再生集料強(qiáng)化方法和摻量對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響

李強(qiáng) ，溫華夢，李國芬，葉萬濤，商健林

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.機(jī)電產(chǎn)品包裝生物質(zhì)材料國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南京 210037；3.無錫地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，江蘇 無錫 214023；4.江蘇北極星交通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南通 226010)

對損壞的水泥混凝土路面進(jìn)行翻修重建會產(chǎn)生大量廢料，如果直接丟棄會引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題和資源浪費(fèi)。因此，如何有效地實(shí)現(xiàn)廢舊水泥混凝土路面板的再生利用成為目前的研究熱點(diǎn)[1?3]。在各種再生利用方法中，將舊水泥混凝土路面板破碎、軋制加工成再生集料用于半剛性穩(wěn)定基層較為可行，這是由于半剛性基層對集料的要求相對面層要低，通過相對簡單的機(jī)械工藝組合即可實(shí)現(xiàn)，其施工成本也低于使用新集料[4]。未經(jīng)處理的再生集料表面形成一層覆蓋松散水泥漿體顆粒的薄弱層，這就造成其具有密度小、吸水率高以及壓碎值高等缺點(diǎn)[5?6]。為了使再生集料達(dá)到使用要求，可以采用一些物理強(qiáng)化(機(jī)械研磨、超聲波清洗等)和化學(xué)強(qiáng)化(硅粉、酸溶液、水玻璃、硅烷偶聯(lián)劑、有機(jī)硅樹脂等活化處理)手段來去除表面水泥漿或改善銑刨料表面特性[7?10]。然而，目前針對不同強(qiáng)化方法的研究主要集中于其對再生集料工程特性的影響及在水泥混凝土中的應(yīng)用效果，鮮有報(bào)道涉及其在道路半剛性基層材料中的應(yīng)用。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)對摻加水泥混凝土路面板再生集料的水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)度和干溫縮性能進(jìn)行研究，評價(jià)再生集料強(qiáng)化方法和摻量對其性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

采用反擊式破碎工藝對廢舊水泥混凝土路面板進(jìn)行破碎處理，篩分后獲取粒徑為4.75～31.5 mm 的再生粗集料。另選用P.C 42.5 復(fù)合硅酸鹽水泥和滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)性能要求的天然粗、細(xì)集料進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)。為了避免因巖性不同引起的性能差異，與廢舊水泥混凝土路面板選用的集料類型一致，天然粗、細(xì)集料也采用石灰?guī)r。

1.2 再生集料強(qiáng)化方法

分別采用物理磨耗、鹽酸浸泡和有機(jī)硅樹脂噴涂3種方法對再生集料進(jìn)行強(qiáng)化處理。物理磨耗法參照洛杉磯磨耗試驗(yàn)，其最優(yōu)磨耗試驗(yàn)條件為采用8 個(gè)鋼球和轉(zhuǎn)動300 圈[11]。鹽酸浸泡法的步驟為先將再生集料在0.1 mol/L 的鹽酸溶液中浸沒24 h，然后用蒸餾水沖洗再生集料以去除表面酸性溶液，再將沖洗后的再生集料在蒸餾水中浸泡24 h，最后通過烘箱干燥得到強(qiáng)化集料。在有機(jī)硅樹脂噴涂法中，采用的有機(jī)硅樹脂溶液常溫下為淡黃色透明液體，pH 值為6～7，200 ℃凝膠時(shí)間為10～120 min。先將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的有機(jī)硅樹脂溶液均勻地噴灑在再生集料表面，拌和30 s后在常溫下養(yǎng)護(hù)24 h，最后同樣通過烘箱干燥得到強(qiáng)化集料[11]。通過掃描電子顯微鏡(SEM)對再生集料強(qiáng)化后的微觀形貌進(jìn)行掃描，如圖1所示。強(qiáng)化前后的再生集料及天然集料的工程特性如表1所示。

表1 不同集料物理性能指標(biāo)Table 1 Physical properties of different aggregates

圖1 再生集料強(qiáng)化后SEM圖像Fig.1 SEM images of recycled aggregate after strengthening

1.3 配合比設(shè)計(jì)

采用一定質(zhì)量比例的再生粗集料替代天然粗集料進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石級配設(shè)計(jì)，再生集料摻量分別為0%，30%，60%和100%。其中在60%摻量下分別采用基于不同強(qiáng)化方法處理后獲取的再生集料。根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)推薦的級配范圍進(jìn)行組成設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。通過重型擊實(shí)試驗(yàn)確定不同類型混合料的最大干密度和最佳含水量，如表3 所示。對于不同類型混合料統(tǒng)一采用5%的水泥摻量。

表2 水泥穩(wěn)定碎石級配組成Table 2 Aggregate gradation of cement stabilized macadam

表3 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Compaction test results

1.4 性能試驗(yàn)方法

分別采用7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、7 d劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、7 d 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)和溫縮試驗(yàn)來評價(jià)水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)強(qiáng)度、干縮性能和溫縮性能。將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20±2 ℃、相對濕度≥95%)內(nèi)養(yǎng)護(hù)6 d，最后1 d 將試件浸泡于水中[12?13]。養(yǎng)生結(jié)束后進(jìn)行7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)。其中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)采用直徑150 mm×高度150 mm 的圓柱體試件，彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用長度400 mm×寬度100 mm×高度100 mm 的小梁試件，加載速率均為50 mm/min。進(jìn)行干縮試驗(yàn)時(shí)，在試件兩側(cè)粘貼應(yīng)變片，并將應(yīng)變片與靜態(tài)電阻應(yīng)變儀連接。用空調(diào)控制室內(nèi)溫度為(20±1) ℃，監(jiān)測試件含水率隨時(shí)間的變化。當(dāng)試件的含水量不再變化時(shí)(25 d)，結(jié)束試驗(yàn)。進(jìn)行溫縮試驗(yàn)時(shí)，將試件放入高低溫交變試驗(yàn)箱中。設(shè)定高低溫交變試驗(yàn)箱控溫程序?yàn)?0 ℃降低到?20 ℃，溫度差為10 ℃，降溫速率0.5 ℃/min，保溫3 h，計(jì)算機(jī)自動記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。干縮和溫縮試驗(yàn)均采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d 后的長度100 mm×寬度100 mm×高度400 mm的小梁試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 擊實(shí)特性

由表3可知，在相同的水泥摻量下，隨著未強(qiáng)化再生集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度線性減小，最佳含水量線性增大。這是由于再生粗集料表面裹附著硬化的舊水泥砂漿，存在大量的微孔隙和裂縫，如圖1所示。與天然粗集料相比，其具有更大的吸水率和更小的表觀密度，如表1所示。在相同再生集料摻量下，經(jīng)過物理磨耗、鹽酸浸泡和有機(jī)硅樹脂噴涂3種方法進(jìn)行強(qiáng)化處理后，水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度分別增大0.010，0.021 和0.026 g/cm3，最佳含水量分別減少0.7%，1.0%和1.3%。這說明強(qiáng)化處理可以有效地減小再生集料吸水率，提高其表觀密度。然而，摻加再生集料制備的水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度仍明顯低于全部使用天然粗集料的情況。

2.2 力學(xué)強(qiáng)度

7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。在強(qiáng)度試驗(yàn)中，試件破壞基本都發(fā)生在集料和水泥砂漿界面，僅有少量的集料被壓碎。水泥穩(wěn)定碎石各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度均隨著再生集料摻量的增加而不斷增大。再生集料摻量從0%提高到100%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度代表值分別提高46%，38%和33%。根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)，全部使用天然粗集料制備的水泥穩(wěn)定碎石7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅能達(dá)到重交通條件下高等級公路基層要求(4～6 MPa)；而摻加再生集料后，其能達(dá)到極重和特重交通條件要求(5～7 MPa)。其原因是一方面再生集料表面存在部分松散而薄弱的舊水泥砂漿，削弱了再生集料與新水泥砂漿的接觸界面強(qiáng)度，從而對水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度不利。另一方面，再生集料表面還裹附部分未水化的舊水泥砂漿，還具備一定活性物質(zhì)，其遇水進(jìn)一步水化會形成一定的強(qiáng)度；再生集料表面更加粗糙，也可以提高集料間的嵌擠力；再生集料表面存在的大量孔隙也可為新水泥砂漿滲入提供通道，如圖1所示。上述因素均有利于提高水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度[3?4]。因此，再生集料摻量對水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響規(guī)律較為復(fù)雜，當(dāng)有利因素作用超過不利因素作用時(shí)，就產(chǎn)生了水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)度隨再生集料摻量的增加而增大的現(xiàn)象。但是，隨著再生集料摻量的增加，各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度的變異系數(shù)也逐漸增大。這說明再生集料均質(zhì)性較差，薄弱位置分布不均勻。

表4 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Strength test results

在再生集料摻量60%條件下，采用物理磨耗強(qiáng)化后水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度分別提高9.6%，8.7%和9.0%；采用鹽酸浸泡強(qiáng)化后則分別提高了6.2%，4.3%和4.5%。這說明摻加經(jīng)過物理磨耗和鹽酸浸泡強(qiáng)化處理后的再生集料可以一定程度上提高水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)強(qiáng)度，其中物理磨耗方法更為有效。這是由于這2種強(qiáng)化方法均可以清除再生集料表面裹附的松散而薄弱的舊水泥砂漿，改善其與新水泥砂漿的接觸界面條件，同時(shí)還保留了部分未完全水化的舊水泥砂漿。采用物理磨耗方法還可以進(jìn)一步提高集料表面的粗糙度。相反地，采用有機(jī)硅樹脂噴涂強(qiáng)化后，雖然再生集料的吸水率和壓碎值均明顯下降，但是水泥穩(wěn)定碎石各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度沒有提高，反而略為下降1.5%～2.2%。其主要是因?yàn)橛袡C(jī)硅樹脂通過薄膜覆蓋的方式來黏附再生集料表面裹附的舊水泥砂漿，從而降低其壓碎值，但是同時(shí)也會使其表面變得更加光滑，不利于集料間形成有效的嵌擠和握裹作用，如圖1所示。這就意味著再生集料壓碎值與再生混合料力學(xué)強(qiáng)度并不一定具有很好的相關(guān)性，不能僅僅通過壓碎值指標(biāo)來衡量再生集料的工程技術(shù)特性，必須結(jié)合混合料力學(xué)性能來綜合評價(jià)。

2.3 干縮性能

干縮試驗(yàn)結(jié)果如圖2～4 所示。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，水泥穩(wěn)定碎石的失水率和干縮系數(shù)不斷增大。前4 d 失水速度和干縮系數(shù)增長較快，隨后逐漸減緩并趨于平穩(wěn)。因此，再生集料水泥穩(wěn)定碎石基層施工后需要確保保濕養(yǎng)護(hù)條件，尤其是在前期。隨著再生集料摻量的增加，失水率和干縮系數(shù)線性增大。當(dāng)再生集料摻量從0%提高到100%時(shí)，最終失水量增加了0.9%，平均干縮系數(shù)提高了44%。其原因主要是再生集料表面存在較多孔隙，吸水率高，水分散失快。這說明雖然摻加再生集料有利于改善水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能，但是對其干縮性能較為不利，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以綜合考慮。

圖2 失水率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律Fig.2 Variation of water loss rate with curing time

采用物理磨耗、鹽酸浸泡和有機(jī)硅樹脂噴涂進(jìn)行再生集料強(qiáng)化處理后，水泥穩(wěn)定碎石最終失水量分別減少了0.1%，0.2%和0.4%，平均干縮系數(shù)分別減少了3%，8%和15%。這是由于采用物理磨耗和鹽酸浸泡處理可以清除再生粗集料表面部分舊水泥砂漿，減小其吸水率和拌和最佳用水量，因此改善其干縮性能；然而與天然粗集料相比仍具備較大的吸水率和干縮變形。而采用憎水性的有機(jī)硅樹脂噴涂處理可以填充再生集料表面孔隙，封閉水分進(jìn)入集料內(nèi)部的通道，改善其抗?jié)B透性，減小集料吸水率和水泥穩(wěn)定碎石拌和用水量，從而實(shí)現(xiàn)其干縮性能的提升。摻加有機(jī)硅樹脂噴涂強(qiáng)化后的再生集料制備的水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能接近全部使用天然集料制備的情況。

圖3 干縮系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律Fig.3 Variation of dry shrinkage coefficient with curing time

2.4 溫縮性能

溫縮試驗(yàn)結(jié)果如圖4～5 所示。當(dāng)溫度高于0 ℃時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)隨著溫度的升高而顯著增大；當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，溫縮系數(shù)隨著溫度的降低而略有增大，這主要是由于集料中的水分發(fā)生凍脹而引起。在0～10 ℃范圍內(nèi)時(shí)，溫縮系數(shù)達(dá)到最小值。與干縮試驗(yàn)結(jié)果類似，溫縮系數(shù)隨再生集料摻量的增加而線性增大。當(dāng)再生集料摻量從0%提高到100%時(shí)，平均溫縮系數(shù)提高了42%。采用物理磨耗、鹽酸浸泡和有機(jī)硅樹脂噴涂進(jìn)行再生集料強(qiáng)化處理后，平均干縮系數(shù)分別減少了4%，6%和11%。綜合力學(xué)強(qiáng)度和收縮性能試驗(yàn)結(jié)果，推薦針對不同的性能要求來選擇適宜的再生集料進(jìn)行強(qiáng)化方法。對水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度要求較高時(shí)，宜選用物理磨耗或鹽酸浸泡方式進(jìn)行處理；對水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能要求較高時(shí)，宜選用有機(jī)硅樹脂噴涂方式進(jìn)行處理。

圖4 平均干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)Fig.4 Average dry and temperature shrinkage coefficient

圖5 溫縮系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律Fig.5 Variation of temperature shrinkage coefficient with temperature

2.5 方差分析

采用SPSS 軟件在95%置信水平下對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行雙因素方差分析，對比不同因素對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響顯著性，結(jié)果如表5所示。統(tǒng)計(jì)分析表明再生集料摻量對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)度和收縮性能均有顯著的影響；而強(qiáng)化方法僅對其收縮性能影響顯著。

表5 方差分析結(jié)果Table 5 Analysis of variance results

3 結(jié)論

1) 隨著再生集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石的各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)、干縮和溫縮系數(shù)及其變異系數(shù)均不斷增大。摻加再生集料可以顯著改善水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能，使其在高等級公路基層中的適用范圍從重交通提升到極重和特重交通等級；然而對其收縮性能和材質(zhì)均勻性會帶來不利的影響。

2) 采用物理磨耗和鹽酸浸泡進(jìn)行強(qiáng)化處理可以清除再生集料表面裹附的部分舊水泥砂漿，從而可以在一定程度上提高水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)強(qiáng)度和收縮性能；但是其收縮性能仍差于全部使用天然集料的情況。

3) 采用有機(jī)硅樹脂噴涂進(jìn)行強(qiáng)化處理會使再生集料表面變得光滑，不利于集料間形成有效的嵌擠和握裹作用，因此無法提高水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)強(qiáng)度；但是再生集料表面形成的憎水性有機(jī)硅樹脂薄膜可以填充其孔隙，從而改善其收縮性能，使其接近全部使用天然集料制備的情況。

4) 再生集料壓碎值與水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)度之間并不一定具有很好的相關(guān)性，需要結(jié)合集料壓碎值指標(biāo)和混合料力學(xué)性能指標(biāo)來綜合評價(jià)再生集料的工程技術(shù)特性。