水泥稳定再生集料干缩性能的优化

■火 凡

（新疆兵团勘测设计院（集团） 有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

天然集料资源的快速消耗导致建设经济成本迅速提升， 充分利用建筑废弃物中的废弃混凝土可有效减少污染、占地问题，同时可节约大量建筑成本。 国内外有关水泥稳定再生集料的性能研究已有一定的基础：李曙龙等[1]研究了不同粉煤灰掺加比例对粉煤灰水泥稳定碎石再生集料的凝结硬化和路用性能表现影响规律；王学武[2]设计试验在水泥稳定再生集料中加入了RAP 旧料以改善其性能表现，发现加入RAP 旧料后，控制RAP 旧料和水泥掺加量就可显著影响水泥稳定再生集料各项性能；邓陈记等[3]针对水泥稳定再生集料性能表现易受再生料不均匀性影响的问题展开研究，推荐了合理的吸水率范围选择；周芬等[4]利用砖混结构拆除所得的砖粉再生料制备水泥稳定再生集料， 研究了砖粉再生料和水泥结合料掺加量对路用性能表现的影响规律。 综上所述，可发现已有研究对水泥稳定再生集料的路用性能改善主要集中于强度提升方面， 针对水泥稳定再生集料常发生的抗干缩性能不足问题的研究还有较大空白。 因此， 本文在水泥稳定再生集料中加入了乳化沥青以改善其抗干缩能力， 并对其性能变化规律进行研究， 通过击实试验确定了再生集料的基本物理指标，控制一定量的水泥和乳化沥青质量比，研究其掺量对试件干缩系数、 干缩应变及累计吸水率的影响规律。

1 原材料

1.1 无机结合料

本研究试验中涉及到的水泥稳定再生集料无机结合料选取P·O 42.5 普通硅酸盐水泥。

1.2 乳化沥青

采用乳化沥青作为水泥稳定再生集料性能改良材料，其类别为阳离子慢裂类，其性能指标检测结果如表1 所示。

表1 乳化沥青性能指标

1.3 再生集料

本研究试验中涉及到的再生集料均为某水泥混凝土面层拆除工程破碎料。 经放大观察可发现再生集料表面附着有大量水泥砂浆硬化物，且集料与水泥砂浆硬化物表面分布有较多细小裂缝。 在破碎过程中将再生集料划分为四档：一档为30～20 mm、二档为20～10 mm、 三档为10～5 mm、 四档为5～0 mm。对各档再生集料进行技术指标检测，一档、二档、三档料检测结果显示：压碎值均为25.8%；吸水率分别为4.8%、5.6%、6.3%； 表观密度分别为2.636 g/cm3、2.659 g/cm3、2.674 g/cm3。四档料检测结果显示：坚固性为6.5%、表观密度为2.507 g/cm3、砂当量为89.6%、吸水率为9.0%。

2 级配设计与试件检测

2.1 级配方案设计

参照常规水泥稳定碎石级配设计的规范要求，拟定水泥稳定再生集料级配范围和级配设计结果，如图1 所示。

图1 级配范围和级配设计结果

2.2 击实试验

按照级配设计结果，分别初拟乳化沥青的质量比0%、2.0%、2.5%以及3.0%，初拟水泥的质量比为3%、4%以及5%，利用重型击实试验，检测其最大干密度及其对应的最佳含水率，结果如表2 所示。

表2 击实试验结果

根据表2 数据展开分析，首先对比在相同乳化沥青质量比（取2.5%）条件下，随着水泥质量比从3%提升至5%，掺加乳化沥青的水泥稳定再生集料最大干密度随之增长，最佳含水率也随之提升。 这是由于无机结合料水泥具有较大的比表面积，因而吸水性较强，导致混合料总体最佳含水率提升。 同时，随着水泥浆填充量的增加，混合料对应的最大干密度也变大。

对比在相同水泥质量比（取4%）条件下，随着乳化沥青质量比从0%提升至3%（其中0%为对比组）， 掺加乳化沥青的水泥稳定再生集料的最大干密度呈现出下降趋势，与之对应的最佳含水率也从6.2%降低至5.1%。 这是因为乳化沥青具有减少混合料间摩擦力的作用， 混合料间的需水量因此降低，引起最佳含水率的下降。 同时乳化沥青密度相对较低，因此混合料对应的最大干密度也随着其质量占比的提升而下降。

3 干缩性能分析

3.1 水泥质量比影响分析

采用上文设计的最佳级配，并按照最佳含水率成型试件，选取2.5%的同一乳化沥青质量比，成型3 组水泥稳定再生集料混合料试件， 其对应的水泥质量比分别为3%、4%以及5%， 试件编号分别为E2.5-C3、E2.5-C4 以及E2.5-C5。 通过干缩试验测得各组试件的干缩系数、干缩应变以及累计吸水率指标，具体见图2～4。

图2 水泥质量比对干缩系数的影响

分析图2 可以发现， 随着水泥质量比的提升，水泥稳定再生集料混合料的干缩系数随之提升，相较于试件组E2.5-C3，E2.5-C4 和E2.5-C5 的总干缩系数分别增长了33%和57%。而混合料总干缩系数的增加将会提升其发生干缩裂缝的风险。 因此，在保证水泥稳定再生集料强度的前提下，应尽可能减少水泥质量比。

分析图3 可以发现， 在同等养护时间的条件下，水泥质量比越大，混合料试件的干缩应变也越大。 这是因为随着混合料中水泥质量比的增加，混合料更易发生失水， 从而导致混合料体积收缩更大。 此外，随着时间的推延，各组混合料的干缩应变均明显提升，在12 d 以后其增长速度减缓，进入缓慢增长期，25 d 后基本趋于稳定。

图3 水泥质量比对干缩应变的影响

分析图4 可以发现， 在同等养护时间的条件下，水泥质量比越大，混合料试件的累计失水率随之越大。 相较于试件组E2.5-C3，E2.5-C4 和E2.5-C5 的30 d 累计吸水率分别增长了12%和19%。 这是因为随着水泥质量比的提升，混合料早期耗水量增大，而在其硬化后水分快速散失。

图4 水泥质量比对累计失水率的影响

3.2 乳化沥青质量比影响分析

选取4%的同一水泥质量比， 成型4 组水泥稳定再生集料混合料试件，其对应的乳化沥青质量比分别为0%、2%、2.5%以及3%， 试件编号分别为E0-C4、E2-C4、E2.5-C4 以及E3-C4。 通过干缩试验测得各组试件的干缩系数、干缩应变以及累计吸水率指标，具体见图5～7。

图5 乳化沥青质量比对干缩系数的影响

分析图5 可以发现，随着乳化沥青质量比的提升， 水泥稳定再生集料混合料的干缩系数随之降低， 相较于试件组E0-C4，E2-C4、E2.5-C4 以及E3-C4 的总干缩系数分别降低了25%、42%和53%。这说明，乳化沥青的掺加及其质量比的增长能够降低水泥稳定集料发生开裂破坏的可能性。

分析图6 可以发现， 在同等养护时间的条件下，乳化沥青质量比越大，混合料试件的干缩应变越小。 这是因为乳化沥青破乳后能够包裹在混合料各组分表面，在混合料发生干缩时可起到缓冲并承载的作用。 随着时间增长，各组混合料的干缩应变均明显提升，在17 d 以后趋于稳定。

图6 乳化沥青质量比对干缩应变的影响

分析图7 可以发现， 在同等养护时间的条件下，乳化沥青质量比越大，混合料试件的累计失水率随之降低。相较于试件组E0-C4，E2-C4、E2.5-C4以及E3-C4 的累计失水率分别降低了10%、17%和26%。 这是由于乳化沥青破乳后能够包裹在混合料各组分表面， 并将水分蒸发散失的毛细通道封闭，从而减少其累计失水率。

图7 乳化沥青质量比对累计失水率的影响

4 结语

本文在水泥稳定再生集料中加入乳化沥青，研究干缩性能变化规律，通过击实试验确定了再生集料的基本物理指标，控制一定量的水泥和乳化沥青质量比，研究其掺量对试件干缩系数、干缩应变及累计吸水率影响规律，得出以下主要结论：（1）无机结合料水泥比表面积较大，吸水性较强，可导致混合料压实最佳含水率提升；（2）在保证水泥稳定再生集料强度的前提下， 应尽可能减少水泥质量比；（3）乳化沥青的掺加及其质量比的增长能够降低水泥稳定集料发生开裂破坏可能性。