南方水泥 大同PC白色硅酸盐水泥 红狮水泥厂海螺水泥

南方水泥 大同PC白色硅酸盐水泥 红狮水泥厂海螺水泥

 

Journal of Yangtze River Scientific Research Institute

 

doi:10.11988/ckyyb.20181089

 

水泥稳定再生骨料路面基层抗拉性能试验研究

 

 

摘    要：作为路面基层，水泥稳定骨料基层往往会受到白天和夜晚的温差影响，使材料内部产生胀缩应力，而作 为路面的主要承重层，在受力不均匀情况下，基层混合料也会相当于受到一个外部剪切应力，因此，劈拉性能是 其重要性能。通过水泥稳定碎石和水泥稳定再生骨料的劈拉及劈拉回弹试验，研究发现强度和回弹模量都随龄期 呈幂指数增长。进一步对比分析发现水泥稳定再生骨料的劈拉性能要略逊于水泥稳定碎石，但通过适当提高水泥 掺量可以弥补这一差距。后，通过强度和模量之间的数值拟合可知其存在良好的线性关系。 关键词：水泥稳定再生骨料；碎石；龄期；强度；回弹模量 中图分类号： U414                       文献标志码： A

 

Tensile Performance Test on Cement Stabilized Recycled Aggregate

 

base Mixture

 

CHEN Feng 1,2 , TONG Sheng-hao 2

 

(1. College of Engineering, Fujian Jiangxia University, Fuzhou 350108, China; 2. College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China)

 

Abstract: As the base of pavement, cement stabilized aggregate base mixture is affected by the different temperature of day and night, meanwhile swell-shrink stress is induced in the internal material. cement stabilized aggregate base mixture act as the main load-bearing pavement layer, it will is subjected to an external shear stress when it is in non-uniform stress. Therefore, the splitting property is one of the most important performance. Splitting tensile test and splitting tensile test were carried on for cement stabilized macadam and cement stabilized recycled aggregate respectively, and it is found that the strength and modulus of elasticity increase exponentially with age. In a considerable degree, it reflects that the splitting performance of cement stabilized recycled aggregate is slightly lower than the cement stabilized gravel, but the amount of cement can fill the gap. Finally, a good linear relationship between the strength and the modulus is found by the numerical fitting between the strength and the modulus. Key words: cement stabilized recycled aggregate; macadam; age; strength; modulus of elasticity

 

1 研 究背景

 

近年来，再生骨料的应用研究领域已逐渐拓展

 

到公路工程中。 Sobhan K [1-4] 等通过室内试验研究了

 

水泥粉煤灰稳定再生骨料基层在重复挠曲荷载作用

 

下的弹性模量和疲劳累积损伤特性； Arulrajah A [5] 和 Behiry E M [6] 等对比 RCA 的性能与道路管理部门

 

的要求，并通过试验探讨了再生骨料作为基层材料

 

的适用性； Park T [7] 和 Chi S P [8] 等利用 15MPa 到

 

75MPa 的废弃混凝土，通过基层混合料的三轴试验

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2                                         长江科学院院报

 

研究，得出再生骨料中软弱颗粒含量和针片状颗粒 含量会显著影响混合料的回弹模量，但只要生产出 的再生骨料可以满足质量标准，那么再生骨料的性

 

能并不会逊色于用作基层材料的天然骨料；张超等 [9-10] 和 唐 娴 [11] 测 定 了 废 弃 混 凝 土 作 为 再 生 骨 料 的 路 用

 

性能指标并对水泥稳定再生骨料的早期无侧限抗压 强度等的研究和分析，结果表明，再生骨料及其无 机结合稳定骨料性能都能满足规范的要求，但应注

 

成比例设计成 4 ： 3 ： 3 时可以满足该规范要求的连 续级配，骨料的基本物理力学性能如表 2 所示。为

 

了限度地模拟现场压实方式，本次试验选用振 动 击 实 试 验 确 定 混 合 料 的佳 含 水 量 和 大 干 密 度，并通过振动成型方式制作试件，混合料的击实 试验结果如表 3 所示。

 

表 2 骨料物理力学性能

 

Table 2   Aggregate physical and mechanical properties

 

意对水泥稳定类材料的需水量进行修正；此外，温

 

胜 强 [12] 与 扈 惠 敏 [13] 等 对 再 生 骨 料 的 物 理 力 学 性 能

 

骨料类别

 

表观密度

 

3

 

压碎值

 

（ % ）

 

洛杉矶磨耗

 

值（ % ）

 

针片状颗粒

 

含量（ % ）

 

和水泥稳定再生骨料混合料的基本力学性能进行了 试验研究，研究结果表明，采用再生骨料的水泥稳 定碎石材料可用作高等级公路半刚性基层；作为路 面基层，水泥稳定骨料基层混合料往往会受到白天 和夜晚的温差影响，使材料内部产生胀缩应力，而

 

天然骨料         2.69         8.07         18.65          11.99 再生骨料         2.61        18.27        27.35           8.98 规范值         ≥2 .5         ≤2 5          ≤3 2           ≤1 5

 

表 3 混合料振动击实试验结果

 

Table 3   Mixture vibration compaction test results

 

作为路面的主要承重层，在受力不均匀情况下，基 层混合料也会相当于受到一个外部剪切应力，因此，

 

混合料类型      水泥剂量

南方水泥 大同PC白色硅酸盐水泥 红狮水泥厂海螺水泥

（ % ）

 

含水量  ovt

 

（ % ）

 

干密度  max

 

（ g/cm 3 ）

 

基层混合料除了具备一定的抗压强度外还应具备一 定的抗拉强度。本文在前人研究的基础上，进行了 基层混合料劈裂抗拉以及劈裂回弹试验，对水泥稳 定再生骨料基层进行了研究。

 

2 基层混合料试验

 

水泥稳定碎石

 

水泥稳定再生

 

骨料

 

4            6.75               2.14 5            7.32               2.19 6             7.6               2.16 4            8.54               1.96 5            9.42               2.00 6            9.79               2.03

 

[14-16]

 

采用的水泥掺量为 4% 、 5% 、 6% ，进而进行再生骨 料掺量为 0% 和 100% 的基层混合料试验对比研究， 试验配比如表 1 所示。试验采用 Ф150mm×150mm

 

的圆柱体试件，水泥采用福建水泥股份有限公司炼 石水泥厂生产的 42.5 普通硅酸盐水泥。

 

表 1 混合料配 比类型

 

Table 1 Types of aggregate mixture proportion

 

路面基层是整个道路结构中的承重层，其必须 具有一定的抗压强度来抵抗行车荷载，因此，基层 混合料性能设计的初始指标就是无侧限抗压强度， 只有具备一定的强度，基层才能抵抗行车荷载的作 用，才能对其他性能提出要求。因此， 《 公路路面基 层施工技术细则》 （ JTGT-F20-2015 ）要求 7d 无侧限

 

抗压强度是混合料材料设计的重要指标，试验结果 如表 4 所示。

 

试验

 

编号

 

水泥：骨料（再生骨料掺量）              说明

 

表 4 混合料 7d 无侧限抗压强度试验

 

Table 4   Mixture 7d unconfined compressive strength test

 

0-4             4:100 （ 0 ）           4% 水泥量、 100% 天然骨料

 

试验编号       0-4      0-5      0-6      100-4      100-5      100-6

 

0-5             5:100 （ 0 ）           5% 水泥量、 100% 天然骨料 0-6             6:100 （ 0 ）           6% 水泥量、 100% 天然骨料

 

强度平均值

 

（ MPa ）      2.42

 

3.89     4.96     2.75       3.21       3.91

 

100-4           4:100 （ 100 ）          4% 水泥量、 100% 再生骨料 100-5           5:100 （ 100 ）          5% 水泥量、 100% 再生骨料 100-6           6:100 （ 100 ）          6% 水泥量、 100% 再生骨料

 

注：试件编号 0-4 中， 0 — 水泥稳定碎石 ,4 — 水泥剂量； 100-4 中， 100 — 水泥稳定再生骨料； 4 — 水泥剂量；其余编号规则同上。

 

破碎后的骨料很难符合国家规范《公路水泥混 凝土路面施工技术细则》 （ JTG/T F30-2014 ）规定的

 

级配要求，因此通过分析及计算确定 10~30mm 、 5~10mm 、 0~5mm 这三档骨料之间的合

 

规范要求

 

（ MPa ）                        3.0~5.0MPa

 

注：试件编号 0-4 中， 0 — 水泥稳定碎石 ,4 — 水泥剂量； 100-4 中， 100 — 水泥稳定再生骨料； 4 — 水泥剂量；其余编号规则同上。

 

目前，用于衡量材料抗拉强度和刚度的重要性 能指标就是劈裂强度和劈裂回弹模量，因此两者也 是路面结构设计的主要指标。根据《公路工程无机 结合料稳定材料试验规程》 （ JTG E51-2009 ）要求所 得试验结果如表 5 、表 6 所示。

 

（ g/cm ）

 

根据规范 要求，结合实际情况，本次试验

 

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陈    峰 等 水泥稳定再生骨料路面基层抗拉性能试验研究                              3

 

表 5 混合料劈 裂抗拉 回弹试 验结 果

 

Table 5   Mixture splitting tensile and springback test result

 

所示。

 

从图 1 、图 2 可以看出劈裂强度都随着水泥剂

 

试验编号

 

E i / MPa

 

7d             28d             90d

 

量和龄期的增长而增长，而在相同水泥掺量条件下， 水 泥 稳 定 再 生 骨 料 的 劈 拉强 度 要 低 于 水 泥 稳 定 碎

 

0-5            1849.96          2019.08          2241.68 100-5           1637.96          1928.32          2111.9

 

表 6 混合料劈 裂抗拉 试验结 果

 

Table 6   Mixture splitting tensile test results

 

石。这主要原因在于，再生骨料表面包裹着大量旧 水泥石，而再生骨料在生产运输过程中受到各种能 量作用，旧水泥石和原始骨料的过渡区界面会出现 裂纹等不利因素，进而使得混合料存在薄弱界面， 在外力作用下，这些界面会产生应力集中，进而优 先产生破坏，从而拉低了混合料的整体强度；当提

 

试验编号

 

R i / MPa

 

高水泥掺量时，新的水泥浆体会掺入到这些裂纹中，

 

7d            28d            90d

 

0-4              0.234          0.381          0.474 0-5              0.312          0.469           0.6 0-6               0.39           0.588          0.726 100-4              0.24           0.31           0.421 100-5             0.288          0.451          0.554 100-6             0.353          0.556          0.668

 

3 试验结果分析

 

再生骨料的组成主要包含骨料 - 砂浆结合体、原

 

天然骨料以及纯硬化水泥砂浆等三种形态。从外部 影响因素看，再生骨料与天然骨料之间的大区别 在于再生骨料表面粘附着大量的硬化水泥砂浆，从 而造成了再生骨料表面更粗糙、棱角更多；从内部 影响因素看，再生骨料在生产与运输的过程中受到 各种能量的作用，使再生骨料内部出现累积损伤并 萌生微裂纹，这种骨料内部缺陷也是再生骨料与天 然骨料的重大区别。由表 2 所示的骨料物理力学性

 

能试验值可知，尽管再生骨料的性能略逊一筹，但

 

都在规范 [15] 要求范围之内。 3.1 劈裂强度试验分析

 

基层混合料的劈拉强度主要体现在两方面，一 是通过水泥水化产物包裹着细骨料形成水泥砂浆分

 

从而提高界面过渡区抗拉强度，因此会出现 5% 水 泥掺量的水泥稳定再生骨料强度超过 4% 水泥掺量 的水泥稳定碎石， 6% 水泥掺量的水泥稳定再生骨料 强度大于 5% 水泥掺量的水泥稳定碎石。这说明尽

 

管在同等条件下水泥稳定再生骨料的劈裂性能略低 于水泥稳定碎石，但适当提高水泥掺量可以弥补这 一差距。

 

图 1 水泥剂量与强度的关系

 

Fig.1 Relationship between cement dosage and strength

 

表 7 混合料龄期与劈拉强度的数值拟合结果

 

Table 7 Mixture age and the splitting tensile numerical

 

fitting results

 

布在粗骨料之间，从而把粗骨料连接成密实的整体， 进而形成整体强度；二是水泥石与骨料交界面过渡 区，骨料与水泥石通过咬合和粘结从而提高界面过

 

y  ax b

 

a           b

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R 2

 

渡区的抗拉强度。根据表 6 所示的基层混合料劈裂

 

抗拉强度数据，以水泥掺量为自变量，绘制水泥掺 量与基层混合料劈裂强度的关系曲线，如图 1 所示，

 

以便更清晰地反映水泥掺量和再生骨料对基层混合

 

料劈裂强度的影响。参考相关专家学者 [10-13] 关于强

 

度随龄期增长规律的理论，本次试验采用幂指数拟 合，拟合结果如表 7 所示。相应的拟合曲线如图 2

 

0-4              0.1507           0.2590          0.94 0-5              0.1986           0.2480          0.98 0-6              0.2586           0.2328          0.96 100-4             0.1504           0.2265          0.98 100-5             0.1900           0.2419          0.94 100-6             0.2385           0.2338          0.92

 

试验编号                  幂指数拟合

 

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4                                         长江科学院院报

 

料的强度比水泥稳定碎石混合料分别下降 11.2% 、 7.7% 、 8% ； 28d 龄期时，强度分别下降 18.3% 、 3.8% 、 5.4% ； 7d 龄期时，强度分别下降 -2.5% 、 7.6% 、 9.5% 。

 

由此可以看出，水泥稳定再生骨料与水泥稳定碎石 两种混合料的劈裂抗拉强度在水泥掺量为 5% 时为接近。因此，本文选用 5% 的水泥掺量，进一步

 

研究龄期对水泥稳定集料基层混合料劈裂回弹模量 性能的影响。

 

根据表 5 所示混合料劈裂回弹模量试验数据，

 

混合料劈拉模量也是随着龄期的增长呈现出前期增

 

（ a ）

 

长快后期增长缓慢的趋势，与劈拉强度增长规律相

 

似，参考相关学者 [7-11] 关于模量随龄期增长规律的

 

理论研究，本文对回弹模量与龄期进行幂指数拟合， 拟合式为：

 

水泥稳定碎石：               y  1 5 8 6 x . 0 7 . 0 8

 

水泥稳定再生骨料： y  1366.35 x 0.10

 

R 2  0.98

 

R 2  0.97

 

（ b ）

 

图 2 龄期与强度关系曲线 Fig.2 Age and intensity curve

 

从 图 2 的 拟 合 曲 线 可 以看出 ， 混 合 料 强 度 前期

 

（ 7d — 28d ）增长速度较快，后期随着龄期的增长，

 

其强度增长速度会逐渐下降。通过对拟合公式 y=ax b

 

的变形推到可得：

 

y (28) a  28 b b

 

  4 （ 1 ）

 

y (7) a  7 b

 

相应的拟合曲线如图 3 所示。从图 3 中可以看

 

出，基层混合料劈拉模量随龄期增长的幂指数拟合 曲线的拟合效果良好，进而联系到混合料劈拉强度 随龄期的增长规律，可推断出强度和模量之间存在 着线性关系。

 

y (28)  a  28 b

 

（ 2 ）

 

进而可以求出拟合公式的系数 b 和 a ，如公式

 

（ 3 ）和公式（ 4 ）所示：

 

lg y (28)  lg y (7)

 

b                     （ 3 ）

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lg 4

 

y (28)

 

a                     （ 4 ）

 

28 b

 

因此，我们只要知道混合料的早期（ 7d 、 28d ） 强度就可以计算出拟合系数 b 和 a ，进而估算出混

 

合料的后期强度，为工程项目的设计、施工及检测 等提供参考。

 

3.2 强度和刚度关系

 

从表 6 中劈裂抗拉强度可得，在 4% 、 5% 、 6% 水泥掺量下， 90d 龄期时，水泥稳定再生骨料混合

 

图 3 龄期与劈裂回弹模量关系曲线

 

Fig.3 Relationship between age and splitting resilience

 

modulus

 

根据表 5 和表 6 所示试验数据，对混合料的强

 

度和模量进行拟合，可得强度与模量的拟合关系， 其拟合式为：

 

水泥稳定碎石： y  1415.051  1350.881 x

 

R ²  0.966

 

水泥稳定再生骨料： y  1128.81  1781.695 x

 

R ²  0.99

 

相应的拟合曲线如图 4 所示。从图 4 中可以发

 

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陈    峰 等 水泥稳定再生骨料路面基层抗拉性能试验研究                              5

 

现，强度和模量之间确实存在着良好的线性关系。 在实际工程项目中，混合料的回弹模量测试步骤繁 琐、操作不便，相对于强度试验其试验误差较大， 而通过强度来预估混合料的回弹模量可以解决这些 问题，从而有益于工程项目的建设。

 

（ a ）

 

（ b ）

 

图 4 强度与模量拟合曲线

 

Fig.4   Intensity and modulus fitting curve

 

4 结   论

 

本文为了研究水泥稳定再生骨料基层的抗拉和 抗拉变形，使再生骨料更好的应用于公路工程中， 进行了劈裂抗拉强度和劈裂回弹模量实验。经过实 验分析得到了以下结论：

 

（ 1 ）在同等条件下水泥稳定再生骨料的劈裂性

 

能略低于水泥稳定碎石，但适当提高水泥掺量可以 弥补这一差距。

 

（ 2 ）混合料的强度、模量随龄期的增长呈现出

 

前期（ 7d 、 28d ）增长速度快后期增长缓慢的规律，

 

其幂指数拟合效果极佳。通过幂指数拟合，我们只 要知道混合料的早期（ 7d 、 28d ）强度就可以计算出 拟合系数 b 和 a ，进而估算出混合料的后期强度，

 

为工程项目的设计、施工及检测等提供参考。

 

（ 3 ）混合料的强度和模量之间存在着良好的线

 

性关系，因而可以通过强度来预估混合料的回弹模 量，进而解决混合料回弹模量测试不便、误差大的 问题，从而有益于工程项目的建设。