高磊，賈致榮，袁中玉，王立志，付魯鑫

(1.山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院)

水泥穩(wěn)定碎石基層具有良好的整體性、足夠的力學(xué)強(qiáng)度、抗水性和耐凍性，被廣泛應(yīng)用在道路建設(shè)中，是半剛性基層的主要應(yīng)用形式。隨著中國(guó)公路事業(yè)的不斷發(fā)展，每年都將會(huì)有大量公路需要整修，部分道路需要將結(jié)構(gòu)層全部挖除，從而產(chǎn)生大量的廢料。如一條15 m寬、水泥穩(wěn)定碎石基層厚度為50 cm的道路，1 km需要挖除的舊水泥穩(wěn)定碎石約7 500 m3，幾十公里的道路挖除量就是幾十萬(wàn)立方米，數(shù)量十分巨大。水泥穩(wěn)定碎石銑刨料的研究對(duì)降低廢料對(duì)環(huán)境的污染，減少對(duì)天然集料的開(kāi)采具有重要意義。

目前對(duì)再生集料的研究對(duì)象主要是混凝土再生集料，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石銑刨料的研究相對(duì)較少。水泥穩(wěn)定碎石水泥含量少，水泥砂漿強(qiáng)度低，對(duì)再生集料的力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，水泥穩(wěn)定碎石銑刨料由銑刨機(jī)銑刨產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)篩分可得到銑刨粗集料和銑刨細(xì)集料，其外觀與級(jí)配也不同于混凝土再生集料。銑刨粗細(xì)集料可用作路基填料、修筑便道等，但利用附加值較低。水泥穩(wěn)定碎石再生集料能否重新利用在新建道路底基層，如何更好地評(píng)價(jià)和利用水泥穩(wěn)定碎石再生集料，具有重要意義。由于銑刨粗集料占比更大，銑刨料的路用性能評(píng)價(jià)先從再生粗集料展開(kāi)。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用的再生粗集料為山東省省道S102(K60+525～K62+400)道路改造銑刨得到的廢舊水泥穩(wěn)定碎石，經(jīng)篩分后得到粒徑大于4.75 mm的粗集料。如圖1所示。

圖1 篩分得到的銑刨粗集料

由圖1可以看出：大部分銑刨粗集料表面附有硬化砂漿，由于水泥穩(wěn)定碎石水泥用量低，造成附著砂漿強(qiáng)度低，在再生利用過(guò)程中會(huì)形成薄弱面，對(duì)再生利用不利。少部分集料有新的斷裂面，使再生集料表面更加粗糙，增大了集料間的摩擦力，集料表面的附著砂漿也會(huì)增大集料表面的粗糙程度，增大集料間的摩擦力。

從集料形狀上看，銑刨粗集料扁平狀和條形針狀顆粒含量偏多，在受外力作用時(shí)，扁平狀和條形針狀顆粒薄弱點(diǎn)易斷裂，對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。從集料的組成可以看出，小粒徑集料大部分為附著有砂漿的原生集料，隨集料粒徑增加，細(xì)集料和小粒徑粗骨料黏結(jié)而成顆粒含量增加，粒徑大于31.5 mm的集料，大部分為細(xì)集料和小粒徑粗骨料黏結(jié)而成，強(qiáng)度低，對(duì)再生利用的負(fù)面影響大。

2 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料吸水率

再生集料的吸水率直接影響再生水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水率，是衡量再生集料性質(zhì)的重要指標(biāo)。參照文獻(xiàn)[7]中粗集料密度及吸水率試驗(yàn)(網(wǎng)籃法)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試再生集料吸水率，試驗(yàn)結(jié)果如表1、2所示。

表1 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料吸水率

表2 混凝土再生集料與天然集料吸水率

由表1可看出：銑刨粗集料的吸水率隨粒徑的增大先減小后增大，這是由于隨著粒徑的增大，比表面積減小，吸水率減小。之后吸水率增大，是因?yàn)檩^小粒徑粗集料顆粒主要是附著砂漿的原生集料，砂漿塊少，隨著粒徑的增大，由細(xì)集料和小粒徑粗骨料黏結(jié)而成，顆粒含量增加，造成了吸水率的增大。

由表2可知：① 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料的吸水率高于天然集料的吸水率，這是因?yàn)樵偕现邪挠不皾{孔隙多，吸水率大，而且在銑刨過(guò)程中，再生集料會(huì)產(chǎn)生大量的微裂縫，增大了吸水率，對(duì)比表1、2中混凝土再生粗集料，水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料的吸水率小于混凝土再生粗集料的吸水率，這是由于水泥穩(wěn)定碎石水泥含量低，水泥砂漿少，使得水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料吸水率較小。

3 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料表觀密度

再生集料的表觀密度直接影響再生水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度，參照文獻(xiàn)[7]中粗集料密度及吸水率試驗(yàn)(網(wǎng)籃法)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試再生粗集料的表觀密度，試驗(yàn)結(jié)果如表3、4所示。

表3 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料的表觀密度

表4 混凝土再生集料與天然集料表觀密度

由表3可知：水穩(wěn)銑刨粗集料的表觀密度隨粒徑的增加而減小，這是由于隨著粒徑的增加，硬化砂漿含量增加，硬化砂漿質(zhì)地疏松，表觀密度小，造成了集料表觀密度減小。對(duì)比表4中天然集料和混凝土再生集料可知：水穩(wěn)銑刨粗集料的表觀密度未出現(xiàn)大幅度衰減，對(duì)再生水泥穩(wěn)定碎石不會(huì)產(chǎn)生太大的負(fù)面影響。

4 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料壓碎值

壓碎值是用來(lái)衡量再生集料的力學(xué)性質(zhì)，對(duì)再生水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能有直接影響。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中粗集料壓碎值試驗(yàn)測(cè)量再生粗集料的壓碎值，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可知：① 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料的壓碎值大于天然集料，這是由于水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料中所含的水泥砂漿是軟弱材料，在外力作用下易破碎和脫落，而且在銑刨過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部微裂縫，也會(huì)增大壓碎值；② 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料的壓碎值大于混凝土再生集料，這是由于水泥穩(wěn)定碎石水泥含量低，水泥砂漿強(qiáng)度小于混凝土中水泥砂漿強(qiáng)度，使得水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料的壓碎值較大。JTG/T F20-2015 《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中對(duì)水泥穩(wěn)定碎石要求：二級(jí)及二級(jí)以下公路基層不應(yīng)大于35%，底基層不應(yīng)大于40%，水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料的壓碎值符合規(guī)范要求。

表5 壓碎值試驗(yàn)結(jié)果

5 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料針片狀顆粒含量

再生集料的針片狀含量用來(lái)評(píng)價(jià)粗集料的形狀和抗壓碎能力，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中游標(biāo)卡尺法測(cè)量再生粗集料的針片狀顆粒含量，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料的針片狀顆粒含量

由表6可知：銑刨粗集料的針片狀含量滿足JTG TF 20-2015 《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中對(duì)高速公路和一級(jí)公路的要求，再生集料針片狀顆粒含量與其破碎工藝有關(guān)，銑刨機(jī)的型號(hào)、運(yùn)行速度、銑刨深度等都會(huì)對(duì)再生集料的針片狀含量產(chǎn)生影響。

6 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料微觀分析

對(duì)水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料進(jìn)行SEM微觀電鏡掃描和EDS材料元素種類(lèi)和含量分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～4所示。

從圖2可以看出：再生集料表面存在硬化水泥砂漿，水泥砂漿孔隙明顯，砂漿周?chē)嬖诹芽p且多為聯(lián)通裂縫，是造成再生集料吸水率大的主要原因，隨著集料粒徑的增大，砂漿塊含量增加，其吸水率有增大的趨勢(shì)，表觀密度有減小趨勢(shì)。水泥砂漿強(qiáng)度低，在受外力作用時(shí)易破碎脫落，因此再生集料的強(qiáng)度受到很大的影響。對(duì)比圖3可發(fā)現(xiàn)，混凝土再生集料表面水泥砂漿較密實(shí)且含量多，這是由于混凝土水泥含量高，水泥砂漿含量多且強(qiáng)度大，使得混凝土再生集料吸水率較大，壓碎值較低。

圖2 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料2 000倍SEM圖像

圖3 混凝土再生粗集料2 000倍SEM圖像

圖4 水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料EDS圖像

結(jié)合SEM圖像和EDS圖像可知，水泥砂漿主要成分為水化硅酸鈣，水化硅酸鈣是水泥水化主要產(chǎn)物，是無(wú)機(jī)結(jié)合材料的強(qiáng)度來(lái)源，硅元素含量少，可以說(shuō)明水化硅酸鈣含量較少，可推斷水泥砂漿強(qiáng)度低，在受外力作用下易破碎，是造成銑刨料的力學(xué)指標(biāo)衰減的主要原因。

7 結(jié)論

(1)水泥穩(wěn)定碎石銑刨粗集料可以滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路水泥穩(wěn)定碎石底基層要求。

(2)水泥穩(wěn)定碎石再生集料水泥含量低，水泥砂漿含量少，吸水率并無(wú)明顯提高。

(3)粒徑大于31.5 mm的銑刨粗集料，大部分由細(xì)集料和小粒徑集料黏結(jié)而成，力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)均有較大程度衰減，受外力作用下易破碎，對(duì)再生水泥穩(wěn)定碎石產(chǎn)生負(fù)面影響。