常 康，李立寒，汪于凱

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東青島266000）

水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的收縮性能

常 康1，李立寒1，汪于凱2

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東青島266000）

采用上海地區(qū)早期用二灰碎石（簡稱三渣）基層回收料部分或全部替代天然集料用于水泥穩(wěn)定碎石基層建設(shè)中。為了研究水泥穩(wěn)定三渣基層回收料收縮性能，基于干縮應(yīng)變、失水率、干縮系數(shù)等指標(biāo)，考慮三渣回收料摻量、水泥劑量等因素的影響，對其收縮特性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，并對比分析了水泥穩(wěn)定三渣基層回收料與普通水泥穩(wěn)定碎石收縮性能的差異。試驗(yàn)結(jié)果表明：暴露時(shí)間、失水率、三渣回收料摻量及水泥用量等因素，均對水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的收縮變形特性產(chǎn)生明顯影響；普通水泥穩(wěn)定碎石混合料的收縮性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定三渣基層回收料。

三渣基層回收料；水泥穩(wěn)定碎石；收縮性能

20世紀(jì)80年代初，上海率先開發(fā)了石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層，并將其廣泛應(yīng)用于各類等級道路的基層中，早期的石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層俗稱三渣基層[1-2]，其中的主要材料為35～70 mm粗粒徑的石料，開級配，空隙高，石灰粉煤灰的質(zhì)量約占總量的35%。近幾年，在日益增加的交通量和環(huán)境因素作用下，三渣基層產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的病害現(xiàn)象，養(yǎng)護(hù)、維修問題日漸凸顯，產(chǎn)生了大量的三渣基層廢料。

目前，大部分三渣基層廢料采用填埋、露天堆放等方法予以處置，不僅耗用了大量耕地及垃圾清運(yùn)等建設(shè)經(jīng)費(fèi)，還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。同時(shí)據(jù)調(diào)查，每年約有12%的舊路需要從基層開始，將原有舊料挖除棄置，再用新材料重新鋪設(shè)對路面進(jìn)行改造，這種傳統(tǒng)舊路改造方法導(dǎo)致成本增加、資源浪費(fèi)等問題[3-5]。對其進(jìn)行再生利用，對節(jié)省投資、保護(hù)環(huán)境等方面具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。近些年來，我國部分學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開始對三渣基層回收材料的再生技術(shù)展開研究，研究主要涉及兩方面的內(nèi)容，一方面是針對再生方案的研究，包括將三渣回收料用作剛性基層的集料或用作半剛性基層的集料[3-4]；另一方面是針對再生混合料基本力學(xué)性能的研究，但未涉及再生混合料收縮性能的研究[5-6]。將三渣基層回收料用于水泥穩(wěn)定碎石基層建設(shè)中，但該類基層致命的缺陷是容易產(chǎn)生裂縫，從而導(dǎo)致路面其它病害，裂縫產(chǎn)生的原因與混合料的收縮性能有關(guān)[7]。鑒于此，為合理有效的將三渣基層回收料用于基層建設(shè)中，有必要對水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的收縮性能進(jìn)行研究。為了分析水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的收縮性能，并了解三渣回收料摻量、水泥劑量等因素對混合料變形性能的影響，依據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)范展開了一系列研究，期望此研究成果對實(shí)際工程中三渣回收料在水泥穩(wěn)定碎石基層中的合理應(yīng)用有所貢獻(xiàn)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用江蘇太倉海螺牌32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其性質(zhì)滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）的要求，水泥的技術(shù)指標(biāo)見表1。試驗(yàn)中采用的天然集料為普通的石灰?guī)r集料。

表1 海螺牌水泥技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of cement

本文采用的三渣基層回收料來自上海浦東新區(qū)南六公路道路改建工程，該道路已服役15年，回收料經(jīng)反擊式破碎處理。三渣基層回收料和天然集料的基本性能見表2。

表2 集料的基本性能Tab.2 Basic properties of aggregates

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 混合料

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了2組試件（NA和R）,其中NA為普通水泥穩(wěn)定碎石混合料，作為對照組；R組用三渣回收料按照60%、100%的比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對應(yīng)集料總量）分別替代天然集料，相應(yīng)的水泥穩(wěn)定三渣基層回收料代號(hào)為R-60和R-100。本文中水泥穩(wěn)定三渣基層回收料和普通水泥穩(wěn)定碎石的級配均采用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2006）[8]中懸浮密實(shí)級配的中值。懸浮密實(shí)級配設(shè)計(jì)要求見表3。如無特別說明，水泥用量均為4.5%。研究水泥用量對水泥穩(wěn)定三渣基層回收料混合料干縮性能影響時(shí)，三渣回收料摻量取60%，水泥用量分別取3%，4.5%，6%。

表3 懸浮密實(shí)型集料級配Tab.3 Gradations of suspend-dense aggregates

1.2.2 試件成型

采用尺寸為10 cm×10 cm×40 cm的中梁試件進(jìn)行水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的干縮試驗(yàn)。根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)得出最大干密度及最佳含水量（4.5%水泥用量下各混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表4），采用靜壓成型的方法制備梁試件，壓實(shí)度98%。試件的成型與脫模均在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，成型后放置3～4 h后脫模，試件脫模后用塑料薄膜包裹，然后將其置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

表4 4.5%水泥用量下混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Compaction test results of mixture under 4.5%cement content

1.2.3 干縮試驗(yàn)

干縮試驗(yàn)依據(jù) 《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[9]中“T0854-2009無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料干縮試驗(yàn)方法”進(jìn)行。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生6 d后取出浸水24 h，實(shí)驗(yàn)前將試件上端面磨平，并使用502膠粘結(jié)玻璃片，千分表通過鋼托架放置在試件的頂部，見圖1。之后試件放置于20℃左右的室內(nèi)自然濕度下風(fēng)干，觀測千分表的數(shù)值變化。同時(shí)，成型另一組試件，養(yǎng)生與浸水條件一致，測定試件隨放置時(shí)間的失水率。分別按式（1），（2）及（3）計(jì)算試件的失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)。

圖1 干縮試驗(yàn)Fig.1 Dry shrinkage test

式中：mi和m0為第i次及初始測得的試件質(zhì)量，g；wi為第i次失水率，%；δi為第i次測得的試件的干縮量，mm；l為試件的初始長度，mm；εi為第i次干縮應(yīng)變，%；αi為試件第i次干縮系數(shù)，%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 暴露時(shí)間對混合料干縮特性的影響

水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的失水率與暴露時(shí)間的關(guān)系曲線見圖2。分析圖2可見：

1）水泥穩(wěn)定三渣基層回收料與普通水泥穩(wěn)定碎石混合料的失水率變化規(guī)律相似，均隨著試件暴露時(shí)間的延長，失水率不斷增大。與普通水泥穩(wěn)定碎石相比，當(dāng)暴露時(shí)間一定時(shí)，水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的失水率明顯大于普通水泥穩(wěn)定碎石，且隨著三渣回收料摻量的增加，影響更加顯著，失水率的大小排列順序依次為：R-100混合料＞R-60混合料＞NA混合料。水泥穩(wěn)定三渣基層回收料失水率高于普通水泥穩(wěn)定碎石混合料，一方面是因?yàn)樗喾€(wěn)定三渣基層回收料最佳含水量較高，致使混合料中自由水含量相對較多，蒸發(fā)量相對較大；另一方面是因?yàn)槿鶎踊厥樟媳砻娲植诙嗫?、保水性較差，三渣基層回收料摻量越多，其水分蒸發(fā)量越大，從而導(dǎo)致失水量增大。

圖2 失水率與暴露時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between water loss rate and exposure time

2）水泥穩(wěn)定三渣基層回收料與對照組NA混合料的失水率相同，早期增長幅度較大，后期增長較慢趨于平緩；普通水泥穩(wěn)定碎石混合料試件在測試7 d后，其失水率基本趨于平緩，而水泥穩(wěn)定三渣基層回收料失水率增長時(shí)間明顯大于普通水泥穩(wěn)定碎石混合料，甚至在試驗(yàn)測試28 d后，依然有小幅度的增長。這可以解釋如下，三渣基層回收料吸水率高于天然集料，隨著三渣回收料摻量的增多，其吸收的水分越多，而這部分水分主要分散在混合料試件內(nèi)部，其蒸發(fā)過程較慢，從而導(dǎo)致水泥穩(wěn)定三渣基層回收料失水率增長時(shí)間較長。

水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的干縮應(yīng)變隨暴露時(shí)間的關(guān)系曲線見圖3。由圖3可見：

1）水泥穩(wěn)定三渣基層回收料干縮應(yīng)變變化規(guī)律與對照組NA混合料相同，即干縮應(yīng)變隨著暴露時(shí)間的增長而不斷增大，對比發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定三渣基層回收料干縮應(yīng)變變化幅度明顯大于普通水泥穩(wěn)定碎石混合料。

2）當(dāng)暴露時(shí)間低于7 d時(shí)，混合料RA-60和RA-100的干縮應(yīng)變較為接近，稍大于對照組混合料NA，但隨著暴露時(shí)間的延長，水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的干縮應(yīng)變逐漸大于對照組NA混合料?；旌狭系母稍锸湛s是由于內(nèi)部含水量變化引起的體積收縮，存在于混合料中的水分包括表面結(jié)合水、自由水以及晶體結(jié)晶水等。不同于普通水泥穩(wěn)定碎石，水泥穩(wěn)定三渣基層回收料內(nèi)部除了水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)晶水外，其三渣回收料表面附著的灰漿（石灰粉煤灰水化作用產(chǎn)物）也可能產(chǎn)生一定量的結(jié)晶水。干縮試驗(yàn)早期，混合料試件發(fā)生的干縮變形主要是因?yàn)榛旌狭媳砻娴慕Y(jié)合水、自由水蒸發(fā)所引起，而短時(shí)間內(nèi)水泥穩(wěn)定三渣基層回收料表面結(jié)合水及自由水蒸發(fā)量差距較小，故其干縮變形較接近，但由于最佳含水量較高，所以干縮應(yīng)變大于普通水泥穩(wěn)定碎石混合料，但差異不顯著。隨著混合料試件暴露時(shí)間的延長，混合料試件的自由水與大量結(jié)晶水不斷蒸發(fā)，致使自由水及結(jié)晶水較多的水泥穩(wěn)定三渣基層回收料所產(chǎn)生的干縮應(yīng)變與普通水泥穩(wěn)定碎石混合料之間的差距越大，三渣回收料摻量越多，影響越顯著。

水泥穩(wěn)定三渣基層回收料干縮系數(shù)與暴露時(shí)間的關(guān)系見圖4。由圖4可知，試件的干縮系數(shù)隨放置時(shí)間以近似線性關(guān)系增大；與對照組NA混合料相比，水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的干縮系數(shù)相對較大；三渣回收料摻量越多，混合料的干縮系數(shù)越大；暴露時(shí)間達(dá)25 d時(shí)，干縮系數(shù)值趨于穩(wěn)定，幾乎不再增長。

圖3 干縮應(yīng)變與暴露時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between dry shrinkage strain and exposure time

圖4 干縮系數(shù)與暴露時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between dry shrinkage coefficient and exposure time

2.2 失水率對混合料干縮特性的影響

圖5和圖6為水泥穩(wěn)定三渣基層回收料與對照組NA混合料的干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)與失水率的變化曲線。由圖可知：當(dāng)NA混合料失水率小于1.70%（約為混合料最佳含水量的32.7%）時(shí)，干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)變化幅度較為平緩，此后隨著失水率的增加干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)迅速增大；當(dāng)RA-60混合料小于2.85%（約為混合料最佳含水量的28.5%）時(shí)，干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)變化幅度較小，此后隨著失水率的增加干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)迅速增大；當(dāng)RA-100混合料失水率小于4.32%（約為混合料最佳含水量的29.4%）時(shí)，干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)幅度較平緩，此后隨著失水率的增加干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)迅速增大。以上結(jié)論表明，無論是水泥穩(wěn)定三渣基層回收料還是對照組NA混合料，在試件失水的初期 （失水量不超過最佳含水量的30%），試件的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)較小，此后隨著失水率的增加混合料的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)急劇增大。

目前規(guī)范中并沒有對水泥穩(wěn)定類材料的收縮抗裂指標(biāo)及要求作出明確規(guī)定。相關(guān)研究文獻(xiàn)表明，水泥穩(wěn)定碎石的收縮抗裂性并不能簡單以干縮應(yīng)變或干縮系數(shù)評價(jià)，還應(yīng)考慮水泥穩(wěn)定碎石的極限拉應(yīng)力及拉應(yīng)變。但總體而言，干縮應(yīng)變小、干縮系數(shù)小的水泥穩(wěn)定類材料抗裂性更好。

綜合以上分析，為有效降低水泥穩(wěn)定三渣基層回收料基層的干縮變形，提高水泥穩(wěn)定三渣基層回收料基層的收縮抗裂性能，在該類混合料基層施工完畢后，應(yīng)該加強(qiáng)保濕措施，防止水分過快、過多蒸發(fā)。

圖5 干縮應(yīng)變與失水率的關(guān)系Fig.5 Relationship between dry shrinkage strain and water loss rate

圖6 干縮系數(shù)與失水率的關(guān)系Fig.6 Relationship between dry shrinkage coefficient and water loss rate

2.3 三渣回收料摻量對混合料干縮特性的影響

不同三渣回收料摻量下各混合料的30 d累積失水率、30 d累積干縮應(yīng)變及30 d干縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表5，水泥用量4.5%。分析表5數(shù)據(jù)可知，三渣回收料摻量是影響水泥穩(wěn)定三渣基層回收料干縮特性的關(guān)鍵因素，隨著三渣回收料摻量的增加，水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的30 d累積失水率、30 d累積干縮應(yīng)變及30 d干縮系數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢。如，對照組NA混合料30 d累積失水率、30 d累積干縮應(yīng)變及30 d干縮系數(shù)分別為2.08%，170×10-6和82×10-6，三渣回收料摻量60%的RA-60混合料各項(xiàng)干縮指標(biāo)值增大約2.0倍、2.9倍及1.4倍；而回收料摻量100%的RA-100混合料各項(xiàng)干縮指標(biāo)值增大約3.1倍、5.6倍及1.8倍。對水泥穩(wěn)定三渣基層回收料各干縮指標(biāo)與三渣回收料摻量的相關(guān)性進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果見表6。

表5 混合料30 d干縮試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 30 d dry shrinkage test results of mixture

表6 混合料干縮指標(biāo)與三渣回收料摻量的相關(guān)關(guān)系Tab.6 Correlation between dry shrinkage indexes of mixture and recycled aggregate contents

2.4 水泥用量對混合料干縮特性的影響

水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的30 d累積失水率、30 d累積干縮應(yīng)變及30 d干縮系數(shù)與水泥用量的關(guān)系曲線見圖7，三渣回收料摻量60%，水泥用量為3%，4.5%及6%。由圖可見，水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的失水率、干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)均隨著水泥用量的增加而增大。相關(guān)研究表明混合料的干燥收縮與水泥石收縮過程相關(guān)，水泥石即水泥水化漿體，是由不同晶體組成的多孔體，這些晶體可以吸附水，水泥用量越多，水化作用產(chǎn)生的晶體物質(zhì)越多，其吸附水增多，因此蒸發(fā)的水分變多，導(dǎo)致混合料的干縮變形增大。對水泥穩(wěn)定三渣基層回收料各干縮指標(biāo)與水泥用量的相關(guān)性進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果見表7。

圖7 混合料干縮特性與水泥用量的關(guān)系Fig.7 Relationship between dry shrinkage properties of mixture and cement contents

表7 混合料干縮指標(biāo)與水泥用量的相關(guān)關(guān)系Tab.7 Correlation between dry shrinkage indexes of mixture and cement contents

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的收縮性能，并與普通水泥穩(wěn)定碎石混合料的收縮性能進(jìn)行對比分析，主要得到以下幾方面結(jié)論：

1）水泥穩(wěn)定三渣基層回收料與普通水泥穩(wěn)定碎石混合料的失水率、干縮應(yīng)變及干縮系數(shù)均隨著暴露時(shí)間的延長呈現(xiàn)增大的趨勢；且混合料的失水率、干縮應(yīng)變與干縮系數(shù)早期增長幅度較快，后期增長趨于平緩。

2）無論是水泥穩(wěn)定三渣基層回收料還是普通水泥穩(wěn)定碎石混合料，當(dāng)失水量不超過混合料最佳含水量30%時(shí)，試件的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)較小，此后隨著失水率的增加混合料的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)急劇增大；為有效降低水泥穩(wěn)定三渣回收料的干縮變形，該類混合料在基層施工完成后，應(yīng)立即采取措施減緩混合料中的水分蒸發(fā)。

3）當(dāng)水泥用量、暴露時(shí)間一定時(shí)，水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)均大于普通水泥穩(wěn)定碎石混合料；隨著三渣回收料摻量的增加，水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)逐漸增大，且其各項(xiàng)干縮指標(biāo)與三渣回收料摻量之間有很好的線性關(guān)系。

4）水泥穩(wěn)定三渣基層回收料的失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)隨著水泥用量的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，且其各項(xiàng)干縮指標(biāo)與水泥用量之間有很好的相關(guān)關(guān)系。

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Shrinkage Performance of Cement Stability Recycled Lime Fly Ash Stabilized Aggregate

Chang Kang1，Li Lihan1，Wang Yukai2
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China；2.Qingdao Municipal Engineering Design and Researoh Institute，Qingdao 266000，China)

This paper used early recycled lime fly ash stabilized aggregate of Shanghai to replace natural aggregate for cement stabilized aggregate base.Shrinkage performance of cement stabilized recycled lime fly ash stabilized aggregate was analyzed，considering the influence of different recycled aggregate contents and different cement contents by laboratory test,and based on the parameters of dry shrinkage strain,water loss rate and dry shrinkage coefficient.The performance of cement stabilized lime fly ash stabilized aggregate was compared with cement stabilized aggregate.Test results have indicated that the factors including exposure time,water loss rate, recycled aggregate contents and cement contents have significant impact on the shrinkage performance of cement stabilized recycled lime fly ash stabilized aggregate.The shrinkage performance of cement stabilized aggregate is better than that of cement stabilized recycled lime fly ash stabilized aggregate.

recycled lime fly ash stabilized aggregate;cement stabilized aggregate;shrinkage performance

U416.26

A

1005-0523（2015）06-0067-07

(責(zé)任編輯 劉棉玲)

2015－06-14

常康（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槁坊访婀こ蹋焕盍⒑?957—），女，教授，研究方向?yàn)槁坊访妗?/p>