水泥稳定碎石铣刨粗集料路用性能评价

高磊，贾致荣，袁中玉，王立志，付鲁鑫

(1.山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；2.山东理工大学 建筑工程学院)

水泥稳定碎石基层具有良好的整体性、足够的力学强度、抗水性和耐冻性，被广泛应用在道路建设中，是半刚性基层的主要应用形式。随着中国公路事业的不断发展，每年都将会有大量公路需要整修，部分道路需要将结构层全部挖除，从而产生大量的废料。如一条15 m宽、水泥稳定碎石基层厚度为50 cm的道路，1 km需要挖除的旧水泥稳定碎石约7 500 m3，几十公里的道路挖除量就是几十万立方米，数量十分巨大。水泥稳定碎石铣刨料的研究对降低废料对环境的污染，减少对天然集料的开采具有重要意义。

目前对再生集料的研究对象主要是混凝土再生集料，对水泥稳定碎石铣刨料的研究相对较少。水泥稳定碎石水泥含量少，水泥砂浆强度低，对再生集料的力学性质和物理性质产生较大影响，水泥稳定碎石铣刨料由铣刨机铣刨产生，经过筛分可得到铣刨粗集料和铣刨细集料，其外观与级配也不同于混凝土再生集料。铣刨粗细集料可用作路基填料、修筑便道等，但利用附加值较低。水泥稳定碎石再生集料能否重新利用在新建道路底基层，如何更好地评价和利用水泥稳定碎石再生集料，具有重要意义。由于铣刨粗集料占比更大，铣刨料的路用性能评价先从再生粗集料展开。

1 试验原材料

试验所用的再生粗集料为山东省省道S102(K60+525～K62+400)道路改造铣刨得到的废旧水泥稳定碎石，经筛分后得到粒径大于4.75 mm的粗集料。如图1所示。

图1 筛分得到的铣刨粗集料

由图1可以看出：大部分铣刨粗集料表面附有硬化砂浆，由于水泥稳定碎石水泥用量低，造成附着砂浆强度低，在再生利用过程中会形成薄弱面，对再生利用不利。少部分集料有新的断裂面，使再生集料表面更加粗糙，增大了集料间的摩擦力，集料表面的附着砂浆也会增大集料表面的粗糙程度，增大集料间的摩擦力。

从集料形状上看，铣刨粗集料扁平状和条形针状颗粒含量偏多，在受外力作用时，扁平状和条形针状颗粒薄弱点易断裂，对力学性能产生负面影响。从集料的组成可以看出，小粒径集料大部分为附着有砂浆的原生集料，随集料粒径增加，细集料和小粒径粗骨料黏结而成颗粒含量增加，粒径大于31.5 mm的集料，大部分为细集料和小粒径粗骨料黏结而成，强度低，对再生利用的负面影响大。

2 水泥稳定碎石铣刨粗集料吸水率

再生集料的吸水率直接影响再生水泥稳定碎石的最佳含水率，是衡量再生集料性质的重要指标。参照文献[7]中粗集料密度及吸水率试验(网篮法)进行试验，测试再生集料吸水率，试验结果如表1、2所示。

表1 水泥稳定碎石铣刨粗集料吸水率

表2 混凝土再生集料与天然集料吸水率

由表1可看出：铣刨粗集料的吸水率随粒径的增大先减小后增大，这是由于随着粒径的增大，比表面积减小，吸水率减小。之后吸水率增大，是因为较小粒径粗集料颗粒主要是附着砂浆的原生集料，砂浆块少，随着粒径的增大，由细集料和小粒径粗骨料黏结而成，颗粒含量增加，造成了吸水率的增大。

由表2可知：① 水泥稳定碎石铣刨粗集料的吸水率高于天然集料的吸水率，这是因为再生集料中包含的硬化砂浆孔隙多，吸水率大，而且在铣刨过程中，再生集料会产生大量的微裂缝，增大了吸水率，对比表1、2中混凝土再生粗集料，水泥稳定碎石铣刨粗集料的吸水率小于混凝土再生粗集料的吸水率，这是由于水泥稳定碎石水泥含量低，水泥砂浆少，使得水泥稳定碎石铣刨粗集料吸水率较小。

3 水泥稳定碎石铣刨粗集料表观密度

再生集料的表观密度直接影响再生水泥稳定碎石的最大干密度，参照文献[7]中粗集料密度及吸水率试验(网篮法)进行试验，测试再生粗集料的表观密度，试验结果如表3、4所示。

表3 水泥稳定碎石铣刨粗集料的表观密度

表4 混凝土再生集料与天然集料表观密度

由表3可知：水稳铣刨粗集料的表观密度随粒径的增加而减小，这是由于随着粒径的增加，硬化砂浆含量增加，硬化砂浆质地疏松，表观密度小，造成了集料表观密度减小。对比表4中天然集料和混凝土再生集料可知：水稳铣刨粗集料的表观密度未出现大幅度衰减，对再生水泥稳定碎石不会产生太大的负面影响。

4 水泥稳定碎石铣刨粗集料压碎值

压碎值是用来衡量再生集料的力学性质，对再生水泥稳定碎石的力学性能有直接影响。根据现行规范中粗集料压碎值试验测量再生粗集料的压碎值，试验结果如表5所示。

由表5可知：① 水泥稳定碎石铣刨粗集料的压碎值大于天然集料，这是由于水泥稳定碎石铣刨粗集料中所含的水泥砂浆是软弱材料，在外力作用下易破碎和脱落，而且在铣刨过程中会产生内部微裂缝，也会增大压碎值；② 水泥稳定碎石铣刨粗集料的压碎值大于混凝土再生集料，这是由于水泥稳定碎石水泥含量低，水泥砂浆强度小于混凝土中水泥砂浆强度，使得水泥稳定碎石铣刨粗集料的压碎值较大。JTG/T F20-2015 《公路路面基层施工技术细则》中对水泥稳定碎石要求：二级及二级以下公路基层不应大于35%，底基层不应大于40%，水泥稳定碎石铣刨粗集料的压碎值符合规范要求。

表5 压碎值试验结果

5 水泥稳定碎石铣刨粗集料针片状颗粒含量

再生集料的针片状含量用来评价粗集料的形状和抗压碎能力，根据现行规范中游标卡尺法测量再生粗集料的针片状颗粒含量，试验结果如表6所示。

表6 水泥稳定碎石铣刨粗集料的针片状颗粒含量

由表6可知：铣刨粗集料的针片状含量满足JTG TF 20-2015 《公路路面基层施工技术细则》中对高速公路和一级公路的要求，再生集料针片状颗粒含量与其破碎工艺有关，铣刨机的型号、运行速度、铣刨深度等都会对再生集料的针片状含量产生影响。

6 水泥稳定碎石铣刨粗集料微观分析

对水泥稳定碎石铣刨粗集料进行SEM微观电镜扫描和EDS材料元素种类和含量分析，试验结果如图2～4所示。

从图2可以看出：再生集料表面存在硬化水泥砂浆，水泥砂浆孔隙明显，砂浆周围存在裂缝且多为联通裂缝，是造成再生集料吸水率大的主要原因，随着集料粒径的增大，砂浆块含量增加，其吸水率有增大的趋势，表观密度有减小趋势。水泥砂浆强度低，在受外力作用时易破碎脱落，因此再生集料的强度受到很大的影响。对比图3可发现，混凝土再生集料表面水泥砂浆较密实且含量多，这是由于混凝土水泥含量高，水泥砂浆含量多且强度大，使得混凝土再生集料吸水率较大，压碎值较低。

图2 水泥稳定碎石铣刨粗集料2 000倍SEM图像

图3 混凝土再生粗集料2 000倍SEM图像

图4 水泥稳定碎石铣刨粗集料EDS图像

结合SEM图像和EDS图像可知，水泥砂浆主要成分为水化硅酸钙，水化硅酸钙是水泥水化主要产物，是无机结合材料的强度来源，硅元素含量少，可以说明水化硅酸钙含量较少，可推断水泥砂浆强度低，在受外力作用下易破碎，是造成铣刨料的力学指标衰减的主要原因。

7 结论

(1)水泥稳定碎石铣刨粗集料可以满足二级及二级以下公路水泥稳定碎石底基层要求。

(2)水泥稳定碎石再生集料水泥含量低，水泥砂浆含量少，吸水率并无明显提高。

(3)粒径大于31.5 mm的铣刨粗集料，大部分由细集料和小粒径集料黏结而成，力学性质和物理性质均有较大程度衰减，受外力作用下易破碎，对再生水泥稳定碎石产生负面影响。