冯纪兵

摘要：为研究掺入nano-SiO2的水泥稳定冷再生基层材料性能的变化规律，将合成级配优化后，设计6种掺量配比以研究nano-SiO2对水稳冷再生基层混合料力学性能的影响。试验结果表明，掺加nano-SiO2的水稳冷再生混合料的7d、28d、90d无侧限抗压强度和90d劈裂强度均有提升，其中7d无侧限抗压强度、90d劈裂强度提升最为明显，28d、90d抗压强度也有所提升，但提升效果有限。

Abstract： In order to study the change law of the properties of cement stabilized cold recycling base materials with nano-SiO2， after optimizing the synthesis grading， six mixing ratios were designed to study the effect of nano-SiO2 on the mechanical properties of cement stabilized cold recycling base materials. The test results show that the 7d， 28d and 90d unconfined compressive strength and 90d splitting strength of the cement stabilized cold recycling mixture with nano-SiO2 are all improved. Among them， the improvement of 7d unconfined compressive strength and the 90d splitting strength were the most obvious， and the 28d and 90d compressive strength also improved， but the improvement effect was limited.

關键词：道路工程;冷再生基层;nano-SiO2;力学性能;水泥稳定

Key words： road engineering;cold recycling base;nano-SiO2;mechanical properties;cement stabilized

中图分类号：U414                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）08-0105-03

0  引言

自上世纪90年代以来，我国交通基础设施进入高速发展期，随之产生的大量废旧沥青路面材料（RAP）堆积填埋问题日益严重。近十几年来，对高等级公路RAP回收进行再生利用的理论研究和工程应用初步形成了较为完善的再生工艺和施工方法[1]，但对于占比更大的次高级公路RAP的利用效率还很低，多为简单增加再生结合料的剂量“降级”使用。纳米材料作为21世纪最有发展潜力的材料，应用于改善水泥基材料基本性能已成为当下的研究热点[2-3]。因此，将微量纳米材料掺入水泥稳定再生基层材料中以改善其路用性能，是一项对次高级公路RAP的高效回收和推广应用工作有重要意义的探索性研究。

1  原材料性能

1.1 水泥

水泥采用42.5的普通硅酸盐水泥，其参数满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）的要求，水泥参数试验结果见表1。

1.2 天然碎石

研究所用碎石采用的是石灰岩碎石。根据试验需要，采用了10-30mm、10-20mm、5-10mm、0-5mm四种规格的粗细集料。测得各档集料的参数见表2。集料各参数符合《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）中对高速、一级公路的技术要求。各档集料的筛分级配亦符合《细则》中相关规格参数。

1.3 RAP

研究所用全深式冷再生铣刨料（RAP）源自新乡某三级公路，原面层结构为5cm沥青混凝土，基层结构为30cm水泥稳定碎石，其筛分级配如表3所示。原再生料的级配整体良好，仍呈“S”型曲线，基本符合再生规范中3#级配的技术要求。RAP的基本性能试验结果为沥青含量仅为2.3%，粗集料压碎值为33.4%，吸水率为4.4%，粉粒含量达到8.5%。从该参数可以看出较大的粗集料因长期的荷载作用被压碎细化，而粒径更小的粉体逐渐增多，集料的力学性能劣化较大，部分中档集料被水泥砂浆包裹铣刨后形成水泥石，粒径增大。因此，虽然RAP铣刨料的级配良好，但因集料上包裹着大量水泥砂浆，级配粗化，粗集料的物理性能劣化、承载力降低，需要新添集料进行级配和性能改善[4-5]。

1.4 纳米SiO2

研究选用的纳米SiO2为白色粉末状颗粒，购自南京埃普瑞纳米材料有限公司，基本参数如下，纯度：99.5%，APS：25nm，SSA：230m2/g，形态：多孔球状。由技术参数可知该型纳米SiO2具有纯度高、比表面积大、粒径小的特点。小尺寸的纳米材料具有优异的活化性能，目前的研究表明很少的掺量即能对水泥基材料的力学性能有着显著的改善效果[6]。

纳米SiO2极易团聚的特性使得其在水泥基材料中不易分散[7]。本文采用水系溶液分散法，将纳米SiO2粉末加入去离子水溶液中搅拌溶解后使用超声波纳米材料分散器进行超声分散8min处理得到匀质纳米SiO2分散液作为水稳冷再生混合料的拌合用水。将该分散液静置2h～6h同步对比未经超声分散手动搅拌8min的基准组发现，分散均匀性和稳定性提升显著，聚沉现象发生缓慢，沉积凝胶较少。考虑道路工程推荐的水泥初凝时间≥3h，终凝时间宜≥6h的时间范围，在水稳冷再生混合料凝结成型期间，纳米SiO2粒子能维持较好的分散状态，进而提升对水稳再生基层性能的改善效果。

2  混合料组成

采用试算法调整各档集料掺配比例，依据《公路沥青路面再生技术规范》的级配要求，并参照《公路沥青路面设计规范》中对骨架密实型结构的级配推荐范围设计混合料的组合级配，得到各档材料掺配比例如下，RAP∶10-30mm碎石∶10-20mm碎石∶5-10mm碎石∶0-5mm石屑=50%∶14%∶14%∶12%∶10%，得到组合级配如表3所示。该配比中RAP掺量较高达到50%，有效的循环利用了原有冷再生废料，有利于改扩建公路的造价控制。采用骨架密实型结构形态，在有效提高水稳冷再生基层的力学性能的同时还有显著提升基层材料的抗裂和抗冲刷性的效果。对水泥剂量的选定考虑了4%、5%、6%三种水泥掺量，通过更接近工程实际的振动压实法得到最大干密度、最优含水率分别为：2.142g/cm3、6.8%，2.184g/cm3、7.2%，2.178g/cm3、7.5%。根据7d无侧限抗压结果并考虑水泥稳定碎石基层水泥掺量一般应不超过6%，最终选定水泥剂量为5%。即混合料的最大干密度为2.184g/cm3，最优含水率为7.2%。纳米SiO2的掺比设计为0%、1%、2%、3%、4%、5%六个掺量，以质量分数内掺法取代等量水泥计算用量，维持结合料的总量不变。

3  试验方法

3.1 试件制备

混合料试件为采用振动成型法成型的直径150×150mm圆柱体试件。成型过程中装模质量根据振动压实试验得到的最大干密度和最优含水率计算，压实度要求为98%。

3.2 测试方法

试验方法主要依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）。其中混合料最大干密度及最优含水率试验参照 T 0842-2009进行;无侧限抗压强度试验参照 T 0805-1994进行，试件养生龄期分别为7d、28d、90d;劈裂强度试验参照 T 0806-2009进行，试件龄期为90d;试件均在温度为20℃±2℃、湿度为≥95%的标准环境下养生。试件成型后用塑料薄膜包裹，龄期最后一天将试件浸水24h。

4  试验结果与分析

试验包括不同纳米SiO2掺量的冷再生混合料的7d、28d、90d无侧限抗压强度试验、90d间接抗拉（劈裂）强度试验。

4.1 无侧限抗压强度试验

4.1.1 纳米SiO2掺量对无侧限抗压强度的影响

当水泥稳定冷再生混合料的水泥剂量是5%时，不同纳米SiO2掺量对应试件7d、28d和90d无侧限抗压强度的试验结果及影响规律见表4及图1。

由表4数据可知，随着纳米SiO2在水稳冷再生混合料中所占质量分数的增加，成型试件的7d、28d和90d无侧限抗压强度均有增加。从7d养生龄期看，掺加1%掺量的纳米SiO2即能显著增加试件的抗压强度。相比未掺加纳米SiO2材料的试件，掺量为1%、2%、3%、4%、5%的试件7d无侧限抗压强度分别提高了8.4%、20.9%、26.1%、27.6%、26.6%，其中1%～2%掺量试件的强度增长最快;28d的抗压强度分别提高了4.2%、7.5%、9.4%、10.1%、8.9%;90d的抗压强度分别提高了1.8%、3.2%、4.4%、4.1%、2.7%。由图1的影响曲线可以直观的看出，纳米SiO2掺量≤2%时，抗压强度的提高上升最快，掺量范围为2%～4%时，对抗压强度的提升幅度明显减弱，掺量增加到5%时抗压强度的提升效果开始降低。

上述试验结果表明当纳米SiO2掺量较低时，纳米粒子在混合料中分布比较分散，浓度较低，且与水泥颗粒未能充分接触，这导致纳米SiO2粒子一方面不能有效发挥填充作用，对水泥砂浆及再生骨料中的微细孔洞和细纹缺陷等未能进行填充密实，另一方面未能对水泥颗粒进行充分活化促进水化产物大量生长，故抗压强度虽提升效果可观，但改善有限。随着纳米SiO2掺量增加，其对水泥胶凝材料力学性能的改善作用逐渐明显，一部分纳米粒子发揮高活性、纳米尺度效应改善再生混合料中对路用性能不利的蓬松孔、微细纹裂隙等，使混合料强度生长薄弱的过度界面缝隙更小、粘结力更强，水泥砂浆固结的再生细料微孔被填充，密实度进一步加强;再者纳米SiO2对水泥水化产物生成有显著增强和引导作用，增加了水化产物晶体的密度和数量。当掺量增大到一定质量分数时，纳米SiO2粒子密度进一步增大，分散粒子开始团聚，部分为起到填充和促进作用的粒子出现“冗余”，加之水泥水化产物晶体错杂生长，部分晶体相互穿插堆叠发生断裂破坏，故而随着纳米SiO2掺量增加到一定比例后（如本文中的4%“拐点”），抗压提升效果会出现下降甚至对抗压强度起负面效果。

4.1.2 龄期对无侧限抗压强度的影响

结合表4数据和图1曲线可知，掺加纳米SiO2对水稳冷再生混合料各龄期试件无侧向抗压强度均有提高，但表现出对早期抗压强度的提升效果更为明显，对90d抗压强度的改善已无明显提升。从掺量上看，纳米SiO2质量分数的递增对于7d、28d和90龄期抗压强度的影响趋势基本相同，呈现为“增强幅度先快后慢再降低”的曲线形式，即都存在“饱和拐点”，但拐点掺量并不一致。