張立群，周 輝，崔宏環(huán)，張學(xué)峰，王晟華

（1. 河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2. 河北省高校綠色建材與建筑改造應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心， 河北 張家口 075000；3. 河北省裝配式建造與地下工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000）

0 引言

近年來，中國(guó)城市建設(shè)發(fā)展十分迅速，房屋建設(shè)、道路翻修、礦產(chǎn)的開采都會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物，如再生瀝青混合料（RAP）和鐵尾礦砂等.RAP是將舊瀝青路面經(jīng)過翻挖、回收、破碎、篩分后可以再生利用的一種固體廢棄物[1]，鐵尾礦砂是礦選后固體廢棄物[2].大量的RAP和鐵尾礦砂的堆積，不但占用土地而且對(duì)周圍環(huán)境造成污染，RAP和鐵尾礦砂的消耗亟待解決.

水泥穩(wěn)定碎石是一種很好的道路基層材料，若將RAP和鐵尾礦砂替代水泥穩(wěn)定碎石中部分的天然集料，能減少天然集料的使用，具有較好的社會(huì)效益和環(huán)境效益.中國(guó)對(duì)RAP和鐵尾礦砂作為道路基層材料做了很多研究.文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]對(duì)摻有RAP的水泥穩(wěn)定碎石的路用性能進(jìn)行了研究，表明大量RAP的摻加使混合料各項(xiàng)性能有所削弱，水泥質(zhì)量摻量5%、RAP質(zhì)量摻量60%配合，混合料強(qiáng)度為3.98 MPa，能滿足公路基層強(qiáng)度要求.文獻(xiàn)[5]～文獻(xiàn)[8]對(duì)鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行的研究表明，水泥質(zhì)量摻量4%與鐵尾礦砂質(zhì)量摻量20%配合，混合料的各項(xiàng)性能均達(dá)到最佳，并對(duì)鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度性能機(jī)理進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)[9]分析了6種不同基層材料的抗壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，并從應(yīng)變能密度的角度對(duì)水穩(wěn)碎石基層材料的路用性能進(jìn)行了評(píng)價(jià).文獻(xiàn)[10]分析摻RAP的水泥穩(wěn)定碎石的劈裂特性，揭示了RAP摻量對(duì)水穩(wěn)碎石基層材料劈裂應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)的影響規(guī)律.文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[12]在混凝土中分別摻加了鐵尾礦砂和再生輕骨料，并對(duì)其抗壓應(yīng)力-應(yīng)變特性進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[13]分析了水泥摻量對(duì)水泥土的抗壓應(yīng)力應(yīng)變特性的影響.

應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€是力學(xué)特性的綜合反應(yīng)，是受力和變形的主要依據(jù).本文對(duì)摻RAP和鐵尾礦砂的水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析水泥、RAP和鐵尾礦砂摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、模量、應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)的影響規(guī)律，揭示混合料應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和變形模量-應(yīng)變?nèi)€的變化規(guī)律，擴(kuò)大摻有二元固體廢棄物水泥穩(wěn)定碎石的研究?jī)?nèi)容，為RAP和鐵尾礦砂綜合再生利用的研究和工程應(yīng)用提供參考.

1 原材料及其技術(shù)指標(biāo)

水泥采用標(biāo)號(hào)為P.O42.5的硅酸鹽水泥，RAP為張家口市公路改造擴(kuò)建中廢舊瀝青銑刨料，鐵尾礦砂由宣化鋼鐵集團(tuán)有限公司提供，碎石和天然河砂均為自張家口當(dāng)?shù)厥蠌S生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)石料，試驗(yàn)用水為自來水.原材料的基本技術(shù)指標(biāo)見表1、表2.粗集料包括天然碎石和RAP，細(xì)集料包括天然河砂和鐵尾礦砂.

表1 粗集料主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 main technical indicators of coarse aggregate

表2 細(xì)集料的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 main technical indicators of fine aggregate

2 試驗(yàn)方案

2.1 混合料級(jí)配

水穩(wěn)碎石基層材料的設(shè)計(jì)級(jí)配見表3，級(jí)配上、下限依據(jù)文獻(xiàn)[14]中基層要求確定.

表3 設(shè)計(jì)級(jí)配Tab.3 design grading

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文將RAP替換部分1.18～19 mm天然集料，鐵尾礦砂替換部分0～1.18 mm天然河砂.水泥摻量在3%～6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），設(shè)置3種水泥摻量，分別為3%、4.5%和6%.RAP和鐵尾礦砂的摻量范圍均為0%～100%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），RAP設(shè)置5種摻量，分別為0%、25%、50%、75%和100%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）.鐵尾礦砂設(shè)置3種摻量，分別為0%、50%和100%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）.水穩(wěn)碎石基層材料共有17組配比，見表4.

表4 水穩(wěn)碎石基層材料配合比Tab.4 mixing ratio of cement stabilized macadam base materials

2.3 實(shí)驗(yàn)方法及試件的制備

對(duì)17組配合比的集料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).采用靜壓法制作直徑和高度均為150 mm的圓柱體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)6 d后，將試件放在恒溫水箱里浸水24 h后進(jìn)行7 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；為保證每個(gè)平行件相同，所有集料在制件前均要經(jīng)過篩分，并按設(shè)計(jì)級(jí)配進(jìn)行配料，每組配合比制作13個(gè)件.

3 結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和變形模量-應(yīng)變?nèi)€

圖1為應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和變形模量-應(yīng)變?nèi)€.應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€反映了試件各個(gè)受力階段的變形特點(diǎn)和破壞過程.由圖1可知，摻RAP和鐵尾礦砂的水泥穩(wěn)定碎石的全應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€OABCDE可以分為五個(gè)階段：①壓密階段（弧OA），試件剛開始受壓時(shí)，試件內(nèi)部顆粒間的空隙減小，試件逐漸被壓密.②彈性階段（弧AB），AB段的曲線近似一條斜直線，整個(gè)受力過程試件內(nèi)部沒有發(fā)生損傷.③彈塑性變形階段（弧BC），試件發(fā)生彈塑性變形，試件內(nèi)部發(fā)生損傷，到達(dá)點(diǎn)C時(shí)應(yīng)力值達(dá)到最大，點(diǎn)C的應(yīng)力為峰值應(yīng)力，ε0為峰值應(yīng)變.④應(yīng)力衰減階段（弧CD），曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，應(yīng)變變化很小，但應(yīng)力下降速度很快.⑤殘余應(yīng)力階段（弧DE），隨著應(yīng)變的增長(zhǎng)，應(yīng)力下降速度減慢，最后會(huì)穩(wěn)定到一個(gè)數(shù)值，此時(shí)的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力.

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線和變形模量-應(yīng)變曲線Fig.1 full stress and strain and Whole deformation modulus and strain

變形模量為應(yīng)力與應(yīng)變的比值.由圖1可知，變形模量-應(yīng)變?nèi)€呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)（弧O′AB′C′D′）.由于開始加載，應(yīng)力逐漸增大而應(yīng)變很小，導(dǎo)致開始階段變形模量很大，記為EM.隨著加載繼續(xù)，變形模量減小，試件逐漸密實(shí)，弧O′A為壓密階段，到達(dá)點(diǎn)A時(shí)試件的密實(shí)度達(dá)到最大.弧AB′是彈性變形階段，隨著加載的繼續(xù)變形模量增大，到達(dá)點(diǎn)B′時(shí)變形模量最大，為初始彈性模量，記為E0.弧B′C′是損傷階段，隨著加載繼續(xù)，材料內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，試件內(nèi)部出現(xiàn)損傷，變形模量逐漸減小，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，試件發(fā)生破壞，點(diǎn)C′對(duì)應(yīng)的模量為割線模量，記為EP.弧C′D′為破壞后階段，試件破壞后，隨著加載繼續(xù)，試件內(nèi)部損傷不斷增大，變形模量逐漸減小，最后趨近于0.

3.2 試件的破壞過程及形態(tài)

為進(jìn)一步了解水穩(wěn)碎石基層材料在單軸受壓情況下的破壞形態(tài)，通過錄像形式對(duì)試件的整個(gè)受壓過程進(jìn)行了記錄，試件破壞過程見圖2.

圖2 試件受壓破壞過程Fig.2 compression failure process of specimen

圖2 （a）為試件的壓密階段，當(dāng)壓力機(jī)向試件施加載荷時(shí)，試件內(nèi)部的空隙在逐漸減小，試件逐漸地被壓密，壓力機(jī)讀數(shù)變化不大，試件表面沒有明顯的變化；圖2（b）為試件的彈塑性階段，隨著加載的繼續(xù)，壓密后試件的內(nèi)部開始產(chǎn)生損傷，且損傷程度在不斷增大，試件的側(cè)面出現(xiàn)了多處細(xì)小的裂縫，裂縫不斷延長(zhǎng)、擴(kuò)展，壓力機(jī)讀數(shù)呈線性增長(zhǎng)；圖2（c）為試件的破壞階段，由于載荷的增加，水穩(wěn)碎石基層材料內(nèi)部損傷不斷增大，試件側(cè)面的裂縫不斷擴(kuò)大、縱向裂縫貫通，壓力機(jī)度數(shù)基本穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值，此時(shí)的應(yīng)力就是試件的峰值應(yīng)力，試件發(fā)生破壞，且試件的中間部分直徑增大，呈現(xiàn)鼓狀形式；圖2（d）為試件的破壞后階段，試件到達(dá)最大承載力時(shí)，繼續(xù)加載壓力機(jī)的讀數(shù)快速下降，試件表面裂縫徹底貫穿，同時(shí)會(huì)有膠結(jié)物脫落，試件徹底被壓壞.通過觀察17組不同配比試件的單軸受壓情況，發(fā)現(xiàn)不同配比試件的單軸受壓破壞過程和形態(tài)均相似.

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

根據(jù)表4設(shè)計(jì)的17組配合比制作試件，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表5.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制水泥、RAP和鐵尾礦砂摻量對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響關(guān)系圖，見圖3.

圖3 各因素?fù)搅繉?duì)應(yīng)力-應(yīng)變的影響Fig.3 influence of various factors on the stress-strain curve

表5 試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 test results

續(xù)表5

由圖3（a）可知，水泥摻量和峰值應(yīng)力呈正相關(guān)，與峰值應(yīng)變呈負(fù)相關(guān)，水泥摻量6%的峰值應(yīng)力比3%和4.5%的峰值應(yīng)力分別提高了114.9%和39.4%，峰值應(yīng)變分別降低了15.0%和4.4%，且水泥摻量越大，水穩(wěn)碎石基層材料應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段就越陡.這是因?yàn)樗嗾急仍酱螅橇祥g的膠結(jié)能力越大，生成的水化產(chǎn)物越多，試件內(nèi)部的空隙逐級(jí)被水化產(chǎn)物所填充，試件更加密實(shí)，導(dǎo)致試件的峰值應(yīng)力增大；試件密實(shí)度越大，材料的變形就越小，導(dǎo)致峰值應(yīng)變減??；應(yīng)力越大應(yīng)變?cè)叫?，材料越容易發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段就變陡.

由圖3（b）可知，RAP摻量和鐵尾礦砂摻量與峰值應(yīng)力均呈負(fù)相關(guān)， RAP摻量50%時(shí)，鐵尾礦砂摻量100%對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力比摻量50%和摻量0%的峰值應(yīng)力分別降低了7.7%和10.6%；鐵尾礦砂摻量50%時(shí)，RAP摻量100%對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力比75%、50%、25%和0%的峰值應(yīng)力分別降低了24.7%、28.2%、32.9%和36.2%.這是因?yàn)镽AP骨料的強(qiáng)度低于天然集料的強(qiáng)度，且RAP表面由瀝青包裹住，瀝青吸水性較弱，與水泥的水化反應(yīng)減弱，骨料間的膠結(jié)力減小，導(dǎo)致峰值應(yīng)力減小；鐵尾礦砂顆粒較細(xì)，單位面積下的水泥量減少，使水泥水化作用減弱，導(dǎo)致水穩(wěn)碎石基層材料的峰值應(yīng)力降低.

由圖3（c）可知，RAP摻量和鐵尾礦砂摻量與峰值應(yīng)變均呈正相關(guān). RAP摻量50%時(shí)，鐵尾礦砂摻量100%對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變比50%和0%的峰值應(yīng)變分別提高了9.3%和16.2%；鐵尾礦砂摻量50%時(shí)，RAP摻量100%對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變比75%、50%、25%和0%的峰值應(yīng)變分別提高了4.8%、9.8%、20.5%和22.6%.這是因?yàn)镽AP和鐵尾礦砂摻量的增加，均會(huì)降低水泥的水化作用，使生成的水化產(chǎn)物減少，試件內(nèi)部的微小空隙不能被充分填充，導(dǎo)致試件受壓時(shí)變形增大.

3.4 模量分析

圖4為水泥、RAP和鐵尾礦砂摻量對(duì)水穩(wěn)碎石基層材料的初始彈性模量和割線模量影響關(guān)系.由圖4（a）可知，隨著水泥摻量增加，水穩(wěn)碎石基層材料的初始彈性模量和割線模量均增大，水泥摻量6%的初始彈性模量比3%和4.5%的初始彈性模量分別提高了92.0%和56.3%，割線模量分別提高了83.1%和33.7%.說明水泥摻量的增加，水化產(chǎn)物增加，試件更加密實(shí)，水穩(wěn)碎石基層材料抵抗變形的能力增大.

由圖4（b）和圖4（c）可知，RAP和鐵尾礦摻量均與初始彈性模量和割線模量呈負(fù)相關(guān)，圖4（b）中，RAP摻量50%時(shí)，鐵尾礦砂摻量100%的初始彈性模量比0%和50%的初始彈性模量分別降低了12.6%和21.9%，割線模量分別降低了15.3%和22.1%；鐵尾礦砂摻量50%時(shí)，RAP摻量100%對(duì)應(yīng)的初始彈性模量比75%、50%、25%和0%的初始彈性模分別降低了24.2%、29.9%、38.8%和46.9%，割線模量分別降低了23.4%、29.2%、38.9%和47.3%.表明隨著RAP和鐵尾礦砂摻量的增加，水穩(wěn)碎石基層材料抵抗變形的能力減弱.

圖4 各因素?fù)搅繉?duì)模量影響Fig.4 influence of various factors on the modulus

3.5 應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)分析

應(yīng)變能密度為材料加載時(shí)試件損傷、破壞和完全失去承載能力所需要的能量.圖5為應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€中應(yīng)變能密度所占面積示意.

圖5 應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€中應(yīng)變能密度所占面積示意Fig.5 schematic diagram of the area occupied by the strain energy density in the full stress-strain curve

脆性是指試件在外力作用下發(fā)生很小的變形就發(fā)生破壞和失去承載能力的特性.根據(jù)文獻(xiàn)[15]中脆性指數(shù)為BC=Ud/Ue，脆性指數(shù)越大材料的韌性越小，在破壞后釋放的能量越劇烈.Ud為耗散應(yīng)變能，即OAB所圍成的面積，Ue為可釋放彈性應(yīng)變能，即ABC圍成的面積，直線AB是以點(diǎn)B為起點(diǎn)，以初始彈性模量E0為斜率的直線，該直線與水平軸相交于點(diǎn)A.峰值應(yīng)變能密度U0為Ud和Ue圍成的面積之和，即OBC所圍成的扇形面積，表示水穩(wěn)碎石基層材料單軸受壓破壞時(shí)需要的能量.U1為極限應(yīng)變能密度，即OBD所圍成的面積，表示水穩(wěn)碎石基層材料完全失去承載能力時(shí)所要的能量.

圖6為各因素?fù)搅繉?duì)峰值應(yīng)變能密度、極限應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)的影響關(guān)系.由圖6（a）和圖6（d）可知，隨著水泥摻量增大，峰值應(yīng)變能密度、極限應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì).水泥摻量6%時(shí)的峰值應(yīng)變能密度比3%和4.5%的峰值應(yīng)變能密度提升了68.7%和31.9%，極限應(yīng)變能密度提升了49.3%和36.2%，脆性指數(shù)提升了77.9%和36.7%.主要是因?yàn)樗鄵搅吭酱?，水穩(wěn)碎石基層材料力學(xué)性能越好，骨料之間的粘結(jié)力越強(qiáng)，試件破壞需要更多能量，同時(shí)脆性增加.

由圖6（b）、圖6（c）和圖6（d）為RAP摻量和鐵尾礦砂摻量對(duì)峰值應(yīng)變能密度、極限應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)影響關(guān)系，可知RAP摻量和鐵尾礦砂摻量與峰值應(yīng)變能密度、極限應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)，50%RAP摻量下，100%鐵尾礦砂的峰值應(yīng)變能密度比50%和0%鐵尾礦砂摻量峰值應(yīng)變能密度分別下降了21.5%和77.9%，極限應(yīng)變能密度分別下降了18.8%和40.1%，脆性指數(shù)分別降低了6.8%和10.7%.在50%鐵尾礦砂摻量下，100%RAP的峰值應(yīng)變能密度比75%、50%、25%和0%的峰值應(yīng)變能密度分別下降了7.5%、3.3%、7.9%和10.5%，極限應(yīng)變能密度分別下降了7.2%、8.6%、12.9%和14.9%，脆性指數(shù)分別下降了6.9%、9.3%、16.2%和17.4%.

圖6 各因素?fù)搅繉?duì)應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)影響Fig.6 influence of various factors on the variable energy density and brittleness index

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是RAP骨料性能小于天然集料性能，RAP摻入后混合料破壞所需要的能量必然減小，脆性指數(shù)的影響與材料的損傷過程有關(guān)，試件受壓時(shí)發(fā)生損傷，產(chǎn)生縱向裂縫，隨著加載繼續(xù)裂縫不斷擴(kuò)展，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中越明顯，脆性越大，RAP模量低于天然集料模量，RAP的增加有利于減緩集料內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而脆性指數(shù)降低，水穩(wěn)碎石基層材料的韌性提高.而鐵尾礦砂摻量增加使水泥水化作用減弱，導(dǎo)致材料性能降低，水穩(wěn)碎石基層材料破壞所需要的能力降低，脆性指數(shù)減小.

3.6 RAP和鐵尾礦砂摻量交互作用分析

為進(jìn)一步揭示RAP和鐵尾礦砂之間的交互作用對(duì)控制指標(biāo)的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、模量、峰值應(yīng)變能密度、極限應(yīng)變能密度、脆性指數(shù)進(jìn)行二因素方差分析，分析結(jié)果見表6.由表6可知，單因素B和C所對(duì)應(yīng)的σ、ε、EP、E0、U0、U1、BC的p值均小于顯著水平0.05，而B*C所對(duì)應(yīng)σ、ε、EP、E0、U0、U1、BC的p值均大于顯著水平0.05，表明RAP摻量和鐵尾礦砂摻量對(duì)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、模量、峰值應(yīng)變能密度、極限應(yīng)變能密度、脆性指數(shù)的影響顯著，而RAP和鐵尾礦砂的交互作用對(duì)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、模量、峰值應(yīng)變能密度、極限應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)的影響均不顯著，這是因?yàn)镽AP和鐵尾礦砂之間并不會(huì)發(fā)生反應(yīng).

表6 方差分析結(jié)果Tab.6 anova results

4 結(jié)論

通過對(duì)摻有RAP和鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石的受力特性的研究，得出以下結(jié)論.

（1）單軸受壓下的摻RAP和鐵尾礦砂的水泥穩(wěn)定碎石基層材料的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€有五個(gè)階段，分別為壓密階段、彈性變形階段、彈塑性變形階段、應(yīng)力衰減階段和殘余應(yīng)力階段；變形模量-應(yīng)變?nèi)€有四個(gè)階段，分別為壓密階段、彈性階段、損傷階段和破壞后階段.

（2）水泥摻量增加，水泥穩(wěn)定碎石基層材料的峰值應(yīng)力、初始彈性模量和割線模量、峰值應(yīng)變能密度、極限應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)均增大，峰值應(yīng)變減小，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€下降段越陡.

（3）RAP摻量和鐵尾礦砂摻量增加，峰值應(yīng)力、初始彈性模量和割線模量、峰值應(yīng)變能密度、極限應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)均減小，峰值應(yīng)變?cè)龃?，且RAP摻量和鐵尾礦砂摻量之間的交互作用對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層材料的應(yīng)力、應(yīng)變、模量、應(yīng)變能密度和脆性指數(shù)的影響均不顯著.