李毓
重庆恒佳工程技术咨询有限公司 重庆市 400000
摘要：以往针对铣刨料的处理方式通常是通过热再生法重新加热掺入新料，经拌和后再次用作沥青混合料面层材料。该方案对铣刨料本身的老化程度和形貌状态具有较高的要求，否则无法保证新拌和的沥青混合料面层路用性能。将部分老化程度较高、形貌较差的铣刨料用作水泥稳定碎石基层建设中，可为铣刨料的再生利用提供新的思路。水泥稳定碎石基层在我国的高等级公路建设中较为多见，是一种较为成熟半刚性基层形式，其强度高、刚度大的优势可有效传递路面荷载，具有大量的研究成果和施工应用经验。原材料的选取、施工工艺控制、养护条件等因素直接决定了水泥稳定碎石的路用性能状况。
关键词：聚丙烯纤维；水泥稳定类路面基层；再生骨料；无侧限抗压强度；抗压回弹模量
引言
随着城市化进程的发展，大量破旧的房屋、桥梁被拆除，产生了许多废弃的混凝土，同时，道路工程中需要的天然骨料为不可再生的资源，因此将道路工程中需要的天然骨料用废弃混凝土制作的再生骨料进行替代的研究具有经济和可持续发展的价值.Park[1]通过研究表明，再生骨料在一定条件下可以达到基层材料对于骨料的各种技术性能指标.2010年，张大宁等[2]、李跃矩等[3]通过室内外试验，总结出符合工程实际的配合比.2014年，孙璐等[4]通过不同再生骨料掺量的混合料在不同龄期下的抗压强度试验、抗压回弹模量试验、劈裂强度试验，总结出龄期及掺量对其的影响规律，并建立了预估模型.前人的研究得出了再生骨料的技术性能指标、符合实际的配合比、再生骨料掺量与强度的关系，但是再生骨料在路面基层中的应用研究不够深入.因此，本文通过模拟道路压实方式，选用最佳含水量，以5%的水泥掺量，在不同的再生骨料替代率的情况下进行无侧限抗压强度及无侧限抗压回弹模量试验，分析水泥稳定类路面基层的抗压性能.
1试验原材料
1.1水泥
水泥是建筑材料中常采用的胶凝材料，通过水泥水化-凝结反应可增强材料强度，起到稳定内部材料结构的作用。研究采用普通P·O42.5强度等级的水泥，技术指标见表1。
1.2集料
原材料中涉及的粗集料级配碎石粒径范围为5.0～30.0mm，细集料选用细度模数为2.68的中粗砂，粗集料和细集料筛分试验结果见表2。
1.3再生骨料（RA）
再生骨料是将废旧建筑材料（砖石、瓦砾、混凝土板块等）经再生破碎车间流水线处理得到的骨料，表层常含有砂浆层，经再生工艺处理后的再生骨料粒径分布均匀，卵石含量较小，研究采用河南产的再生骨料。再生骨料技术指标，见表3。
1.4水泥
为保证再生水泥稳定碎石基层材料内部黏结能力，制备过程中选取优质水泥作为胶凝材料，针对本文所选用P·O42.5普通硅酸盐水泥的主要技术指标进行了检测，结果如表4所示。
表4水泥主要技术指标
2试验方案设计
2.1试验内容
试验主要采用天然集料、再生骨料和聚丙烯纤维制备再生水泥稳定碎石基层材料，其中，再生骨料的掺量从0%～60.0%不等，聚丙烯纤维的掺量从0%～0.4%不等，共设计了30组试验组数，拟采用无侧限抗压强度、劈裂强度、干缩系数、疲劳寿命等指标对不同组合方案下水泥稳定碎石材料进行性能研究。30组水泥稳定碎石方案，见表5。
2.2试验方案
为了研究不同强度废旧混凝土对水泥稳定再生材料的力学性能及耐久性能的影响，根据击实试验方法试验结果，采用静力压实法成型150mm×150mm圆柱形试件及100mm×100mm×400mm梁式试件，压实度均按98%控制，水泥剂量同样为4．5%，参照规范JTGE51—2009相关指标控制及试验要求，分别开展:7d、28d、90d、180d无侧限抗压强度试验;28d劈裂强度试验;90d、180d抗压回弹模量试验;抗冲刷、干缩试验。
2.3配合比设计
采用控制变量法，研究水胶比、目标孔隙率、砂率、砖骨料掺量4种因素对再生材料透水砖透水性能和抗冻性能的影响。考虑到构成透水砖的透水混凝土中存在的均匀空隙结构，本试验配合比设计选用饱和骨料体积法。首先通过骨料紧密堆积密度和表观密度计算再生砖骨料的空隙率，然后再规定一个合理的目标孔隙率和水胶比，通过体积法公式计算出单位体积透水混凝土中其他材料的用量，即粗骨料体积+胶结浆体体积+目标孔隙率=1。
2.4再生骨料的化学强化
化学强化再生骨料就是利用化学液体对骨料表面进行淋洗，使液体中的化学成分填充骨料孔隙或与骨料中部分元素发生化学反应，使骨料成为更坚固的结构。在查阅相关文献后，笔者选取钛酸酯偶联剂来强化再生骨料。取再生骨料共10kg，分别用1%、3%、5%、7%的钛酸酯偶联剂对再生骨料表面进行清洗。骨料清理完成后放入烘箱中至少烘24h，烘箱温度取105℃，然后再测出骨料的吸水率与压碎值。试验结果表明：再生骨料压碎值与吸水率会随着钛酸酯偶联剂含量提高而减小。当钛酸酯偶联剂含量小于5%，骨料吸水率、压碎值与其基本呈线性负相关关系，此时压碎值降低了22.73%，吸水率减小了15.4%；当钛酸酯偶联剂含量大于5%，再生骨料吸水率与压碎值基本不再减小。主要原因在于：钛酸酯偶联剂会填充骨料裂缝，在骨料表面产生一层薄膜，能够降低骨料吸水率和压碎值，但难以消除颗粒表面砂浆，反而会将砂浆包裹起来。因此，在对再生骨料化学强化时，钛酸酯偶联剂含量可取5%。
2.5温度场模拟
由于冷再生层的厚度和材料性质的原因，在实际应用中其层位的温度与传统的热料有所区别，且以往学者研究冷再生层的温度往往以24h的温度变化来研究，选取的样本较少，无法准确模拟冷再生层的温度，本文基于comsol软件来模拟芜合高速冷再生层的夏季温度场，分析芜合高速路面的温度场的分布及变化规律．考虑到comsol中只有三维模型能够添加外部辐射源并将其定义为太阳辐射源来模拟一天中太阳在不同时间的辐射角度的变化，因此本文建立三维路面模型．路面中各层材料的参数数据见参考文献，包括密度、恒压热容、热传导率、泊松比和弹性模量等．定义太阳辐射吸收率为0．90，路面发射率为0．81．comsol有自带的环境气象数据，模拟时可以直接调用当地的温度、露点、风速、气压、以及太阳直接辐照度和散射辐照度随日期和时间变化的关系等．本文调用合肥夏天两个月的气象数据(7～8月)．最后进行网格剖分和瞬态研究，设置相应的研究步长和总研究时间，以研究在不同气温环境下，路面温度场的变化规律．求解的时间范围为0～1440h，在外部辐射源中规定了求解的起始时间分别为7月1日～8月29日，此处的0即为当日的零点开始计算，步长0．5h，计算1440h(60天)内的温度变化。
3试验结果分析
3.1干缩性能
水泥稳定钢渣碎石材料干缩试验结果，见图5。由图5可知：随时间增长，水泥稳定钢渣碎石试件出现干缩现象，失水率和干缩应变前期降低迅速，当观测时间为28天时，60.0%钢渣掺量的水泥稳定碎石试件失水率和干缩应变较养生龄期1天时分别降低98.7%，98.4%；当时间超过28天，失水率和干缩应变逐渐趋近于零，说明干缩性基本消失。是因为干缩性能观测时间前期，水泥水化反应较迅速，水分消耗相对较快，因此，失水率和干缩应变降低显著；而随时间增长，水泥水化反应基本完成，产生的胶凝物质黏结集料颗粒，生成的硫酸钙针状结晶体填充集料颗粒孔隙，形成网状结构，使稳定钢渣碎石骨架结构趋于稳定，对水泥稳定钢渣碎石干缩影响减弱。另外，掺60.0%钢渣的水泥稳定碎石失水率和干缩应变均低于普通水泥稳定碎石，是因为碎石替代部分钢渣，降低了钢渣中含有的游离氧化钙、游离氧化镁等活性物质水化反应生成的硫酸钙结晶体的膨胀作用，因此普通水泥稳定碎石失水率和干缩应变较大。
3.2无侧限抗压强度
水泥稳定再生混合料的无侧限抗压强度随着废旧混凝土强度的增加而增大，表明在一定范围内选用高强度废旧混凝土能提高其水泥稳定再生混合料的无侧限抗压强度。废旧T梁、立柱、路面混凝土水泥稳定再生混合料无侧限抗压强度在7d龄期分别为5．55MPa、6．03MPa、6．51MPa，28d龄期强度分别为6．91MPa、7．43MPa、7．99MPa，180d龄期强度分别为8．05MPa、8．76MPa、9．33MPa。3种水泥稳定再生混合料无侧限抗压强度在180d龄期达到最大，废旧T梁、立柱、路面混凝土水泥稳定再生混合料无侧限抗压强度在7d至28d龄期分别增加了24．5%、23．2%、22．7%，在28d至180d龄期分别增加了16．5%、17．9%、16．8%。3种水泥稳定再生混合料的无侧限抗压强度在7d至28d龄期内强度增长速率均大于28d至180d龄期，表明水泥稳定再生混合料早期强度增长速率较快，后期强度也在持续增长，但增长较为缓慢。
3.3力学性能试验结果与分析
正交试验阶段，设计强度C30的CＲAP—水泥混凝土的CＲAP掺入量为粗集料的30%，在确定水灰比0．5、砂率34%的基础上，设计强度C30的混凝土逐渐提高CＲAP的掺量到60%，进行CＲAP—水泥混凝土力学性能试验，探究CＲAP掺量与混凝土各项强度的关系。参照JTGE30—2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程，以CＲAP含量30%，40%，50%，60%为唯一变量进行立方体抗压、抗折、劈裂抗拉强度试验。抗压强度和劈裂抗拉强度试验试件采用标准立方体试件(150mm×150mm×150mm)，每组12个试件，养护龄期为7d和28d;抗折强度试验试件采用非标准立方体试件(100mm×100mm×400mm)，每组6个试件，养护龄期为7d和28d。CＲAP掺量为30%时，28d立方体抗压强度仍能达到设计要求;当CＲAP掺量增加至60%，抗压强度只能达到设计强度的60%即24MPa。由28d抗压强度图像的二次函数趋势线反推出满足设计强度30MPa的CＲAP最大掺量为14．74%。
3.4抗冲刷性能
随着废旧混凝土强度的增加，混合料的冲刷质量损失呈现降低的趋势，由0．20%减小至0．15%。虽然冲刷前后的质量损失较高，但抗冲刷能力还是稍有提升。再生集料表面胶结的混凝土开口孔隙较多，在冲刷试验作用下表层细集料及混凝土材料容易脱落，但废旧混凝土强度的增加能在一定程度上弥补这一缺陷，所以抗冲刷性能增强。
3.5透水性能的影响
再生材料透水砖的透水系数随再生砖骨料掺量的增加，呈现先减小后增大的趋势，但总体变化不大，幅度约为0.1cm/s。当再生砖骨料掺量从1074.93kg/m3增长至1104.93kg/m3时，透水系数呈下降状态，当砖骨料掺量较小时，骨料之间形成的有效孔隙数量较多且孔隙直径较大，所以透水能力较强；随着砖骨料的继续增加，骨料之间的有效透水孔隙数量较少，使得透水系数下降，当砖骨料掺量增大至1104.93kg/m3时，透水系数下降至最低点；当再生砖骨料掺量继续增加时，其透水系数又有所上升，但上升幅度很小，这是由于本试验采用控制变量法，水胶比、目标孔隙率、砂率是定值，即水泥砂浆的总量不变，使得包裹在骨料表面的水泥砂浆厚度随砖骨料掺量的增加而逐渐变薄，使得骨料之间的有效孔隙数量和孔隙直径略微有所增加，所以其透水系数又有小幅上升。相对于水胶比、目标孔隙率、砂率对透水系数的影响，再生砖骨料掺量对其透水系数的影响较小。
3.6抗冻性能
随着冻融循环次数的增加，不同配合比再生材料透水砖的质量损失率均呈现上升状态，尤其水胶比为0.30时、目标孔隙率24%、砂率25%、再生砖骨料掺量1134.93kg/m3时，质量损失速率最大；不同配合比的透水砖相对动弹性模量随冻融循环次数的增加均呈现下降状态，尤其水胶比0.3～0.32、目标孔隙率24%、砂率30%、再生砖骨料掺量1104.93kg/m3和1164.93kg/m3时，相对动弹性模量下降速率最大。
3.7疲劳寿命
随着再生骨料掺量的增加，碎石材料的疲劳寿命不断下降，且下降速率增大；随着聚丙烯纤维掺量的增加，碎石材料的疲劳寿命逐渐
增大。相较于聚丙烯纤维增强碎石材料的疲劳寿命，再生骨料对碎石材料疲劳寿命的劣化更为明显。以0.30%掺量下聚丙烯纤维再生水泥稳定碎石为例，0%～60.00%再生骨料掺量下，碎石材料的疲劳寿命分别提升了44.08%，42.49%，49.05%，43.13%，47.11%，44.19%，63.22%。表明聚丙烯纤维的加入能够显著提升碎石材料的疲劳寿命，其主要原因是纤维材料在碎石材料中均匀分布，纤维横纵交错，形成了空间网络分布结构，而水泥水化反应生成物将集料、纤维等材料形成砂浆包裹，进一步增强材料碎石材料的嵌挤黏接作用。聚丙烯纤维具有增韧阻裂作用，在保障结构稳定的同时，能够消散外部荷载的疲劳作用，延长了碎石材料的疲劳寿命。
结束语
（1）再生骨料的生产一般包括预处理阶段、碾磨阶段、筛分阶段，拌和前可采用物理和化学方法对其性能进行强化，以降低骨料压碎值与吸水率。（2）再生水泥稳定碎石的抗压强度会随着骨料含量的减小而增大，且在试件养护前期抗压强度增长速率最快。（3）再生水泥稳定碎石中骨料含量越高，抗冻性能越差。在易冻胀地区应控制好再生骨料掺量。
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