作者簡介：趙柏權(quán)（1987—），工程師，主要從事公路建設(shè)施工工作。

摘要：文章在試驗測試的基礎(chǔ)上，對再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料的耐久性進(jìn)行綜合評價，基于干縮、溫縮、抗凍融性能和抗沖刷性能等多個方面試驗分析，得出以下結(jié)論：（1）在水泥穩(wěn)定碎石基層材料中用再生骨料代替天然骨料，會導(dǎo)致累積失水率、平均干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)總體增加；（2）再生骨料對水泥穩(wěn)定碎石基層的抗凍融性能產(chǎn)生負(fù)面影響，增加水泥穩(wěn)定碎石基層材料的養(yǎng)生時間可以提高其抗凍融能力，火山灰反應(yīng)會產(chǎn)生更多的膠結(jié)材料來填充內(nèi)部孔隙；（3）再生骨料作為細(xì)骨料摻入水泥穩(wěn)定碎石基層中將是一種可持續(xù)的綠色環(huán)保手段，在工程應(yīng)用中建議再生骨料替代率取20%。

關(guān)鍵詞：道路工程；再生骨料；水泥穩(wěn)定碎石；基層材料；耐久性

中圖分類號：U414

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速和交通運輸行業(yè)的快速發(fā)展，路面基層材料的需求量以及使用量不斷增加。傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定碎石基層材料受限于成本高、資源緊缺等缺點^［1］，為此，再生骨料水泥穩(wěn)定碎石作為一種新型的道路基層材料應(yīng)運而生，由于其具有成本低廉、強(qiáng)度性能滿足要求等，近年來逐漸被應(yīng)用于工程實踐中^［2］。

再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層是近年來發(fā)展的一種新型路面基層材料，具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展等特點，在實際應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注^［3］。目前常用的穩(wěn)定劑包括水泥、石灰等，而在再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層中，水泥是主要的穩(wěn)定劑。研究表明，適當(dāng)?shù)膿郊铀嗫梢蕴岣咴偕橇系膹?qiáng)度和耐久性，并且能夠有效地改善其工程性質(zhì)。此外，再生骨料來源于建筑廢棄物等，種類較多，包括混凝土再生骨料、磚瓦再生骨料等^［4-5］。研究表明，不同類型的再生骨料對水泥穩(wěn)定碎石基層的性能影響不同，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層的配合比設(shè)計是關(guān)鍵因素之一，適當(dāng)?shù)乃鄵搅俊⒃偕橇狭胶团浜媳饶軌蛴行У靥岣呋鶎拥膹?qiáng)度和穩(wěn)定性^［6］。同時，在工程實踐中，再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層的施工工藝對其性能有重要影響。采用壓實度高、均勻壓實的施工工藝能夠增加基層的密實度和強(qiáng)度，從而提高其使用壽命。

雖然再生骨料水泥穩(wěn)定碎石作為新型的道路基層材料已經(jīng)在工程實踐中得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，但是從長期使用效果來看，其耐久性仍然存在許多問題。因此，為了深入探究再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料的耐久性，本研究對其進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究分析，通過試驗測試，針對再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料的耐久性，從干縮、溫縮、抗凍融性能與抗沖刷性能多個方面進(jìn)行評價和分析，以期為再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料的研究提供更為豐富的理論和實踐支撐，以推廣其在實際道路工程中的應(yīng)用。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

水泥為普通快硬硅酸鹽水泥，參照我國標(biāo)準(zhǔn)JTG E30-2005測試其凝結(jié)時間和強(qiáng)度，其技術(shù)指標(biāo)見表1，滿足我國標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007、JTG/T F20-2015的相關(guān)規(guī)定。考慮到水泥穩(wěn)定碎石的性能和經(jīng)濟(jì)性，其水泥用量不宜過低或過高，在本研究中，水泥穩(wěn)定碎石路面基層中水泥用量定為5%。

本研究中用于水泥穩(wěn)定碎石的天然骨料類型是玄武巖骨料，參照我國標(biāo)準(zhǔn)JTG E42-2005測定粗細(xì)玄武巖骨料的表觀比重、吸水率、針片狀含量、壓碎值、液限和塑限。同樣根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)JTG E42-2005測試再生骨料（RA）的技術(shù)指標(biāo)，玄武巖骨料與再生骨料的技術(shù)指標(biāo)均能夠滿足我國標(biāo)準(zhǔn)JTG/T F20-2015的要求。

1.2 水泥穩(wěn)定碎石試件的制備

首先，參照我國標(biāo)準(zhǔn)JTG E51-2009中靜態(tài)壓實試驗方法（T0804），分別以0、20%、40%、50%、60%、80%的RA比例替代玄武巖細(xì)骨料，按照規(guī)范規(guī)定的水泥穩(wěn)定碎石骨料級配中值，采用6個含水率且其間隔0.5%進(jìn)行壓實試驗，確定不同RA替代率下水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量和最大干密度，結(jié)果匯總于表2。

本研究中所用水泥穩(wěn)定碎石試件包括圓柱體與長方體兩種，參照我國標(biāo)準(zhǔn)JTG E51-2009中的T0843-2009方法，可制備直徑為150 mm，高為150 mm的圓柱體試件，用于抗凍融與抗沖刷性能測試；參照我國標(biāo)準(zhǔn)JTG E51-2009中的T0844-2009方法，可制備長為400 mm、寬為100 mm、高為100 mm的長方體試件，用于干縮和溫縮性能測試。水泥穩(wěn)定碎石試件的制備具體流程如下：先將骨料和水混合并靜置2 h，然后加入水泥攪拌均勻；將混合料分三次倒入圓柱體或長方體模具中，然后置于壓實機(jī)上以1 mm/min的加載速率壓實模具墊片，其中圓柱體試件穩(wěn)壓2 min，而長方體試件穩(wěn)壓5 min；壓實后的圓柱體試件在4～6 h（長方體試件在24 h）后脫模并儲存在密封袋中，溫度控制在（20±2）℃且相對濕度為95%以上。

1.3 耐久性試驗方法

根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)JTG E51-2009，測試水泥穩(wěn)定碎石試件的耐久性能，包括干縮性能、溫縮性能（養(yǎng)生7 d）、抗凍融性能（分別養(yǎng)生28 d和180 d）以及抗沖刷性能（養(yǎng)生28 d）。對于不同RA取代率下的水泥穩(wěn)定碎石長方體試件的干縮性能進(jìn)行研究，試件兩端打磨并粘貼有機(jī)玻璃片，其兩端固定千分表，放入恒溫（20±1）℃與相對濕度（60%±5%）的干縮室中，干縮試驗裝置如圖1（a）所示。干縮試驗第一周內(nèi)每天記錄一次變化，第一周后每兩天記錄一次。通過高低溫交替試驗箱進(jìn)行溫縮試驗，如圖1（b）所示。在溫縮試驗前，將不同RA替代率的長方體試件放入105 ℃烘箱中10～12 h直到重量恒定；然后打磨試件并粘貼箔式電阻應(yīng)變片，溫度范圍為（-20 ℃～30 ℃）；使用靜態(tài)應(yīng)變儀對高低溫交替試驗箱中的試件進(jìn)行測試并記錄其應(yīng)變值。

對于不同RA替代率下圓柱體試件的抗凍融性測試（圖2（a）），首先在-18 ℃低溫箱中冷凍16 h，然后在20 ℃的水浴中解凍8 h，以此定為一個凍融循環(huán)；若平均損失率超過5%，應(yīng)立即停止試驗。養(yǎng)生28 d或180 d后，圓柱體試件的凍融循環(huán)分別設(shè)定為5次或10次?？箖鋈谛阅茉u價指標(biāo)定義為圓柱體試件在凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)前的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比。圖2（b）所示，基于混凝土振動平臺進(jìn)行養(yǎng)生28 d的水泥穩(wěn)定碎石試件抗沖刷性能測試，振動頻率為50±3Hz、垂直振幅為0.5±0.02mm；圓柱體試件固定于沖刷桶中并放置在振動平臺上，加水使其高于試件上表面5 mm，之后進(jìn)行360 s的沖刷振動測試；通過圓柱體試件在沖刷前后的質(zhì)量來計算沖刷質(zhì)量損失率，以此表征圓柱體試件的抗沖刷性能。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 干縮性能分析

干縮試驗是反映水泥穩(wěn)定碎石由于內(nèi)部含水量變化而產(chǎn)生體積變化的試驗方法。圖3（a）為累積失水率隨時間變化的結(jié)果。可以看出，水泥穩(wěn)定碎石在相同養(yǎng)生條件下累積失水率隨著RA替代率的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。RA具有較高的吸水性，代替天然骨料將增加水泥穩(wěn)定碎石試件的最佳含水量。通常在早期養(yǎng)生階段含水量越大，后期蒸發(fā)的水就越多，導(dǎo)致干縮和失水率更大。此外，隨著養(yǎng)生時間的增加，累積失水率曲線呈逐漸緩慢的上升趨勢。失水率在早期養(yǎng)生期間變化迅速，在后期逐漸減緩。平均干縮系數(shù)結(jié)果匯總于下頁圖3（b）中。干縮系數(shù)先減小后增大，其最小值出現(xiàn)在RA替代率為20%時。基層材料對水越敏感，其干縮系數(shù)越大，表明其抗裂性較差。

上述結(jié)果表明，適量的RA替代率可以在一定程度上抑制水泥穩(wěn)定碎石的干縮。20%RA替代率下水泥穩(wěn)定碎石的平均干縮系數(shù)最低。這是由于試件干縮失水主要包括水泥水化產(chǎn)物（如C-S-H）的脫水和孔隙水的蒸發(fā)，較少的RA替代率可從源頭降低水泥水化產(chǎn)物的脫水量；另一方面，RA骨料火山灰材料中的活性成分與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生更多的膠結(jié)物質(zhì)來填充內(nèi)部孔隙，增加毛細(xì)孔隙的數(shù)量。因此，在毛細(xì)張力作用下孔隙水蒸發(fā)可能會增加干縮應(yīng)變。隨著RA替代率從20%增加到80%，試件的累積失水率和平均干縮系數(shù)呈上升趨勢。大比例的RA替代率會進(jìn)一步增加水泥穩(wěn)定碎石的干縮情況。

2.2 溫縮性能分析

環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力會導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石基層材料收縮，反復(fù)發(fā)生會使內(nèi)部結(jié)構(gòu)疲勞并逐漸誘發(fā)裂縫損傷。水泥穩(wěn)定碎石試件的溫縮結(jié)果如圖4所示。圖4（a）為不同溫度范圍內(nèi)溫縮系數(shù)變化結(jié)果，隨著試驗溫度的降低，溫縮系數(shù)先減小后增大，不同RA替代率下水泥穩(wěn)定碎石基層材料呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。50%RA替代率下水泥穩(wěn)定碎石的溫縮性能雖然波動較大，但其總體變化趨勢符合整體規(guī)律，這可歸因于某階段的測試誤差。當(dāng)溫度從30 ℃下降到10 ℃～0 ℃時，溫縮系數(shù)逐漸下降，隨后溫度依次降到-20 ℃，溫縮系數(shù)有所增加。此外，從圖4（a）可以看出，對于不同溫度范圍，RA替代率越高，溫縮系數(shù)越大，這意味著溫度變化時試件出現(xiàn)裂縫損傷的可能性越高。造成這種現(xiàn)象的原因主要是試件內(nèi)部的水分在0 ℃以下會發(fā)生凍脹，增大了溫縮系數(shù)，而在10 ℃～20 ℃范圍內(nèi)，溫縮系數(shù)變化相對平緩。圖4（a）為不同RA替代率下水泥穩(wěn)定碎石試件的平均溫縮系數(shù)結(jié)果，平均溫縮系數(shù)隨RA替代率的增加而增大。RA骨料的加入不僅對水泥穩(wěn)定碎石試件的干縮性能有影響，而且對溫縮性能同樣也有影響。相比于天然骨料，RA骨料具有多孔隙、大孔徑和粗糙表面的特點，隨著RA替代率的增加，水泥穩(wěn)定碎石試件的內(nèi)部孔隙率也隨之增加，為溫縮變形提供了較大的空間。因此，平均溫縮系數(shù)隨RA替代率呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢。

2.3 抗凍融性能分析

眾所周知，基層材料內(nèi)部不可避免地存在空隙，含有或多或少的水分，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，基層材料中的水分會發(fā)生膨脹、收縮。采用殘余強(qiáng)度比（BDR）來評估水泥穩(wěn)定碎石基層材料的抗凍融性能。不同RA替代率下水泥穩(wěn)定碎石在養(yǎng)生28 d和180 d的抗凍融性能試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在凍融作用前后，養(yǎng)生28 d和180 d后水泥穩(wěn)定碎石試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果總體呈下降趨勢，隨著RA替代率的增加而出現(xiàn)些許變化。另一方面，殘余強(qiáng)度比（BDR）越大，水泥穩(wěn)定碎石試件的抗凍融性能越好。在較小RA替代率范圍內(nèi)，隨著RA替代率的增加，水泥穩(wěn)定碎石試件的BDR值略有增加，然后迅速下降，其中當(dāng)RA替代率為50%時水泥穩(wěn)定碎石達(dá)到BDR峰值。不同RA替代率下水泥穩(wěn)定碎石基層材料的BDR值均滿足冰凍地區(qū)半剛性基層的抗凍融要求，即養(yǎng)生28 d后試件的BDR值≥50%。

2.4 抗沖刷性能分析

通常，降雨或地表水不可避免地滲入道路，基層內(nèi)的骨料在動力壓力作用下有時會被沖刷出來，骨料間的膠結(jié)能力有所降低。在這種情況下，水泥穩(wěn)定碎石基層材料的松散以及強(qiáng)度降低將會誘發(fā)相關(guān)路面病害。本文采用沖刷質(zhì)量損失率（SML）作為水泥穩(wěn)定碎石抗沖刷性能的評價指標(biāo)。下頁圖6為養(yǎng)生28 d時不同RA替代率下水泥穩(wěn)定碎石試件的抗沖刷性能試驗結(jié)果。從圖6中可以看出，隨著RA替代率的增加，水泥穩(wěn)定碎石試件的SML值呈上升趨勢。相比于未摻RA骨料的水泥穩(wěn)定碎石試件，RA替代率由20%變化至80%，養(yǎng)生28 d時水泥穩(wěn)定碎石試件的SML結(jié)果逐漸增加，SML值分別增加了42.9％、30.3％、41.5％、17.9％和10.7％。結(jié)果表明，RA替代率對水泥穩(wěn)定碎石試件的抗沖刷性能有明顯影響?？箾_刷性能的降低可歸因于RA骨料棱角性不良，其來源于建筑垃圾破碎而成，與天然骨料相比，RA骨料的棱角性較差，導(dǎo)致其與水泥砂漿形成的界面過渡帶的咬合力較弱。因此，RA骨料對水泥穩(wěn)定碎石基層的抗沖刷性能有一定的負(fù)面影響，在相同的沖刷條件下，摻入大比例RA骨料的水泥穩(wěn)定碎石試件的沖刷質(zhì)量損失率較大。

3 結(jié)語

本研究的主要目的是在試驗測試的基礎(chǔ)上，對再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料的耐久性進(jìn)行綜合評價?；诟煽s、溫縮、抗凍融性能和抗沖刷性能等多個方面，可以得出以下結(jié)論：

（1）在水泥穩(wěn)定碎石基層材料中用再生骨料代替天然骨料，會導(dǎo)致累積失水率、平均干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)總體增加。20%再生骨料替代率下水泥穩(wěn)定碎石基層材料具有較小的干縮系數(shù)，抗裂性能較佳。此外，溫縮系數(shù)在10 ℃～20 ℃溫度范圍內(nèi)變化相對平緩。

（2）再生骨料對水泥穩(wěn)定碎石基層的抗凍融性能產(chǎn)生負(fù)面影響，增加水泥穩(wěn)定碎石基層材料的養(yǎng)生時間可以提高其抗凍融能力，火山灰反應(yīng)會產(chǎn)生更多的膠結(jié)材料來填充內(nèi)部孔隙。與天然骨料相比，再生骨料粒徑較小，棱角性較差，對水泥穩(wěn)定碎石基層材料的抗沖刷性能具有一定的負(fù)面影響。

根據(jù)本研究，再生骨料作為細(xì)骨料摻入路面水泥穩(wěn)定碎石基層中將是一種可持續(xù)的綠色環(huán)保手段，在工程應(yīng)用中再生骨料替代率建議取20%，基于溫縮性能結(jié)果考慮更適用于溫和地區(qū)應(yīng)用。此外，可通過穩(wěn)定劑與配合比設(shè)計進(jìn)一步優(yōu)化再生骨料水泥穩(wěn)定碎石基層材料的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，以期取得更好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。

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收稿日期：2023-04-08