再生集料用于水泥稳定碎石基层中的抗疲劳性能研究

时间：2024-07-06

盛三湘，李城

(1.中交基础设施养护集团有限公司，北京市 100011；2.长沙理工大学公路养护技术国家工程实验室)

随着中国城市化建设如火如荼进行，大量的建筑固体废弃物产生和堆积，侵占了有限的土地资源，同时威胁居民健康。据不完全统计，中国建筑垃圾每年的产量高达18亿t，约占城市垃圾总量的40%。在最近10年中，道路工程所需的天然骨料需求远远超出了中国的可供应能力。到2030年底，中国将建成47 000 km的高速公路和100 000 km的国道。将建筑固体废弃物经过再利用可得到用于水稳基层的再生集料，这一举措将有效缓解环境污染与资源浪费问题。

目前，再生集料在道路工程中的应用主要包括在路面面层、路面基层及底基层和路基填筑等方面。在美国，再生集料应用统计中，修筑路面基层占主要部分，比重高达68%。与天然集料相比，再生集料具有粒形较差、裂纹较多、空隙率较高、堆积密度小等特点。Etxeberria等以再生集料作为主要研究对象，分析了其对水稳再生混合料劈裂抗拉强度的影响。在同样的水泥剂量下，再生混凝土的抗压强度会降低12%～25%；杨可桢通过研究表明：随着再生集料替代率的增加，水泥稳定再生混合料的无侧限抗压强度、间接拉伸强度和抗压回弹模量降低。干缩性能也随着再生骨料含量的增加而下降，而渗透性能随着再生骨料含量的增加而增加。但在一定合适掺量的再生集料下，仍能满足高速公路及一级公路的路面基层要求。

以往大部分研究往往将再生集料看作是一个整体，而再生集料主要由再生混凝土集料以及再生砖集料组成，两者在密度、空隙率、强度性能等方面具有明显差异。随着砖混凝土分离技术逐渐发展、成熟。除螺旋法、涡流分离等方法外，在不久的将来空气夹具、传感器分拣、智能识别等可进一步高效实现砖混凝土分离。这为再生集料的精细化研究以及再生集料在实际工程中的应用打下了坚实的基础。

该文以再生集料为主要研究对象，开展再生集料应用于水泥稳定碎石基层中无侧限抗压强度、弯拉强度、疲劳性能的研究。根据威布尔双参数模型，建立不同再生集料掺量与砖混凝土比例下的疲劳方程。分析水泥剂量、再生集料掺量以及砖混凝土比例对水泥稳定再生混合料力学性能的影响。

1 原材料性能

1.1 原材料和集料级配

水泥为南方PC.42.5级复合硅酸盐水泥，根据规范对道路用水泥质量标准要求，通过JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》试验方法，对水泥性能指标进行检测，结果满足规范要求。

试验用天然集料为石灰岩。根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》试验方法。对建筑固体废弃物再生粗集料的性能指标进行试验分析，结果见表1。

表1 粗集料性能指标检测结果

混合料级配采用JTG F20—2015《公路路面基层施工技术细则》中骨架密实型级配(C-B-3)中值，具体见表2。

表2 集料合成级配范围

1.2 最佳含水率与最大干密度

根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》T0842—2009试验方法进行振动压实试验，确定4%、5%水泥剂量，再生集料掺量为0%、25%、50%、75%，砖混凝土比例为1∶9、2∶8、3∶7，合计20种方案下混合料的最大干密度和最佳含水率，其结果见图1。

2 试验方案

2.1 无侧限抗压强度

根据图1击实试验结果所得到的最佳含水率与最大干密度，采用试验规程中振动成型的试验方法(T0843—2009)成型150 mm×150 mm圆柱形试件，在标准养生条件下养生，然后按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0805—2009试验方法开展7 d无侧限抗压强度试验。

图1 不同水泥剂量下击实试验结果

2.2 弯拉强度、疲劳寿命试验

参照击实试验结果，根据规范中T0844—2009的方法进行梁式试件的成型，此次研究中弯拉试验与疲劳试验均采用中梁试件(100 mm×100 mm×400 mm)。并按照JTG E51—2009中T0845—2009进行标准养生，龄期90 d，最后1 d浸水。按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0851—2009试验方法开展分点加压弯拉强度试验。试验前的准备工作是先将球形支座以及左右两个圆柱体压头涂上机油，使得支座可以灵活地转动。将梁式试件放置在压块上，并注意保持荷载加载的方向使成型时的压力方向一致。荷载加载时保持恒定的加载速率50 mm/min，直到试件破坏，确定在4种不同应力比(0.70、0.75、0.80、0.85)下的疲劳试验荷载。按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0856—2009试验方法开展无机结合料稳定材料疲劳试验，其中采用应力控制加载模式，施加正弦波荷载，加载频率为10 Hz。

3 试验结果及分析

3.1 无侧限抗压强度

通过测定20种方案的水泥稳定再生混合料7 d无侧限抗压强度，其结果见图2。

图2 不同水泥剂量下水泥稳定再生混合料7 d无侧限抗压强度

由图2可知：水泥稳定再生混凝土7 d无侧限抗压强度随着水泥剂量的增大逐渐增大。对于再生集料掺量为25%，砖混凝土比例为1∶9的情况，水泥剂量从4%增至5%时，7 d无侧限抗压强度从3.57 MPa增至4.31 MPa，增加了20.73%。且随着再生集料掺量及砖混凝土比例的增加，7 d无侧限抗压强度增长率逐渐增大。在再生集料掺量为75%，砖混凝土比例为3∶7的情况，其增长率为43.13%。随着再生集料掺量的增加，水泥稳定再生混合料7 d无侧限抗压强度逐渐减小。水泥剂量为4%的情况下，砖混凝土比例为1∶9，再生集料掺量从25%增加到50%，7 d无侧限抗压强度减小7.28%，从50%增加到75%，7 d无侧限抗压强度减小20.54%。再生集料掺量从25%到50%，无论对应哪种砖混凝土比例，7 d无侧限抗压强度变化较为恒定，且变化率维持在7.26%左右，而再生集料掺量从50%到75%时，7 d无侧限抗压强度变化明显，且随着砖混凝土比例的增加，变化率增大。在相同再生集料掺量下，随着砖混凝土比例的增大，7 d无侧限抗压强度逐渐减小。再生集料掺量为50%时，其变化率为3.32%、4.06%；再生集料掺量为75%时，其变化率分别为14.45%、40.67%。由此可见，随着再生集料掺量的增加，砖混凝土比例对于水泥稳定再生混合料的强度性能影响逐渐明显，这是由于再生集料掺量增加，在同样砖混凝土比例的情况下，试件中实际的再生砖集料增多。而由表1中粗集料基本性能试验可以得到，再生砖集料吸水率高，空隙率大，强度也较差，所以在掺量过多时，会使得混合料的强度明显下降。

在JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》中对不同结构层(基层、底基层)，在交通荷载(极重、特重、重、中等、轻)下，不同的公路等级(高级公路、一级公路、二级公路、二级以下公路)中水泥稳定类材料的7 d无侧限抗压强度进行了规定。根据图2无侧限抗压强度试验结果，可以得到在重交通荷载作用下，不同公路等级及结构层所对应的水泥剂量，再生集料掺量以及砖混凝土方案适配方案，见图3。

同时也可以根据当地建筑固体废弃物再生集料的砖混凝土比例情况，以及路面的设计等级因地制宜选择合适的施工方案，同时可以得到在除重交通以外的其他荷载等级所对应的推荐方案，见表3。

图3 重交通荷载作用下不同公路等级及结构层建议方案

3.2 弯拉强度

通过测定不同水泥剂量下水泥稳定再生混合料90 d弯拉强度，结果见表4。

由表4可知：随着水泥剂量的增大，水泥稳定再生混合料的弯拉强度逐渐增大。对于再生集料掺量为25%，砖混凝土比例为1∶9的情况，水泥剂量从4%增至5%时，弯拉强度增加了10.91%；对于再生集料掺量为75%，砖混凝土比例为3∶7的情况，水泥剂量从4%增至5%时，弯拉强度增长率为5.05%。在再生集料掺量低的情况下，水泥剂量对于提高水泥稳定再生混合料的弯拉强度作用显著，水泥剂量从4%增加到5%的过程中，弯拉强度平均增长率为13.43%；而再生集料掺量为50%时，平均增长率为8.52%；再生集料掺量为75%时，平均增长率为7.35%。随着再生集料掺量的增大，水泥稳定再生混合料的弯拉强度先增大后减小。再生集料掺量为25%，砖混凝土比例不高于2∶8时，水泥稳定再生混合料的弯拉强度比水泥稳定天然碎石大。

表3 基于7 d无侧限抗压强度规范值实际路面设计建议方案

表4 水泥稳定再生混合料弯拉强度试验结果

3.3 疲劳寿命

表5为疲劳寿命试验结果。

表5 水泥稳定混合料疲劳寿命试验结果

由表5可知：水泥稳定碎石的疲劳寿命结果体现出比较明显的离散性。从能量的角度来分析，疲劳损伤过程实质上是一种能量耗散的过程。其随机性主要体现在材料结构内部以及外部的随机性。材料内部的随机性会导致材料及结构的弹性模量、断裂韧性、弯拉强度等的不唯一性。从外部因素来看，荷载大小以及加载方式、试件成型及养生条件等都会导致结构或材料疲劳性能的随机性。为了更加直观客观地反映材料的疲劳性能，分析多变量下的疲劳性能变化规律，建立更加准确的疲劳方程，宜采用威布尔分布模型进行数据拟合，得到不同方案下水泥稳定再生混合料疲劳拟合方程，见表6。

表6 不同方案下水泥稳定再生混合料疲劳拟合方程

为了更直观地体现水泥稳定再生混合料与再生集料以及砖混凝土比例的变化规律，可以得到不同再生集料掺量下的疲劳寿命拟合曲线，见图4。

由图4可得：在3种不同再生集料掺量下，随着砖混凝土比例增大，水泥稳定再生混合料的疲劳寿命逐渐减小。这是由于再生砖集料孔隙率大，自身强度缺陷明显等原因，导致水泥稳定再生混合料的疲劳寿命降低。因此在实际项目施工过程中，要严格控制再生砖集料的比例。在砖混凝土比例为1∶9、2∶8、3∶7时，研究再生集料掺量对于水稳再生混合料疲劳性能的影响。随着再生集料掺量的增加，水泥稳定再生混合料的疲劳寿命先增大后减小。在再生集料掺量为25%，砖混凝土比例为1∶9时，对应于4种不同的应力比，水泥稳定再生混合料的疲劳寿命均大于其他掺配方案。也就是说一定量的再生集料有利于提高水泥稳定混合料的弯拉强度。这主要是由于再生集料的表面较天然集料更粗糙，与水泥吸附力大；同时再生集料的孔隙率大，一定的空隙有利于在水化反应过程中的散热，从而在25%再生集料掺量，砖混凝土比例为1∶9时，水泥稳定再生混合料的疲劳寿命最大，同时疲劳寿命随各砖混凝土比例的变化基本一致。而随着再生集料不低于50%时，砖混凝土比例越大，疲劳寿命下降越明显。

图4 不同再生集料掺量下的疲劳寿命拟合曲线