不同压实方法成型水泥稳定再生混凝土集料性能研究

罗生岳

（青海省兴利公路桥梁工程有限公司，青海 西宁）

引言

水泥稳定碎石半刚性基层具有早期强度高、水稳定性好、抗冻性好等优点，在我国道路基础建设中应用广泛。近年来，因矿山无序开采和环保力度的加大，优质石材逐渐面临短缺的窘境，因此，因地制宜地选择可代替的道路材料成为学者们关注的重大课题，其中废弃混凝土再生集料的重复利用受到了广泛关注[1]。研究表明，掺加再生混凝土集料的水泥稳定碎石半刚性基层强度满足规范要求，社会经济效益显著，是一种优质的可再生筑路材料[2-3]。而目前我国针对水泥稳定碎石的成型方法有两种，一种是静压成型法，另一种是振动成型法，然而研究表明，静压法成型的试样与试验段试样之间的相关性较差，原因在于采用静压法指导施工的理念被提出在上个世纪，而近年来随着工程机械的发展，静压法压实后的试样力学强度远低于现场芯样的强度，与现场施工方法的改进不太匹配[4-5]。与此同时，振动法成型的试样具有更高的力学强度，与现场样品具有更高的相关性，但振动法与静压法在设计水泥稳定再生混凝土集料的对比研究鲜有报道。因此，本研究对比研究了静压法和振动法对水泥稳定再生混凝土力学性能的影响，以证明振动压实方法能够更好地从力学角度反映现场施工条件，有助于后续振动压实标准的研究。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1） 水泥

水泥为P·O42.5 普通硅酸盐水泥，技术指标见表1。

表1 水泥技术指标

（2） 天然集料

天然集料采用石灰岩，技术指标见表2。

表2 集料技术要求

（3） 再生混凝土集料

本研究使用的再生混凝土集料经过鄂式破碎机破碎筛分后形成具有一定级配的再生混凝土集料，物理力学指标见表3。

表3 再生混凝土集料的物理力学指标

表3 可以看出，相对于天然集料，再生混凝土集料密度相对较低、压碎值和吸水率偏高，对其制备的水泥稳定碎石基层力学强度产生负面影响，究其原因在于再生混凝土经过多年的使用内部产生了众多疲劳微裂纹，其次在破碎筛分过程中也会造成损伤，还有集料表面附着的水泥砂浆材料密度不高，导致再生混凝土集料的压碎值和吸水率偏高，密度降低。

1.2 级配

本研究采用《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）中骨架密实级配进行研究，级配筛孔通过率列于表4、级配设计见图1。

图1 级配设计

表4 骨架密实级配

1.3 试件成型方法

本研究选取静态压实法和振动压实法两种方法制备试件，静压法根据《公路工程用无机粘结剂稳定材料的试验规程》（JTG E51-2009）成型试件，振动法根据《公路水泥稳定碎石抗裂设计与施工技术规范》（DB 41/T864-2013）。静压法为我国目前水泥稳定碎石基层常用的设计方法，振动法为近年来许多道路工作者推荐的设计方法。振动法考虑到室内仪器的可操作性，设计的垂直振动压实仪的内部振动器结构模仿了定向振动压路机的独特工作原理和结构特点，核心部件是偏心块，两个偏心块对称布置抵消了水平力，工作时只产生垂直力，由快速旋转产生的正弦激励力确保了垂直振动压实仪的稳定性和有效的垂直振动压实。

2 试验结果与讨论

2.1 振动压实法的验证

通过比较振动法样品和路面芯样的力学强度，评估了振动法的可靠性，静压法成型的试样被列为参考，其中路面芯样来自某国道的试验段，三种试件的无侧限抗压强度对比见图2。

图2 不同成型方法的试件强度与芯样的相关性

图2 可以看出振动法试件与芯样的力学强度相关性超90%，高于静压法试件（相关性仅70%），这证明了振动法模拟实际施工程度较高。相比于静压法试件，振动法试件的7 d 抗压强度提高了28%，一方面因为振动压实有助于改善粗集料在试样内的滚动排列，并且使得水泥砂浆更好的填充空隙，形成强嵌挤骨架密实结构；另一方面尺寸效应对静压法试件影响更大，限制了集料在压实过程中的移动造成集料破碎，从而影响强度形成。三种样品的外观也证明了这一点，静压法试件表面有大量空隙和集料破碎的痕迹，振动法试件和芯样则表面密实，进一步说明了振动法的可靠性。

但两种室内成型试件的强度均低于道路芯样，原因在于室内试验成型试件受到模具尺寸效应的影响，集料与模具接触部位难以继续移动，空隙的数量和大小会存在较大波动，而道路振动压路机具有很大的压实力，路面铺筑压实时混合物的高频振动使混合物充分滚动和压实，细集料也可以动态紧密填充骨架，从而大大减少了空隙的数量，提高路面密度和强度。

2.2 力学强度

使用两种成型方法，研究了再生混凝土集料掺量对无侧限抗压强度、劈裂强度和回弹模量的影响，试验结果见图3、图4 和图5。无侧限抗压强度和劈裂强度测试试件养生龄期为7 d，回弹模量测试试件养生龄期为28 d。

图3 再生混凝土集料掺量对无侧限抗压强度的影响

图4 再生混凝土集料掺量对劈裂强度的影响

图5 再生混凝土集料掺量对抗压回弹模量的影响

如图3、图4 和图5 所示，振动法成型试件的无侧限抗压强度、劈裂强度和回弹模量远高于静压法试件，抗压强度提高32%～47.5%，劈裂强度提高30.6%～33.3%，抗压回弹模量提升34.4%～39.8%。原因在于静压试件压实过程中骨料之间受静压力作用，骨料的移动范围有限，细骨料和水泥砂浆不能很好地填充空隙，特别是对于骨架密实级配，静压对粗骨料的静摩擦力容易导致集料破碎，会严重破坏试件内部粗集料强嵌挤骨架结构，从而形成更多的空隙导致混合料的性能降低，这对于掺再生混凝土的水泥稳定碎石而言更加严重，原因在于再生混凝土集料的压碎值较大，再生混凝土集料承受的静压力超过集料强度时，会造成集料破碎严重，严重影响水泥稳定碎石的级配。而振动法通过振动压实的方式，可以对粗骨料在混合料中进行更好的排列，从而形成更强的骨架嵌挤力，并且使水泥砂浆更充分地填充骨架，提高混合料抵抗变形的能力。振动法成型的水泥稳定再生混凝土集料密度较大，混合料空隙率减小，提高了矿料的骨架嵌挤作用。同时，振动法设计的混合料最佳含水量相对较少，集料间的空隙主要被水泥砂浆填充，没有多余的水分阻碍压实，可以显著提高混合料的粘聚力和内摩阻力。因此，振动法设计的水泥稳定再生混凝土具有更好的力学性能。

此外，图中还可以看出，无论何种成型方法，随着再生混凝土集料掺量的增大，力学强度随之先增大后减小，当掺量在30%左右时，无侧限抗压强度和回弹模量达到最大，抗压强度提升约6.5%～11.1%，回弹模量提升约9.6%～13.1%，掺量为45%时，劈裂强度达到最大，劈裂强度约提升10.3%～11.4%。这是因为再生混凝土集料中含有一定的活性成分，可以与水泥水化产物发生二次水化反应，有利于水泥稳定碎石强度的提升，且再生混凝土集料表面粗糙多棱角，与水泥砂浆的界面过渡区粘结性较强，有助于提高混合料内部摩擦力，对强度有积极效果。而当掺量超过一定范围时，再生集料高压碎值对混合料强度的负面效果进一步增大，且超过粘结力的提升效果，此时力学性能开始逐渐下降。

3 结论

（1） 振动法试件与芯样的力学强度相关性超90%，高于静压法试件（相关性仅70%），这证明了振动法模拟实际施工程度较高。

（2） 振动法成型试件的无侧限抗压强度、劈裂强度和回弹模量远高于静压法试件，抗压强度提高32%～47.5%，劈裂强度提高30.6%～33.3%，抗压回弹模量提升34.4%～39.8%。

（3） 无论何种成型方法，随着再生混凝土集料掺量的增大，力学强度随之先增大后减小。