水泥稳定碎石强度(水泥稳定再生碎石无侧限抗压强度的正交试验研究)

Posted 2023-05-30

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水泥稳定碎石强度(水泥稳定再生碎石无侧限抗压强度的正交试验研究)

朱挺 赵建明 陈晓清 蔡哲栋 梁超锋

绍兴市城投再生资源有限公司 绍兴市城市建设投资集团有限公司 绍兴文理学院土木工程学院

摘 要：以水泥掺量、级配和压实度为研究变量，采用SPSS20.0软件进行正交试验设计和数据处理，研究各因素水平对水泥稳定再生碎石结合料的7 d无侧限抗压强度的影响。研究结果表明：各因素对无侧限抗压强度的影响程度由大到小排列为水泥掺量、压实度和级配。随着水泥掺量和压实度的增加，无侧限抗压强度增加。级配对于抗压强度的影响并不显著，在合理范围内级配偏粗有助于提升结合料的无侧限抗压强度。

关键词：水泥稳定再生碎石;水泥掺量;级配;压实度;正交试验;

基金：浙江省自然科学基金项目，项目编号LGF22E080035;住房与城乡建设部科技研发项目，项目编号2021-K-123;浙江省建设科研项目，项目编号2020K152;

随着我国大规模道路建设和改造升级，道路拆除后产生的固废数量呈现几何量级增加趋势。截至2016年，我国道路拆除的建筑垃圾存量已达80亿t, 占整个建筑垃圾的1/10[1];另一方面，天然砂石由于过度开采，资源已日益短缺。2018年12月29日，国务院办公厅印发了关于“无废城市”建设试点工作方案的通知。对此，结合创建“无废城市”建设方案，将现有道路基层水泥稳定碎石结构的拆除固废加以再生利用可以有效解决上述问题。

目前境内外学者对建筑拆除集料再利用研究较多[2,3,4],但对道路拆除固废较少关注，并且主要集中在水泥混凝土路面板拆除料的再利用上。高启聚等[5]研究得出路面水泥混凝土再生集料具有良好的路用性能，可用于半刚性基层。陈玉等[6]将沥青混凝土路面破碎作为再生骨料制备混凝土，测试其力学和热学性能，并通过限元分析软件得出再生混凝土路面系统的性能与常规混凝土路面相仿的结论。李强等[7,8]采用不同方式对水泥混凝土路面板破碎骨料进行强化处理，提高了骨料的工程特性，改善了水泥稳定碎石的力学强度。

水泥稳定碎石基层作为一种半刚性的基层材料，具有整体性好、强度高、透水性小的特点[9,10]。通过水泥稳定粒料专业粉碎设备，可以实现对大块体的水泥稳定层拆除料的全自动破碎筛分，得到粒径合适的再生料。水泥稳定再生碎石材料路用性能影响因素众多，鲜有关于水泥掺量、压实度和骨料级配等因素水平对水泥稳定材料强度影响的研究报道。

本研究依托绍兴市二环北路改扩建工程，测试了再生碎石的基本性能，利用SPSS20.0(Statistical Product and Service Solutions)软件设计正交试验并分析水泥掺量、级配和压实度各参数水平对水泥稳定再生碎石结合料的7 d无侧限抗压强度影响，为道路水泥稳定层拆除料的再利用提供技术支持。

1 试验概况

1.1试验材料

试验采用PO42.5R普通硅酸盐水泥、再生碎石集料及自来水等原材料。现场水泥稳定层拆除情况如图1所示，再生碎石集料由水泥稳定基层拆除块体破碎筛分而来。再生碎石集料按《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)进行测试，其性能指标见表1。根据《建筑固体废弃物在城市道路中应用技术指南》(DBCJ 008-2017)和《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)对于再生集料的分档技术指标要求，再生碎石集料可以归档为Ⅰ类骨料，满足一、二等级公路的基层和底基层集料技术指标要求。

图1 水泥稳定碎石拆除料 下载原图

表1 再生碎石集料性能 导出到EXCEL

注：按JTG E42-2005,压碎值指标标准试样为公称粒级9.5～13.2 mm的颗粒。

1.2级配设计

按《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)对于二级及以下公路的规定，级配碎石用于基层时，碎石公称最大粒径应不大于31.5 mm。结合《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中对于二级及以上公路基层和底基层的级配碎石备料要求，进行4档备料，分别为：XG3(0～3 mm);G11(5～10 mm);G8(10～20 mm);G2(20～30 mm)。一般理论计算骨料级配很难直接用于工程，实际使用时往往根据路面的结构组成及混合料的使用部位对级配做不同的调整；另外考虑到再生碎石和天然石料的性能差异，因而级配设计采用《道路用建筑垃圾再生骨料无机混合料》(JC/T 2281-2014)推荐的范围。本试验研究的3种不同级配(上限、中值、下限)设计情况见表2。

表2 再生碎石集料级配设计情况 导出到EXCEL

1.3试件制作及加载

每组分别制备3个平行试件，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)采用静压法制备ϕ150 mm×150 mm 的圆柱体试件。试件制备完成后，用塑料袋进行密封包裹，放入温度(20±2)℃、湿度 95% 以上的标准养护室养护6 d, 第7 d浸水养护。取出浸水试件，用软布吸去表面水分。将试件放在加载台上，控制加载速度为1 mm/min, 测试试件的无侧限抗压强度。

1.4正交试验设计及结果

正交试验设计是研究多因素多水平影响的一种试验设计方法，而SPSS 软件可以设计正交试验并分析结果，输出简洁直观的结果报告。根据相关规范要求和实际工程施工情况，本试验研究水泥掺量(3%、4%、5%、6%、7%)、级配(上限、中值、下限)和压实度(93%、95%、97%)各因素水平对于水泥稳定再生碎石结合料的无侧限抗压强度影响。SPSS得到的正交试验方案和结果见表3。

2 试验结果及分析

2.1多因素方差分析

利用SPSS22.0软件对水泥稳定再生碎石结合料的7 d无侧限抗压强度正交试验结果进行方差分析，主体间效应的检验结果见表4。在不考虑各因素间交互作用的情况下，水泥掺量和压实度对无侧限抗压强度的影响更加显著。其次由Ⅲ型平方和比较可知，各因素对无侧限抗压强度的影响程度大小顺序为水泥掺量>压实度>级配，其中水泥掺量占主导因素。以压实度为95%、级配下限的组合为例，掺入6%水泥的7 d无侧限抗压强度约是3%水泥掺量的1.6倍，分别是4.50 MPa和2.76 MPa, 均满足作为轻交通(二级以下)公路的基层材料大于2.5 MPa的要求。

表3 正交试验方案和结果 导出到EXCEL

表4 主体间效应的检验 导出到EXCEL

注：相关系数R2 =0.656。

2.2单因素统计分析

2.2.1水泥掺量(A)因素分析

针对7 d无侧限抗压强度的水泥掺量因素，其统计和各水平配对分析结果见表5和表6。由表5可见，无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加而增大，7%的水泥掺量强度平均值约为3%时的1.5倍。水泥掺量从3%到4%的提升效果最为明显，7 d无侧限抗压强度约提高了20%。之后随着水泥掺量的增加强度提升效果趋缓，水泥掺量从6%到7%,提升仅为2%。由表6可见，除6%和7%、4%和5%两组外各水泥掺量显著性特征值均明显小于0.05,对于7 d无侧抗压强度影响显著。这是由于水泥稳定再生碎石结合料的黏结力主要来自水泥水化后的胶结作用，水化产物如水化硅酸钙(C-S-H)和钙矾石将混合料中的颗粒与颗粒之间连结加固，填充孔隙后变得密实，形成一个“坚实的整体”逐渐产生一定的强度。然而在实际施工过程中水泥掺量不宜过大，否则随着水泥掺量增加将使干缩加剧，进而导致路面初期裂缝增加，最终导致路面过早破坏[11,12]。

表5 单因素水泥掺量统计分析 导出到EXCEL

表6 单因素水泥掺量各水平配对分析 导出到EXCEL

2.2.2级配(B)因素分析

针对7 d无侧限抗压强度的级配因素，其统计和各水平配对分析结果见表7和表8。不同级配与无侧限抗压强度关系如图2所示。各级配的7 d无侧限抗压强度影响程度大小顺序为级配下限>级配中值>级配上限，在一定范围内再生碎石级配偏粗有助于提升无侧限抗压强度。然而从平均值可以发现，级配对于7 d无侧限抗压强度的提升效果并不显著。其中以压实度为95%、水泥掺量为3%的组合为例，级配下限的7 d无侧限抗压强度仅为级配上限的1.05倍。由表8可见，各级配之间的显著性特征值均大于或者接近0.05,表明级配差异对于7 d 无侧限抗压强度有影响但不是决定性因素。这可能是由于在一定的范围内级配偏粗有助于形成排列紧密的多级空间骨架结构，发挥粗集料骨架的镶嵌作用[12,13];其次，再生粗骨料之间的内摩阻力也是水泥稳定碎石强度的一个主要来源。

表7 单因素级配统计分析 导出到EXCEL

表8 单因素级配各水平配对分析 导出到EXCEL

2.2.3压实度(C)因素分析

针对7 d无侧限抗压强度的压实度因素，其统计和各水平配对分析结果见表9和表10。不同压实度下结合料的7 d无侧限抗压强度变化如图3所示。7 d无侧限抗压强度随着压实度增加而增大。从平均值来看，压实度从93%增加到95%,再增加到97%,相对于93%压实度时7 d无侧限抗压强度分别提升了约20%和31%,提升幅度趋缓。这可能是因为经过道路基层铣刨和破碎筛分等工序后，过程中不可避免会对再生料造成损伤；其次，再生料上附着的沥青和水泥砂浆都会降低再生料自身品质。相对于天然碎石，再生料则显得更加“脆”,过高的压实度可能会将一部分再生料压碎，进而影响抗压强度的提升。由表10可见，各个压实度的显著性特征值均小于0.05,说明压实度对于无侧限抗压强度的影响显著。7 d无侧限抗压强度随着压实度的增加而不断增大，骨料之间的黏结更加紧密，使得试件内部变得密实，从而具有较高的强度和刚度。

图2 级配对无侧限抗压强度的的影响 下载原图

表9 单因素压实度统计分析 导出到EXCEL

表10 单因素压实度各水平配对分析 导出到EXCEL

图3 压实度对无侧限抗压强度的影响 下载原图

3 结语

(1)道路水泥稳定碎石基层结构拆除料可归档为Ⅰ类再生骨料，满足一、二等级公路的基层和底基层集料技术指标要求，可以作为轻交通(二级以下)公路的基层材料。

(2)相对于级配，水泥掺量和压实度对水泥稳定再生碎石结合料的7 d无侧限抗压强度影响更加显著，且影响程度大小顺序为水泥掺量>压实度>级配。

(3)水泥稳定再生碎石结合料的7 d无侧限抗压强度随水泥掺量增加而增大，而实际施工过程中水泥掺量不宜过大，以免在后期易产生裂缝。

(4)不同级配的水泥稳定再生碎石结合料7 d无侧限强度的影响程度大小顺序为级配下限>级配中值>级配上限，在一定范围内再生碎石级配偏粗有助于提升结合料的7 d无侧限抗压强度，但是级配差异对提升效果并不显著。

(5)水泥稳定再生碎石结合料的7 d无侧限抗压强度随着压实度的增加而增大，而提升幅度会趋缓。

参考文献

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