張立群, 張學(xué)峰, 崔宏環(huán)
(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室,河北張家口075000; 2.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院,河北張家口075000)
水泥穩(wěn)定碎石材料鋪建的道路基層有強度高、剛度大、耐久性好的優(yōu)點,但易受環(huán)境因素的影響,產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的損壞。尤其在寒冷地區(qū),晝夜溫差、年溫差較大,極易受到溫縮變形影響,進(jìn)而發(fā)展為反射裂縫,影響道路運行。所以,亟須改善道路因溫度收縮變形造成的破壞。
廢舊瀝青混合料(reclaimed asphalt pavement,RAP)和鐵尾礦砂(iron tailing sand,ITS)均為固體廢物,其中RAP 是道路修繕、改建過程中產(chǎn)生的廢棄物,ITS 是選礦后的產(chǎn)物。RAP 方面,中國每年修繕約12%的路面,產(chǎn)生大量瀝青混合料[1];ITS 方面,每年產(chǎn)生尾礦5 億噸以上[2]。這些廢棄物通常采用露天堆放和填埋的方式處理,在占用大量土地的同時,又污染了自然環(huán)境。因此,這兩種廢棄物資源化利用問題亟待解決,國內(nèi)外許多學(xué)者為此做了大量的研究工作。RAP 通常處理方法是破碎、篩分成不同粒徑的再生集料,應(yīng)用于道路面層[3-6]或道路基層[7-9]。張東省等[10]將RAP 的細(xì)顆粒添加到水泥穩(wěn)定碎石中后,材料的強度和抗裂性能均有所提高;馮德成等[11]對水泥穩(wěn)定RAP 的劈裂性能研究發(fā)現(xiàn),材料的劈裂強度、峰值應(yīng)變隨RAP 摻量的增加先增大后減小;薛勇剛等[12]發(fā)現(xiàn),向水泥穩(wěn)定碎石中摻入大比例的廢舊瀝青混合料仍能夠滿足道路基層的強度要求,并且具有良好的水穩(wěn)定性和抗凍性;王學(xué)武[13]發(fā)現(xiàn),由于瀝青的黏彈性和應(yīng)力松弛作用,RAP 含量的增加有利于干縮性能。而ITS 本身顆粒大多處于2 mm 以下,可以直接代替混凝土中的細(xì)砂,并且優(yōu)于普通混凝土的強度[14-16]。有研究指出,直接固化ITS摻量5.5%的水泥也可滿足道路基層的強度要求[17]。
綜合以上進(jìn)展發(fā)現(xiàn),對ITS 和RAP 的研究主要集中在力學(xué)方面,對溫度收縮的研究以及在混合料中同時添加二者的研究較少。本試驗場地處于寒冷地區(qū),選取不同比例的RAP 和ITS 摻加到水泥穩(wěn)定碎石中,進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗、彎拉試驗和溫縮試驗,分析RAP 和ITS 的摻入比對水泥穩(wěn)定碎石強度和溫縮性能的影響規(guī)律,為以后的工程應(yīng)用提供參考。
天然集料為玄武巖,RAP 由張家口市公路破碎得到,ITS 在張家口礦山上直接取得,其物理指標(biāo)見表1~2。
表1 粗集料的物理指標(biāo)Table 1 Physical indexes of coarse aggregate
按一定質(zhì)量比例的再生集料代替天然集料進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石級配設(shè)計,RAP 摻量為0、25%、40%、55%、70%、100%,ITS 摻量為0、30%、45%、60%、90%。為了研究ITS 和RAP 摻量變化對水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響,顧萬等[18]、黃孫科[19]指出RAP 摻量在20%~30%時,水泥穩(wěn)定碎石有較好的路用性能,因此在ITS摻量變化時,RAP摻量固定在25%。崔孝煒等[20]發(fā)現(xiàn)ITS 摻量在50%~75%時,混凝土有較好的路用性能,所以RAP 摻量變化時,ITS 摻量固定在60%。根據(jù)規(guī)范[21]推薦的級配范圍進(jìn)行組成設(shè)計,設(shè)計結(jié)果見表3。通過重型擊實試驗確定不同類型混合料的最大干密度和最佳含水量,如表4所示。對于不同類型混合料統(tǒng)一采用5%的水泥摻量。
表2 細(xì)集料的物理指標(biāo)Table 2 Physical indexes of fine aggregate
表3 再生集料的設(shè)計級配Table 3 Design gradation of recycled aggregate
表4 擊實試驗結(jié)果Table 4 Compaction test results
試驗采用7 d無側(cè)限抗壓強度試驗、90 d彎拉試驗和溫縮試驗來評價水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能和溫縮性能。依據(jù)規(guī)范[21]中高速公路基層壓實標(biāo)準(zhǔn),試件采用98%的壓實度。將養(yǎng)護(hù)完成后的試件進(jìn)行力學(xué)試驗和溫縮試驗,其中7 d 無側(cè)限抗壓試驗試件為150 mm×150 mm圓柱形試件,彎拉試驗和溫縮試驗試件為100 mm×100 mm×400 mm 中梁試件。無側(cè)限抗壓試驗和彎拉試驗加載速率分別為1 mm·min-1和50 mm·min-1;溫縮試驗采用應(yīng)變片法,溫度區(qū)間為-20~40 ℃,設(shè)定6 個級別,每個級別溫度差為10 ℃,降溫速率0.5 ℃·min-1,恒溫3 h。由文獻(xiàn)[22]可知,在經(jīng)歷3次溫度循環(huán)后,溫縮特性變化規(guī)律已趨于穩(wěn)定。因此,本文設(shè)計進(jìn)行5次溫度循環(huán),溫縮應(yīng)變等試驗數(shù)據(jù)由計算機(jī)自動采集,試驗過程如圖1所示。溫縮試驗中溫縮系數(shù)按下式計算。
圖1 試驗過程Fig. 1 Test process:unconfined compressive test(a),flexural-tensile test(b)and temperature shrinkage test(c)
式中:αt為溫縮系數(shù);ti、ti-1為2 個相鄰恒溫段的溫度值;εi、εi-1分別為溫度ti、ti-1對應(yīng)的溫縮應(yīng)變;βs為溫度補償標(biāo)準(zhǔn)件的線膨脹系數(shù)。
由圖2 可知,無側(cè)限抗壓強度隨著ITS 摻量的增加先增大后減小,摻量在60%時達(dá)到最大值,比未摻ITS 的水泥穩(wěn)定碎石強度高了0.87 MPa,且均大于5 MPa,滿足高速公路道路基層的規(guī)定;彎拉強度隨ITS 摻量增加也呈現(xiàn)相似的現(xiàn)象,在摻量45%時得到最大值。即說明ITS 替代水泥穩(wěn)定碎石中細(xì)砂后,不僅提高了材料的強度,也進(jìn)一步提高了材料的抗裂性能。因為水泥發(fā)生了水解和水化反應(yīng),生成水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體,致使孔隙水pH 值上升,自由Ca(OH)2增加[23]。鐵尾礦中SiO2和Al2O3成分比例在60%以上[24],較高的pH 值和Ca(OH)2濃度會使鐵尾礦中的SiO2和Al2O3溶解,并使他們與Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石等水化產(chǎn)物,進(jìn)一步增大了水泥穩(wěn)定碎石整體性。
圖2 ITS摻量對強度的影響Fig. 2 Effect of ITS content on strength
由圖3 可知,水泥穩(wěn)定碎石抗壓強度隨著RAP摻量的增加逐漸降低,但也均大于5 MPa,滿足高速公路路基強度要求。而水泥穩(wěn)定碎石的彎拉強度隨RAP 摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在摻量70%達(dá)到最大值,比摻量25%的水泥穩(wěn)定碎石強度增加了0.26 MPa。廢舊瀝青混合料集料表面被瀝青膜包裹,故形成礦料與水泥石間的過渡層,使得水泥石的膠結(jié)強度降低,致使導(dǎo)致抗壓強度降低。瀝青作為一種黏彈性材料,包裹住集料后,使集料與集料之間有了一定的抗拉性能,因此RAP 的增加會增大材料的彎拉強度。
圖3 RAP摻量對強度的影響Fig. 3 Effect of RAP content on strength
3.1.1 溫縮應(yīng)變隨溫度的變化
為了研究水泥穩(wěn)定碎石的溫縮性能,本試驗進(jìn)行了5 次溫度循環(huán),以模擬季節(jié)凍土區(qū)溫度的往復(fù)變化。如圖4 所示,摻ITS 的水泥穩(wěn)定碎石溫縮應(yīng)變隨著時間的增加呈現(xiàn)震蕩型變化規(guī)律,即溫縮應(yīng)變隨著時間的增加相應(yīng)地往復(fù)變化,并且圖像的尖點即溫縮應(yīng)變的最大值和最小值隨著時間的增長逐漸增大。當(dāng)試驗進(jìn)行到第3 次溫度循環(huán)后,溫縮數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯規(guī)律,其后發(fā)展與此次類似,因此選取第3次溫度循環(huán)下的降溫階段進(jìn)行研究。如圖5所示,摻ITS的水泥穩(wěn)定碎石隨著溫度降低溫縮應(yīng)變逐漸增大,其中ITS 摻量60%和90%的水泥穩(wěn)定碎石溫縮應(yīng)變增長速度比較顯著,在溫度降到10 ℃后,溫縮應(yīng)變明顯大于其他摻量水泥穩(wěn)定碎石。水泥穩(wěn)定碎石的溫縮應(yīng)變隨著ITS 摻量的增加逐漸增大,其中只有ITS30 的溫縮應(yīng)變小于ITS0。鐵尾礦中的SiO2和Al2O3等成分可以繼續(xù)與水泥發(fā)生水化反應(yīng),進(jìn)一步增加了水泥穩(wěn)定碎石的膠凝物質(zhì)[16,25],且劉章[26]指出水泥穩(wěn)定材料中膠凝材料的溫度收縮性大約是固相顆粒的2~3 倍,因此隨著ITS 摻量增加水泥穩(wěn)定碎石溫縮應(yīng)變會逐漸增大。
圖4 摻ITS的水泥穩(wěn)定碎石(RAP=25%)溫縮應(yīng)變隨時間的變化Fig. 4 Variation of temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with ITS(RAP=25%)with time
圖5 摻ITS的水泥穩(wěn)定碎石(RAP=25%)溫縮應(yīng)變隨溫度的變化Fig. 5 Variation of temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with ITS(RAP=25%)with temperature
3.1.2 溫縮應(yīng)變隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化
如圖6 所示,摻ITS 的水泥穩(wěn)定碎石在升溫和降溫階段累計溫縮應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢基本一致,ITS0 和ITS30 累計溫縮應(yīng)變隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加而增加,并且逐漸趨近ITS45,在最后一次溫度循環(huán)時,ITS0 和ITS30 累計溫縮應(yīng)變?yōu)镮TS45的89.2%和91.3%,ITS60和ITS90累計溫縮應(yīng)變隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小并穩(wěn)定在某一數(shù)值,并且遠(yuǎn)大于ITS45 累計溫縮應(yīng)變。再者ITS45累計溫縮應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加基本不變,所以ITS45有較好的溫縮性能。
3.1.3 溫縮系數(shù)隨溫度的變化
溫縮系數(shù)可以反映出材料對溫度變化的敏感性,圖7 為第3 次溫度循環(huán)下變化趨勢圖,摻ITS 水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)隨溫度區(qū)間變化規(guī)律呈“V”字形分布,在溫度區(qū)間-10~40 ℃溫縮系數(shù)逐漸減小,在溫度區(qū)間-20~-10 ℃溫縮系數(shù)逐漸增大。即在溫度區(qū)間-20~-10 ℃、30~40 ℃材料對溫度變化的敏感性較大,在溫度區(qū)間-10~0 ℃敏感性最小,由圖6 得知ITS 摻量45%時水泥穩(wěn)定碎石溫縮性能較好,結(jié)合圖7 發(fā)現(xiàn),ITS45 在-10~20 ℃溫度范圍內(nèi)溫縮系數(shù)較小,且如今施工技術(shù)可以在負(fù)溫下施工[27],所以施工溫度在-10~20 ℃較為適宜。
圖6 摻ITS的水泥穩(wěn)定碎石(RAP=25%)累計溫縮應(yīng)變隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化Fig. 6 Variation of cumulative temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with ITS(RAP=25%)with number of temperature cycles:cooling stage(a)and heating stage(b)
圖7 摻ITS的水泥穩(wěn)定碎石(RAP=25%)溫縮系數(shù)隨溫度區(qū)間的變化Fig. 7 Variation of temperature shrinkage coefficient of cement stabilized macadam mixed with ITS(RAP=25%)with temperature range
以上結(jié)果產(chǎn)生的原因,溫度降低后水泥穩(wěn)定碎石孔隙水的分子熱運動減弱,液體分子之間距離減小,相互吸引力增大,表面張力也相應(yīng)增大,在表面張力的作用下,液體表面積減小,進(jìn)而使毛細(xì)管內(nèi)徑減小,從而試件體積收縮[28-29]。初始降溫時,表面張力較大,此時溫縮變形和溫縮系數(shù)較大,隨著溫度降低表面張力比初始降溫時有所減小,溫縮系數(shù)也逐漸減?。划?dāng)溫度下降到0 ℃以下時,水分子開始轉(zhuǎn)化為冰晶態(tài),水分子熱運動快速減小,表面張力隨之快速增大,但在-10~0 ℃時孔隙中大部分自由水和弱結(jié)合水開始結(jié)冰膨脹,抵消了部分收縮變形,所以此時溫縮系數(shù)繼續(xù)減小,當(dāng)溫度-20~-10 ℃時僅有部分弱結(jié)合水開始結(jié)冰膨脹,此時產(chǎn)生的膨脹變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面張力引起的收縮變形,所以此時溫縮系數(shù)開始迅速增長。
3.1.4 溫縮系數(shù)隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化
為了更好地說明溫縮性能隨溫度循環(huán)變化的問題,這里引入平均溫縮系數(shù)概念,平均溫縮系數(shù)是求出每個溫度區(qū)段內(nèi)的溫縮系數(shù),然后再取其平均值。如圖8 所示,不同ITS 摻量的水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)不同的規(guī)律,ITS0 和ITS30 的平均溫縮系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大,即隨著循環(huán)次數(shù)的增加對溫度變化的敏感性越強,在第5 次循環(huán)時平均溫縮系數(shù)分別 比 第1 次 的 大0.70×10-6℃-1和1.28×10-6℃-1,ITS60 和ITS90 的平均溫縮系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小,但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ITS0、ITS30 和ITS45 的平均溫縮系數(shù)。其中ITS45的溫縮系數(shù)基本不受溫度循環(huán)的影響,穩(wěn)定在9.0×10-6℃-1左右。
圖8 摻ITS的水泥穩(wěn)定碎石(RAP=25%)溫縮系數(shù)隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化Fig. 8 Variation of temperature shrinkage coefficient of cement stabilized macadam mixed with ITS(RAP=25%)with number of temperature cycles
3.2.1 溫縮應(yīng)變隨溫度的變化
摻RAP的水泥穩(wěn)定碎石溫縮試驗也進(jìn)行了5次溫度循環(huán),溫縮應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律與摻ITS 水泥穩(wěn)定碎石一致,如圖9所示,圖像中的尖點均隨著時間的增加逐漸增加。為了便于比較,也取第3 次溫度循環(huán)下降溫過程中溫縮應(yīng)變。如圖10所示,摻RAP 的水泥穩(wěn)定碎石溫縮應(yīng)變均隨溫度的降低逐漸增大,增長速度隨摻量的增加有所不同,RAP25溫縮應(yīng)變隨溫度降低增長較快,而RAP70 和RAP100溫縮應(yīng)變隨溫度降低增長較慢,當(dāng)在-20 ℃時RAP70 和RAP100 溫縮應(yīng)變僅為RAP25 溫縮應(yīng)變的66.0%和66.9%。RAP 是一種黏彈性材料,抵抗變形能力較強,并且RAP 因為破碎和老化的過程中產(chǎn)生較多的孔隙,材料中空隙率越高,熱傳導(dǎo)率也就越大,混合料受溫度影響也就越?。?0],所以摻RAP 的水泥穩(wěn)定碎石溫縮應(yīng)變隨RAP 摻量增加而減小。
圖9 摻RAP的水泥穩(wěn)定碎石(ITS=60%)溫縮應(yīng)變隨時間的變化Fig. 9 Variation of temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with RAP(ITS=60%)with time
圖10 摻RAP的水泥穩(wěn)定碎石(ITS=60%)溫縮應(yīng)變隨溫度的變化Fig. 10 Variation of temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with RAP(ITS=60%)with temperature
3.2.2 溫縮應(yīng)變隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化
如圖11所示,摻RAP的水泥穩(wěn)定碎石的累計溫縮應(yīng)變在升溫階段和降溫階段隨著循環(huán)次數(shù)的增加有相同的變化趨勢,RAP 摻量在25%、40%、55%、100%時,摻RAP 的水泥穩(wěn)定碎石累計溫縮應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大,RAP 摻量在70%時,則呈現(xiàn)相反的變化趨勢;升溫階段累計溫縮應(yīng)變的變化速率明顯大于降溫階段時的變化速率,其中第3~4次溫度循環(huán)時體現(xiàn)得最為明顯,在RAP 摻量25%、40%、55%、70%、100%時升溫階段累計溫縮應(yīng)變分別大于降溫階段的4%、9%、7%、2%、9%。在升溫和降溫階段,摻RAP 的水泥穩(wěn)定碎石的累計溫縮應(yīng)變均隨著RAP 摻量的增加逐漸減小,降溫階段時RAP70 和RAP90 的累計溫縮應(yīng)變僅為RAP25 累計溫縮應(yīng)變的53.8%和64.2%。并且RAP70 累計溫縮應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)增加而減小,因此RAP 摻量為70%時,表現(xiàn)出良好的溫縮性能。
3.2.3 溫縮系數(shù)隨溫度的變化
圖12為第3 次溫度循環(huán)下溫縮系數(shù)隨溫度的變化趨勢圖,RAP 摻量為25%的水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)隨溫度降低呈現(xiàn)“V”字形變化,而其他RAP 摻量的水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)隨溫度變化呈現(xiàn)山谷型,即兩端溫度區(qū)間溫縮系數(shù)變化顯著,中間溫度區(qū)間溫縮系數(shù)無明顯變化。由圖11得知,RAP摻量為70%時有較好的溫縮性能,且RAP70 溫縮系數(shù)在-10~30 ℃溫度范圍內(nèi)較小,因此RAP70適宜的溫度范圍是-10~30 ℃,比ITS45 有更廣的施工溫度。摻RAP 的水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)隨溫度變化規(guī)律的原因與摻ITS 的水泥穩(wěn)定碎石的結(jié)果類似,表面張力隨著溫度降低逐漸減小,溫縮系數(shù)也隨之減小,降到0 ℃以下后由于結(jié)冰后的膨脹,試件溫縮系數(shù)繼續(xù)減小,在-20~-10 ℃時,試件里的自由水大大減少,此時產(chǎn)生的膨脹變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面張力引起的收縮變形,所以此時溫縮系數(shù)開始迅速增長。
圖11 摻RAP的水泥穩(wěn)定碎石(ITS=60%)累計溫縮應(yīng)變隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化Fig. 11 Variation of cumulative temperature shrinkage strain of cement stabilized macadam mixed with RAP(ITS=60%)with number of temperature cycles:cooling stage(a)and heating stage(b)
圖12 摻RAP的水泥穩(wěn)定碎石(ITS=60%)溫縮系數(shù)隨溫度區(qū)間的變化Fig. 12 Variation of temperature shrinkage coefficient of cement stabilized macadam mixed with RAP(ITS=60%)with temperature range
3.2.4 溫縮系數(shù)隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化
如圖13所示,水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)隨著RAP 摻量增加逐漸減小,其中RAP70 和RAP100平均溫縮系數(shù)在第5 次溫度循環(huán)時僅為RAP25 的76.8%和89.1%。RAP70 的平均溫縮系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小,在第5 次溫度循環(huán)時平均溫縮應(yīng)變比初始時小0.06×10-6℃-1,且明顯小于其他摻量的水泥穩(wěn)定碎石。而RAP25、RAP40、RAP55、RAP100 平均溫縮系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加先減小后增大,在第2 次溫度循環(huán)時平均溫縮系數(shù)最小,在最后1次溫度循環(huán)時平均溫縮系數(shù)比第2次溫度循環(huán)平均溫縮系數(shù)分別增長了0.3×10-6℃-1、0.45×10-6℃-1、0.65×10-6℃-1、0.54×10-6℃-1。
圖13 摻RAP的水泥穩(wěn)定碎石(ITS=60%)溫縮系數(shù)隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化Fig. 13 Variation of temperature shrinkage coefficient of cement stabilized macadam mixed with RAP(ITS=60%)with number of temperature cycles
通過對摻加RAP和ITS的水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓試驗、彎拉試驗和溫縮試驗研究發(fā)現(xiàn):
(1)摻加ITS 有利于提高對水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度和彎拉強度,ITS 在摻量60%時無側(cè)限抗壓強度達(dá)到最大值,在摻量45%時彎拉強度達(dá)到最大值。而RAP 的摻加減小了水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度,但增加了水泥穩(wěn)定碎石的彎拉強度,并在摻量70%時取得最大值。
(2)從單一降溫過程中可知,ITS 摻量的增加會逐漸加大水泥穩(wěn)定碎石的溫縮應(yīng)變,但在溫度循環(huán)過程中,ITS 摻量45%的水泥穩(wěn)定碎石的溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)基本穩(wěn)定在某一個值,受溫度循環(huán)的影響已較小,在此摻量下-10~20 ℃溫度區(qū)間均可進(jìn)行施工。
(3)由于RAP 材料自身的性質(zhì)和多孔性等特點,所以摻加RAP 有利于穩(wěn)定水泥穩(wěn)定碎石的溫縮性能。摻量70%時水泥穩(wěn)定碎石的溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)達(dá)到最小值,并且隨著溫度的循環(huán)變化,溫縮應(yīng)變不同于其他摻量的水泥穩(wěn)定碎石,呈現(xiàn)逐漸減小的變化規(guī)律。