白立波

（河北平山縣交通運(yùn)輸局公路工程隊(duì)，河北平山 050400）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)公路工程的快速建設(shè)，一些老舊公路必然會(huì)進(jìn)行改造，以滿足當(dāng)下新的運(yùn)輸要求。而在公路建設(shè)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的公路棄渣。目前，公路棄渣的處理技術(shù)尚不夠成熟，給環(huán)境及土地資源造成許多不良影響，因此，將公路棄渣結(jié)合低劑量水泥在公路基層中的應(yīng)用作為研究課題具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以河北省西部石家莊市境內(nèi)既有公路改建項(xiàng)目為工程背景，通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)公路水泥穩(wěn)定層中的公路棄渣混合材料的7d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究，為相關(guān)工程提供一定的參考。

1 工程概況

河北省既有公路改建項(xiàng)目位于河北省西部石家莊市境內(nèi)，路段分為多段，是河北省公路網(wǎng)的重要組成部分，該項(xiàng)目連接國(guó)道207和省道正南公路，將革命圣地西柏坡與“石家莊市第一峰”駝梁聯(lián)系起來(lái)。既有公路的改造有利于提高河北省公路網(wǎng)的運(yùn)輸能力，從而促進(jìn)相鄰區(qū)域之間的相互交流和經(jīng)濟(jì)來(lái)往，對(duì)沿線的投資環(huán)境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展都十分重要。

該項(xiàng)目為改建工程，對(duì)老路面平整后，在老路面上加鋪路面結(jié)構(gòu)層。道路結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)全長(zhǎng)25km，設(shè)計(jì)通行速度110km/h，路基寬度24m。主路寬2m，長(zhǎng)7.5m，中段寬2m，長(zhǎng)3m，坡面寬2m，長(zhǎng)0.85m，中央隔離段寬3m。其中，20cm水泥混凝土面層，C30水泥混凝土（彎拉強(qiáng)度≥4.0MPa），5cm厚級(jí)配碎石找平層、20cm厚水泥10%水泥穩(wěn)定層。由于當(dāng)?shù)靥幱谄皆貐^(qū)且運(yùn)輸條件較差，砂石短缺且價(jià)格較高，為避免耽誤工期，在經(jīng)過(guò)項(xiàng)目甲方和設(shè)計(jì)院同意后，決定對(duì)其中的1.2km老舊混凝土路面進(jìn)行混凝土面板破拆，對(duì)破拆后的混凝土塊進(jìn)行加工得到再生粗骨料，并結(jié)合低劑量水泥用于路面的施工。

2 低劑量水泥穩(wěn)定層性能

本文以低劑量水泥及公路棄渣混合料為研究對(duì)象，并對(duì)低劑量水泥及公路棄渣混合料的性能指標(biāo)及物理力學(xué)特性進(jìn)行研究。

2.1 低劑量水泥穩(wěn)定結(jié)構(gòu)組成

水泥穩(wěn)定層混合料中顆粒大小及顆粒的空間分布均是影響混合料力學(xué)性質(zhì)的主要因素，考慮到施工過(guò)程中混合料的拌和比較均勻，因此可以從水泥穩(wěn)定層混合料中顆粒的含量對(duì)混合料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)前人研究可知，不同粗顆粒含量下混合料的結(jié)構(gòu)形式大致可分為：懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架-空隙結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)形式下混合料的特性如下：

（1）懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)；粗顆粒含量小于30%，大顆粒懸浮在細(xì)顆粒之間，接觸較少，抗變形能力較差。

（2）骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)；粗顆粒量介于30%～70%，填料的力學(xué)特性由大顆粒塊石和小顆粒土體共同作用，抗剪強(qiáng)度由大顆粒之間的咬合與小顆粒之間的黏聚力共同作用。

（3）骨架-空隙結(jié)構(gòu)；粗顆粒量大于70%，此時(shí)，小顆粒土體不能填充大顆粒塊石之間的空隙，導(dǎo)致填料顆粒之間的空隙很大，透水性增強(qiáng)，抗變形能力較差。

相較于懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)和骨架-空隙結(jié)構(gòu)，骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)混合料具有較高的強(qiáng)度，且細(xì)顆粒很好地填充在大顆?？障吨g，使混合料具有較好的抗收縮性能以及抗沖刷性能，因此，本文所采用的水泥穩(wěn)定層混合料以骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)為主。水泥穩(wěn)定層混合料的原材料特性如下。

（1）土樣

在公路改建現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段取土，并通過(guò)室內(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土體的物理性能進(jìn)行研究，共對(duì)5組土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到不同含水量下現(xiàn)場(chǎng)土樣的干密度，如圖1所示。

圖1 不同含水量下土樣的干密度

由圖1可知，土樣的最優(yōu)含水量為17%，最大干密度為1.75g/cm3；并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，得到土樣的其他物理指標(biāo)如表1所示，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E4—2007）中土體的工程分類(lèi)可知，試驗(yàn)土樣為高液限紅黏土。

表1 土樣物理性能指標(biāo)

（2）低劑量水泥

水泥采用和現(xiàn)場(chǎng)半剛性基層相同的水泥標(biāo)號(hào)，為普通硅酸鹽水泥，具有干縮性小、強(qiáng)度高、耐磨性較好等優(yōu)點(diǎn)，其性能指標(biāo)如表2所示。

表2 水泥性能指標(biāo)

2.2 強(qiáng)度機(jī)理

公路棄渣和低劑量水泥混合料的強(qiáng)度來(lái)源主要有公路棄渣顆粒之間的摩擦咬合、水泥材料之間的黏聚及棄渣顆粒和水泥材料之間的膠結(jié)。

公路棄渣和低劑量水泥混合料的強(qiáng)度機(jī)理為：低劑量水泥混合料中主要有粗骨料、細(xì)集料和水泥，粗骨料之間相互咬合形成混合料的骨架，而細(xì)集料填充在粗骨料顆?？障吨g，進(jìn)一步增強(qiáng)顆粒之間的咬合和黏結(jié)，從而形成密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)；同時(shí)，水泥作為黏結(jié)材料，和水發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化鋁酸鈣等有黏附能力的水化產(chǎn)物，使得粗細(xì)填料更好的黏結(jié)在一起，成為公路棄渣和低劑量水泥混合料的強(qiáng)度來(lái)源之一。

粗骨料之間的嵌合力主要與骨料顆粒之間的內(nèi)摩擦角和黏聚力的大小成正比，同時(shí)為了增加粗骨料顆粒之間的咬合力，在粗骨料中添加適量的水泥材料，水泥材料通過(guò)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步增加粗骨料之間的黏結(jié)力，也增強(qiáng)了細(xì)集料之間的膠結(jié)力，從而使水泥穩(wěn)定混合料的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于純骨料顆粒材料的強(qiáng)度，提高了材料的整體性和水穩(wěn)定性；與半剛性基層相比，減少了干縮裂縫。

2.3 水泥穩(wěn)定材料強(qiáng)度特性研究

在粗骨料中添加水泥材料能夠有效地增加混合料的力學(xué)強(qiáng)度，但由于水泥材料成本較高，因此本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)處理后的公路棄渣混合料中添加低劑量水泥材料而形成的混合材料的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，研究影響低劑量水泥混合料力學(xué)特性的因素。

2.3.1 試驗(yàn)方案

不同水泥及再生骨料含量下水泥穩(wěn)定混合料的設(shè)計(jì)配合比如表3所示。

表3 水泥穩(wěn)定混合料配合比 單位：%

不同水泥含量下混合料試樣的尺寸為直徑×高=150mm×150mm，然后將制備好的試樣放置到壓力機(jī)上，以1mm/min的加載速率加壓，直至上下壓柱都?jí)喝朐嚹橹?。靜壓完畢，將試樣取下，并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，然后根據(jù)公式（1）得到水泥穩(wěn)定混合料的抗壓強(qiáng)度；

式（1）中：R為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）；P為試樣破壞時(shí)壓力（N）；A為試樣的截面積（mm2）。

2.3.2 水泥及粉煤灰含量對(duì)水泥穩(wěn)定混合材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 水泥及粉煤灰含量對(duì)水泥穩(wěn)定混合材料抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可知，在再生骨料水泥混合料中添加粉煤灰能夠明顯增加水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且當(dāng)粉煤灰的含量相同時(shí)，隨著混合料中水泥含量的增加，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎呈線性增加：當(dāng)水泥含量為2%時(shí)，不添加粉煤灰再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.8MPa；粉煤灰含量為5%時(shí)，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.1MPa；粉煤灰含量為10%時(shí)，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.25MPa；粉煤灰含量為15%時(shí)，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.28MPa；

當(dāng)水泥含量為4%時(shí)，不添加粉煤灰再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.15MPa；粉煤灰含量為5%時(shí)，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.3MPa；粉煤灰含量為10%時(shí)，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.55MPa；粉煤灰含量為15%時(shí)，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.7MPa；

當(dāng)水泥含量為6%時(shí)，不添加粉煤灰再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.4MPa；粉煤灰含量為5%時(shí)，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.65MPa；粉煤灰含量為10%時(shí)，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.76MPa；粉煤灰含量為15%時(shí)，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.9MPa；

在再生混合骨料中，添加水泥的強(qiáng)度加固效果明顯高于粉煤灰的加固效果，當(dāng)粉煤灰添加到一定含量以后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果逐漸減弱，但整體上粉煤灰對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定土的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有積極的作用。這是由于水泥的黏結(jié)作用是再生骨料水泥混合料強(qiáng)度的主要來(lái)源，水泥發(fā)生水化反應(yīng)后，將混合料中的顆粒包裹起來(lái)，使原有混合料的塑性降低，強(qiáng)度增高，同時(shí)粉煤灰在再生骨料中的作用主要體現(xiàn)在對(duì)原有填料顆粒級(jí)配的改善，增強(qiáng)顆粒與顆粒之間的咬合力，從而提高再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的強(qiáng)度。

2.3.3 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥穩(wěn)定混合材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥穩(wěn)定混合材料抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先快速增加，然后增加緩慢，最后趨于穩(wěn)定。且不同粉煤灰含量下，水泥穩(wěn)定混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)也基本相同：當(dāng)粉煤灰含量為0%時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間7d時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.8MPa；養(yǎng)護(hù)時(shí)間14d時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.1MPa；養(yǎng)護(hù)時(shí)間28d時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.9MPa；養(yǎng)護(hù)時(shí)間90d時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.5MPa。

當(dāng)粉煤灰含量為5%時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間7d時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.1MPa；養(yǎng)護(hù)時(shí)間14d時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.16MPa；養(yǎng)護(hù)時(shí)間28d時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.13MPa；養(yǎng)護(hù)時(shí)間90d時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.8MPa。同樣，當(dāng)粉煤灰含量為10%時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為2.3MPa、3.2MPa、4.2MPa、5.2MPa；當(dāng)粉煤灰含量為15%時(shí)，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為2.4MPa、3.5MPa、4.4MPa、5.4MPa；

在養(yǎng)護(hù)前28d，水泥穩(wěn)定混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到70%以上，強(qiáng)度值增長(zhǎng)較快，28d以后，強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)，這是由于混合料中的水泥及粉煤灰具有早強(qiáng)的特點(diǎn)，水泥水化反應(yīng)在28d內(nèi)幾乎完成，因此，在施工過(guò)程中可以加快施工速度，應(yīng)注意前期的養(yǎng)生工作，以保證混合材料的強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

將水泥應(yīng)用于公路路面基層中，有利于改善路面基層的力學(xué)性能，提高路用效果?？紤]到水泥成本較高，為降低施工成本，對(duì)公路棄渣進(jìn)行再處理、再利用，并在處理后的公路棄渣中添加低劑量水泥，能夠一定程度上改善路面基層材料相關(guān)性能。本文通過(guò)室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)再生骨料水泥穩(wěn)定混合料的路用性能進(jìn)行研究，為相關(guān)工程提供參考。