附的水泥石空隙率较高，以及互相粘接的集料颗粒间的空隙，从而具有较大的吸水率和相对较低的密度。从而导致水稳铣刨料整体的最佳含水量较高而最大干密度较低。

图3 水稳铣刨料击实曲线

2.4 抗压强度试验

水泥稳定材料的强度是核心性能指标，直接决定结构层的承载能力，并对其抗冻、抗水损害等性能有重要影响。水泥稳定材料的组成设计，一般以7 天无侧限抗压强度为设计指标；而劈裂强度决定结构层的层底受拉承载力，对结构体承载力有直接影响。

2.4.1 抗压强度

水稳铣刨料的7 天无侧限抗压强度结果如图4 所示。

图4 水稳碎石强度试验结果

从图4 中可以看出：（1）水稳铣刨料的强度相当于或略低于普通水稳碎石，这是因为集料表面吸附的水泥石，以及集料之间的互相粘结，其强度较低成为薄弱面，降低了水稳铣刨料整体强度，但其级配相对良好；（2）水稳铣刨料的7 天无侧限抗压强度随水泥剂量的增加，基本呈现线性增加的趋势，提高水泥用量，可以提高其强度，并改良其抗水损坏能力和抗冻性能。

2.4.2 劈裂强度

从图4 可以看出，水稳铣刨料的劈裂强度也较低；水稳铣刨料劈裂强度在水泥剂量为1%时强度很低不足0.1MPa，从1%增加到2%时的增幅最大，几乎达到0.3MPa；这可能是因为1%水泥剂量过低，难以裹附所有集料表面，混合料颗粒具有无结合料表面，但2%水泥剂量条件下可以基本裹附集料表面，从而形成较高的强度；当水泥剂量提高到3%时，强度增加幅度较低。从劈裂性能看，2%的水泥剂量较为合理。

劈裂强度与基层材料的层底抗拉能力直接相关，提高劈裂强度可以显著提高水稳铣刨料的抗力学疲劳能力，所以劈裂强度有更大的参考价值。为了保证水稳铣刨料结构层的整体性能，其劈裂强度不宜过低；但随水泥剂量增加，水稳铣刨料后期其收缩系数增加，抗裂性能明显下降；且高水泥剂量也造成其经济成本相对较高，所以建议选择2%作为水稳铣刨料稳定台背回填料的最优结合料剂量。

3 结束语

（1）本项目铣刨料级配较好，基本满足水稳碎石底基层的级配要求。但由于骨料颗粒表面粘附有水泥石和细集料，导致集料含有超过部分超过40mm 孔径的粗集料，且吸水率较大；

（2）水稳铣刨料的最佳含水量比普通水稳碎石大约1.5%～2%，而最大干密度略小；

（3）水稳铣刨料的强度相当于或略低于普通水稳碎石，抗压强度随水泥剂量增加基本为线形增长；劈裂强度随水泥剂量增加曲线较为曲折，综合考虑其强度曲线、收缩性能以及成本，2%为其合理水泥剂量。