再生骨料水泥稳定碎石收缩性能分析

陈 军

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211100)

0 引 言

该依托工程修建较早，主线路段全长108 km，修建面层结构为水泥混凝土路面，目前已产生一定病害，达到改扩建要求。前期养护过程中，每年对该高速养护产生了一定量的废弃水泥混凝土面板，这些废弃物均堆积在公路沿线大大小小的弃土场，破坏了周边环境。因此如何将上述废弃混凝土面板加以利用，一方面可以节省投资，另一方面也可以节约资源，符合我国提出的“绿色公路”要求[1-4]。

半刚性基层由于采用水泥胶凝材料，且水泥掺量远小于水泥混凝土，因此其干温缩特性对水稳基层影响较大，易导致路面强度降低，产生冲刷和唧泥坑槽等病害，减少道路的使用寿命[5-7]。由于再生集料具有吸水率高、压碎值高等特性，在传统直观认知中认为其可能带来更加严重的开裂，阻碍了其在实际工程中的应用[8-11]。

1 原材料性能试验

对高速公路废弃路面板进行破碎得到再生集料，筛分得到粗细集料，再生集料的技术指标试验结果如表1、表2所示。

表1 再生粗集料指标

表2 再生细集料指标

由表1可知：由于再生集料上附着了一定量的水泥砂浆，导致其压碎值与吸水率相对较大。这是由于水泥混凝土面板破碎后，表面存在水泥浆体破碎形成薄弱面，因此有较大的压碎值，同时由于砂浆相较岩石据哟较高的吸水率，因此吸水率增大。

由表2可知：再生细集料的吸水率较原生集料大，且有机质含量高。其中吸水率高原因与粗集料相同，且由于加工破碎的水泥浆体粉末归为细集料，因此其吸水率更高。而由于面板破除过程中不可避免产生污染，因此有机质含量相应增大[12]。但总体而言破碎的再生集料均满足规范有关水稳基层的对应要求。

3 水泥稳定再生集料碎石设计

依据公路基层水泥稳定材料的级配范围要求，采用表3所示的级配进行试验。

表3 水泥稳定碎石合成级配

试验选用缓凝42.5水泥，水泥用量为3.0%，5.0%，7.0%，采用击实法确定不同水泥用量下的最佳含水量和最大干密度，击实试验结果如表4所示。

表4 不同水泥掺量击实试验结果

采用试件尺寸：φ150 mm×150 mm，试件在(20±2) ℃、湿度95%环境下养生6 d后泡水24 h后，试验结果如表5所示。

表5 水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度

由表5可知，设计的水泥稳定再生集料碎石性能基本满足规范要求。

4 收缩性能试验

4.1 试验设计

采用与配合比设计相同的级配进行梁式试件制备，水泥掺量分别为3%，5%，7%，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。试件9个为一组，3个用作标准空白试件，另外6个用作收缩变形试验使用。养生方式与无侧限抗压强度测试试件相同，养生7 d，其中最后24 h浸泡水中。

4.2 干缩试验

试件浸水完成后取出擦干备用，称取试件的初始质量m0，然后将试件两个长短端面磨平，并用502胶水将铜钉粘结在试件端面上。待铜钉粘结牢固后，将试件安置于收缩仪上。

试验初期(一般7 d内)测量频率为每日一次，之后每2 d测量一次，在30 d后读取第40、50、60、70、80、90 d的千分表读数。观测结束后烘干至恒重并称取质量记为m，计算干缩应变、干缩系数，取平均值作为最终计算结果。试验结果如图1～图3所示。

图1 不同水泥掺量下失水率变化曲线

图2 不同水泥掺量下干缩系数变化曲线

图3 两种集料组成混合料干缩系数对比

由图1可知。

同常规水稳混合料一样，掺加再生集料的混合料失水率随龄期的增长而增大，且水泥掺量越大，累计失水率越大，水泥掺量由3%增加至5%时，混合料最终累计失水率差距接近1%。这是由于水泥作为干硬性胶凝材料，在强度形成过程中需要吸收水分，因此混合料累计失水率逐渐增大，水泥掺量越大水化所需的水分越多，故累计失水率也越大。因此在实际工程运用中，在保证结构层强度的条件下应尽可能控制水泥掺量，同时也应加强养护，减少结构层暴露于空气中的时间，以免控制由于干缩现象导致的结构层裂缝的产生。

不同掺量水稳混合料累计失水率随龄期变化趋势基本一致，当龄期在10 d以内时，失水率急剧增加，10～30 d时，失水率增幅变缓，至30 d以后失水率仍有增加，但增幅较小。上述失水率变化与水泥水化强度形成过程基本一致，即在10 d以内时为强度形成关键期，此阶段强度基本形成，之后水化放缓。

由图2可知。

同累计失水率变化趋势类似，不同水泥掺量水稳混合料干缩系数均随龄期逐渐增长，且分为3个阶段：快速增长期(10 d以内)、增速放缓区(10～30 d)、缓慢增长区(30 d以后)。同时，随着水泥掺量的增加干缩系数逐渐增大，且当水泥掺量由3%增加到5%时干缩系数增长远大于水泥掺量由5%增加到7%时增幅。因此建议在实际工程中，条件允许时应严格水泥掺量，以避免提高水泥掺量时干缩系数的快速增大现象。

综上分析，为指导工程实践，采用该再生集料时，为控制干缩，养生龄期宜不小于10 d。条件允许时应养生至30 d，或养生10 d后尽快施做上一结构层，以免再生水稳层暴露于空气中增大干缩现象的产生。

为了进一步确定再生集料用于工程实际中的可行性，参考已有试验数据将水泥稳定天然集料与再生集料组成的混合料之间干缩试验数据进行对比，如图3所示。

由图3可知。

当水泥掺量小于5%时，天然集料组成的混合料干缩系数小于再生集料组成的混合料，且干缩系数差距较小。且当水泥掺量较高，达到5%以上时，再生集料组成的混合料干缩系数增速放缓，并小于天然集料组成的混合料。表明仅就干缩系数这一指标而言，将再生集料运用于水稳基层具有可行的理论基础。

4.3 温缩试验

采用与干缩试验相同的试件进行温缩试验，养生7 d后烘干至恒重备用。测量试件原始长度，对试件端部进行打磨处理，安装到收缩仪上，并安置千分表。温缩试验共分为5个温度区间，温度范围为-10～40 ℃，试验由高温开始逐渐降温依次进行试验。试验在降温保湿期间后5 min进行千分表数据读取，试验结果如图4所示。

图4 不同水泥掺量下温缩系数与温度区间关系

由图4可知。

(1)随着水泥掺量的增加，温缩系数均显著增大，这与干缩系数同水泥掺量关系一致。表明在满足结构层强度的条件下宜有效控制再生集料水稳混合料水泥掺量，以免后期形成裂缝造成结构层承力性能下降。

(2)不同水泥掺量条件下，再生集料水稳混合料温缩系数随温度变化趋势基本一致，均为先减小后增大。其中，当温度区间为0～10 ℃时温缩系数最小。表明再生集料水稳混合料存在合适的养生温度区间，即当温度区间为0～10 ℃时，将可有效减小温缩裂缝的产生。但综合以往有关水泥强度形成机理，温度越高强度形成越快，平衡温缩与强度二者之间关系，建议宜将养生温度控制在0～20 ℃为宜。温度过低时宜采用可控制热量损失的“一布一膜”类土工布进行养生，温度过高时应采取洒水降温等有效降温措施。

5 结 论

再生水稳混合料干缩发展分为3个阶段：快速增长期(10 d以内)、增速放缓区(10～30 d)、缓慢增长区(30 d以后)。

再生集料水泥稳定碎石在0～10 ℃温度区间时，温缩效应最小，但综合水泥强度形成机理，平衡温缩与强度二者之间关系，建议宜将养生温度控制在0～20 ℃为宜。

综合分析，建议工程应用中宜采用0～20 ℃条件下养生30 d，或养生10 d后施工封层、沥青层等上结构层的方法进行水泥稳定再生集料碎石施工。