常江峰

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)定銑刨料用于路面鋪設(shè)時(shí)易出現(xiàn)干縮開(kāi)裂，且經(jīng)凍融后使用壽命短的問(wèn)題，提出用玄武巖纖維對(duì)水泥穩(wěn)定銑刨料進(jìn)行增強(qiáng)，并比較3種水泥料的抗壓、抗凍融和抗干縮性能。結(jié)果表明：FCRA和CRA在不同齡期對(duì)水泥混合料的抗壓強(qiáng)度都有增強(qiáng)作用，且隨著齡期的增加而逐步變得不明顯，但抗壓強(qiáng)度仍高于傳統(tǒng)的CNA，說(shuō)明銑刨料增強(qiáng)了水泥混合物早期抗壓強(qiáng)度，玄武巖纖維對(duì)水泥混合物早期的增強(qiáng)作用不明顯;CRA試件在90 d的干縮系數(shù)為（128.4×10-6）%，經(jīng)5次凍融循環(huán)后銑刨料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率高達(dá)25.06%。而摻入玄武巖纖維后，混合物在90 d的干縮系數(shù)降至（115.68×10-6）%，與普通水泥碎石料干縮系數(shù)相近，凍融循環(huán)強(qiáng)度損失降至10.32%，證實(shí)玄武巖纖維可提高水泥穩(wěn)定銑刨料的路用性能。

關(guān)鍵詞：道路基層;水泥穩(wěn)定碎石;銑刨料;玄武巖纖維;路用性能

中圖分類號(hào)：TQ342 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）04-0060-05

Abstract： Aiming at the problems of drying shrinkage cracking and short service life after freeze-thaw when the tradi- tional stable milling material is used for pavement laying， basalt fiber is used to strengthen the cement stabilized milling material， and the compressive， freeze-thaw and drying shrinkage resistance of common cement crushed stone （CNA）， cement stabilized milling material （CRA） and basalt fiber cement stabilized milling material （FCRA） are compared. The results show that FCRA and CRA can enhance the compressive strength of cement mixture at different ages， and gradually become less obvious with the increase of age， but the compressive strength is still higher than that of traditional CNA， which indicates that milling material can enhance the early compressive strength of cement mixture to a certain extent， while basalt fiber has no obvious effect on the early compressive strength of cement mixture; The drying shrinkage coefficient of CRA specimen at 90 d was （128.4×10-6）%. After five freeze-thaw cycles， the unconfined compressive strength loss rate of milling material is up to 25.06%. After adding basalt fiber， the drying shrinkage coefficient of the mixture decreased to （115.680×10-6）%， which is similar to that of ordinary cement macadam material. Meanwhile， the freeze-thaw cycle strength loss is reduced to 10.32%， which proves that basalt fiber can improve the road performance of cement stabilized milling material.

Key words：? road base ; cement stabilized macadam ; milling material ; basalt fiber ; road performance

對(duì)舊水泥穩(wěn)定碎石銑刨料回收再用于路面建設(shè)，既能夠解決廢棄材料處理難的問(wèn)題，又能減少天然砂石原材料的消耗，還能節(jié)約道路建設(shè)成本。但銑刨料回收利用循環(huán)次數(shù)過(guò)多就有可能導(dǎo)致其水泥穩(wěn)定料用于路面建設(shè)時(shí)出現(xiàn)干縮開(kāi)裂，凍融循環(huán)壽命低的現(xiàn)象。因此提升水泥穩(wěn)定銑刨料路用性能，合理將銑刨料用于公路建設(shè)是目前比較重要的一門(mén)研究課題。針對(duì)水泥穩(wěn)定銑刨料路用性能提升問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了一系列研究，如付魯鑫[1]等人嘗試提前將銑刨料進(jìn)行酸處理，以增加其性能，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)證實(shí)了當(dāng)水泥劑量為3%～7%時(shí)，采用酸處理銑刨料所制備的水泥穩(wěn)定再生集料，其抗壓強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度均能滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路基層強(qiáng)度要求，可以用作二級(jí)及二級(jí)以下公路基層集料;田源[2]則從銑刨料摻量出發(fā)，證實(shí)水泥穩(wěn)定再生料混合物路用性能與銑刨料摻量有很大關(guān)系，合理選擇銑刨料摻量能夠增加水泥再生料使用壽命。以上專家的研究在一定程度上提升了銑刨再生料的路用性能，但并未解決銑刨料干縮開(kāi)裂，抗凍融壽命短的問(wèn)題?；诖?，本文嘗試以玄武巖纖維為主要原料，對(duì)銑刨料的路用性能進(jìn)行優(yōu)化，為銑刨料道路建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)所用主要材料為：水泥（河南昊耐建材有限公司，P.O42.5）;玄武巖纖維（山東浩森新材料有限公司，長(zhǎng)度18 mm）;銑刨料（福州八方道路工程有限公司，規(guī)范）;普通砂（靈壽縣盛飛礦產(chǎn)品加工廠，一級(jí)）。

本試驗(yàn)所用主要設(shè)備為：萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南川佰儀器設(shè)備有限公司，WEW）;混凝土收縮儀（滄州億軒試驗(yàn)儀器有限公司，HSP-355）;鼓風(fēng)干燥箱（河北朵麥信息科技有限公司，101-2A）;快速凍融試驗(yàn)箱（獻(xiàn)縣天健儀器有限公司，TDR-1）。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

其中銑刨料摻量為銑刨細(xì)集料與天然粗集料摻配方式。FCRA代表玄武巖纖維水泥穩(wěn)定銑刨料;CRA代表水泥穩(wěn)定銑刨料（無(wú)纖維）;CNA代表普通水泥穩(wěn)定碎石（無(wú)纖維、無(wú)銑刨料）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 拌合物攪拌流程

（1）按照配合比計(jì)算每種原材料的質(zhì)量，然后進(jìn)行稱重;

（2）采取人工拌和的方式， 提前將粗集料和細(xì)集料混合均勻，干拌30 s后加入玄武巖纖維，繼續(xù)攪拌2 min;

（3）在拌合物中加入水泥，繼續(xù)干拌1 min，待拌合物攪拌均勻后，加入全部用水量，繼續(xù)攪拌1 min，裝入模具。攪拌流程如圖1所示[3]。

1.3.2 試件制備

（1）靜壓法圓柱形試件制備。

提前在模具內(nèi)側(cè)和墊片周圍涂抹少量的液壓油，將厚度為2 cm的墊片放入模具兩邊筒壁，分3次倒入攪拌均勻的拌合物。倒入一層后用搗棒由內(nèi)而外搗實(shí)，然后用WEW型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行靜壓，加載速率為1 mm/min。待兩個(gè)墊片完全壓入石墨套筒后，穩(wěn)定2 min后將試件從萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)取下。將試件移至干燥通風(fēng)處放置5 h以上。將脫模試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至指定齡期， 養(yǎng)護(hù)溫度和相對(duì)濕度分別為20℃和98%。在養(yǎng)護(hù)齡期最后一天進(jìn)行浸水養(yǎng)護(hù)，浸水溫度為20℃，在浸水時(shí)要注意保證水面高于試件2.5 cm左右。

（2）振動(dòng)擊實(shí)成型梁形試件制備。

提前在模具內(nèi)涂刷一層液壓油，并鋪墊一層塑料薄膜。分5次將混合物料進(jìn)行填料，每次填料都需要震實(shí)后再次填料擊實(shí)。試件成型后，干燥通風(fēng)處放置6 h以上，試件養(yǎng)護(hù)與圓形試件養(yǎng)護(hù)一致。

1.4 性能測(cè)定

1.4.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)方法對(duì)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定[4]。具體步驟為：

（1）以靜壓法制備壓實(shí)度為98%，尺寸為φ150 mm×150 mm的圓柱形試件每組13個(gè)。按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)至指定齡期;

（2）將WEW型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)設(shè)置為位移控制，控制速度為1 mm/min、目標(biāo)值為300 kN;

（3）將試件放在WEW型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上壓片與試件接觸。設(shè)置萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為位移控制，調(diào)整試件位置后打開(kāi)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，開(kāi)始對(duì)試件施加荷載，速度和目標(biāo)值為1 mm/min，300 kN。待試件破壞后，停止施加荷載，記錄試件承受的最大荷載;

（4）抗壓強(qiáng)度代表值以95%保證率進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算方式為：

式中：P表示試件破壞時(shí)最大荷載;A表示試件截面積，這里取17 662.5 mm2;Rc表示試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;Rc表示一組平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;Cv表示變異系數(shù);S表示一組試件的標(biāo)準(zhǔn)差;Rc0.95表示95%保證率的抗壓強(qiáng)度代表值。

1.4.2 干縮性能測(cè)定

參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定試件干縮性能[5]。具體步驟為：

（1）以振動(dòng)擊實(shí)成型的方法制備尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的梁形試件，每組6個(gè)。按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)至指定齡期;

（2）擦拭試件，并稱重。然后放在混凝土收縮儀上，并將千分表固定在試件上;

（3）將試件和收縮儀置于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室內(nèi)，室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度分別20℃和65%。7 d前每天記錄千分表讀數(shù)和試件質(zhì)量變化。7～30 d，隔兩天記錄千分表讀數(shù)和試件質(zhì)量變化;后期每10 d記錄一次讀數(shù)和質(zhì)量變化;

（4）干縮觀測(cè)結(jié)束后，將試件置于101-2A型鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干至恒重。

干縮性能表達(dá)式為：

式中：wi表示第i次失水率;εi表示第i次干縮應(yīng)變;mi表示第i次標(biāo)準(zhǔn)試件稱重質(zhì)量;δi表示第i次觀測(cè)干縮量;ɑdi表示第i次干縮系數(shù);l表示標(biāo)準(zhǔn)試件長(zhǎng)度;Xi， j表示第i次測(cè)試第j個(gè)千分表讀數(shù);mp表示標(biāo)準(zhǔn)試件烘干后質(zhì)量。

1.4.3 凍融試驗(yàn)

參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中凍融試驗(yàn)方法進(jìn)行凍融試驗(yàn)[6]。具體步驟為：

（1）以靜壓法制備φ150 mm×150 mm，壓實(shí)度98%，圓柱形試件。按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)至指定齡期;

（2）將需要凍融的試件置于TDR-1型快速凍融試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行低溫凍結(jié)，凍結(jié)溫度和時(shí)間分別為-18℃和16 h。在放置試件時(shí)，試件間間隙為20 mm;

（3）將凍融試件取出后立刻放入水中，水面離與試件頂距離為20 mm，融化時(shí)間為8 h，所有步驟結(jié)束后為一個(gè)循環(huán)，同樣方式循環(huán)5次，完成試驗(yàn);

（4）測(cè)定不凍融試件的飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

抗凍指標(biāo)表達(dá)式為：

式中，BDR表示凍融循環(huán)后，試件抗壓強(qiáng)度損失;RC表示不動(dòng)容試件飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;RDC表示5次凍融循環(huán)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖2為不同齡期試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，3種混合料試件抗壓強(qiáng)度均隨齡期的增加而增加。養(yǎng)護(hù)早期（28 d前），所有混合料試件抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，增長(zhǎng)速率變緩。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為60 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)最終強(qiáng)度的95%。這是因?yàn)樵陴B(yǎng)護(hù)早期，混凝土內(nèi)部發(fā)生劇烈水化反應(yīng)，生成硅酸鈣膠凝材料，得到纖維板塊晶體，使得混合料變成整體，使得抗壓強(qiáng)度增加[7]。養(yǎng)護(hù)齡期超過(guò)28 d后，水泥水化反應(yīng)減弱，因此抗壓強(qiáng)度逐漸趨于平緩。

分別對(duì)比3種混合料強(qiáng)度變化可知，F(xiàn)CRA比CRA各齡期抗壓強(qiáng)度均有所增強(qiáng)，但增強(qiáng)效果不是很明顯，且隨齡期的變化，兩者變化趨勢(shì)一致。在養(yǎng)護(hù)齡期60 d前，F(xiàn)CRA和CRA的抗壓強(qiáng)度均明顯高于CNA，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到60 d時(shí)，雖然FCRA和CRA抗壓強(qiáng)度仍舊高于CNA，但3個(gè)混合料抗壓強(qiáng)度值接近，且變化逐漸趨于一致。這就說(shuō)明銑刨料對(duì)混合物早期抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)作用較為明顯，纖維對(duì)混合物抗壓強(qiáng)度有一定增強(qiáng)作用，但增強(qiáng)效果不大。

2.2 干縮試驗(yàn)結(jié)果

圖3、圖4分別表示混合料失水率和干縮系數(shù)隨齡期變化情況。

結(jié)合圖3、圖4可知，混合料失水率和干縮系數(shù)隨齡期的增加，變化趨勢(shì)幾乎一致。以28 d為明顯分界線，在28 d前，增長(zhǎng)幅度較高，28 d后，基本趨于平緩。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)齡期28 d前，混合料強(qiáng)度未固定，同時(shí)受內(nèi)外環(huán)境影響，因此失水率和干縮系數(shù)變化較為明顯;養(yǎng)護(hù)齡期28 d后，混合料強(qiáng)度幾乎已經(jīng)固定，內(nèi)部自由水基本消失，對(duì)干縮變形有一定約束，因此失水率和干縮系數(shù)逐漸趨于平緩[8-9]。

對(duì)比3種混合料失水率和干縮系數(shù)變化可知，CRA和CNA 90 d干縮系數(shù)分別為（128.65×10-6）%和（110.4×10-6）%;CRA混合料干縮系數(shù)比CNA混合料干縮系數(shù)高16%左右，證明銑刨料對(duì)混合料干縮性能有一定影響，可能引起混合料干縮開(kāi)裂。而FCRA 90 d干縮系數(shù)為（115.68×10-6）%，比CRA 90 d干縮系數(shù)降低12%左右，證實(shí)摻入纖維后，能夠改善銑刨料帶來(lái)的干縮開(kāi)裂的問(wèn)題，使得混合料的干縮系數(shù)與普通水泥穩(wěn)定碎石接近。

2.3 凍融試驗(yàn)結(jié)果

圖5為的3種混合料凍融循環(huán)前后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化。

由圖5可知，經(jīng)凍融循環(huán)后，3種混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有所下降。這是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)過(guò)程中，在混合料內(nèi)部空隙中有大量自由水滯留，在凍融結(jié)冰時(shí)，混合料內(nèi)部自由水產(chǎn)生較大體積膨脹，出現(xiàn)擠壓應(yīng)力，對(duì)混合料整體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部連接作用力產(chǎn)生一定破壞。5次循環(huán)后，對(duì)試件強(qiáng)度造成一定損失。

分別對(duì)比3種混合料凍融強(qiáng)度損失，CNA抗壓強(qiáng)度損失為13.72%;CRA抗壓強(qiáng)度損失為25.06%。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)椋恒娕倭媳忍烊患峡障堵瘦^高且吸水率相對(duì)較大，因此在凍融循環(huán)過(guò)程中，水結(jié)冰產(chǎn)生膨脹應(yīng)力較大，更容易破壞混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使銑刨混合料抗凍融性能較弱[10]。而摻加纖維后，F(xiàn)CRA混合料的抗壓強(qiáng)度損失僅為10.32%。這是因?yàn)槔w維能夠填充水泥和集料間的孔隙，進(jìn)而減少混合料內(nèi)部孔隙水的含量，使得內(nèi)部水結(jié)冰形成的應(yīng)力有所降低;另外，加入纖維后，纖維與集料間嵌擠和摩擦作用對(duì)膠體整體性和穩(wěn)定性都有增強(qiáng)作用，進(jìn)而增強(qiáng)了混合料的抗凍性能，彌補(bǔ)了銑刨料對(duì)抗凍融性能的不良影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以摻加玄武巖纖維的方式對(duì)銑刨料水泥穩(wěn)定路用性能進(jìn)行優(yōu)化。并考察了對(duì)其性能的影響因素。具體結(jié)論如下：

（1）隨齡期的增加，3種混合料試件抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，滿足半剛性基層材料的特點(diǎn)。早期刨銑料試件抗壓強(qiáng)度明顯高于天然集料試件，后期強(qiáng)度趨于一致，證實(shí)銑刨料對(duì)混合物早期抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)作用較為明顯;

（2）銑刨料試件90 d干縮系數(shù)為（128.4×10-6）%，比天然集料試件干縮系數(shù)高約16%，可能造成干縮開(kāi)裂現(xiàn)象。摻入纖維后，干縮系數(shù)降至（115.68×10-6）%。說(shuō)明纖維能夠有效改善銑刨料干縮開(kāi)裂現(xiàn)象;

（3）銑刨料試件抗凍融試驗(yàn)后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率高達(dá)25.06%;摻入玄武巖纖維后，強(qiáng)度損失降低至10.32%。不僅彌補(bǔ)了銑刨料對(duì)試件抗凍融性能的影響，還進(jìn)一步增強(qiáng)了水泥穩(wěn)定混合料的抗凍性能。

綜上所述，在水泥穩(wěn)定銑刨混合料中摻加一定質(zhì)量的玄武巖纖維，能夠有效提升混合料路用性能。增強(qiáng)其抗凍性能，改善其干縮開(kāi)裂現(xiàn)象。

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