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(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093; 2.嘉興市高新交通技術(shù)測(cè)評(píng)研究院 嘉興 314001;3.浙江省嘉興市公路管理局 嘉興 314001)

半剛性基層瀝青路面是我國(guó)公路的主要結(jié)構(gòu)形式,長(zhǎng)期奉行的“強(qiáng)基薄面”的設(shè)計(jì)方針片面強(qiáng)調(diào)半剛性基層的強(qiáng)度.無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料基層強(qiáng)度愈高,產(chǎn)生開裂的可能性愈大.而這些產(chǎn)生不同裂縫病害的基層采用水泥穩(wěn)定半剛性材料再生時(shí),基層的強(qiáng)度仍主要依靠無(wú)機(jī)結(jié)合料劑量,基層板體強(qiáng)度過(guò)高產(chǎn)生開裂病害的根源并沒有解決[1-4].于是提出了全深式水泥穩(wěn)定再生基層方法,將老路的瀝青面層和基層(或部分基層)一并銑刨后與無(wú)機(jī)穩(wěn)定劑就地拌合(或廠拌),形成全深式再生集料,碾壓成型后成為新路面的基層或底基層[5].該工藝的初衷主要是利用舊瀝青混凝土中舊瀝青的柔性減緩半剛性基層的剛度,提高半剛性基層抗干燥收縮能力,避免或緩解半剛性基層普遍存在的開裂病害[6-7].

全深式再生基層材料包括RAP和RBP等原材料,RAP指舊瀝青路面的面層銑刨料,RBP指舊瀝青路面的基層銑刨料.在實(shí)際工程應(yīng)用中,再生混合料設(shè)計(jì)方法仍沿用水穩(wěn)混合料的設(shè)計(jì)方法,將舊瀝青混凝土與半剛性基層材料進(jìn)行級(jí)配合成,未考慮舊瀝青裹附的礦料與單純礦料的差異,導(dǎo)致面層和基層材料復(fù)合使用時(shí)路用性能不佳.本文提出了針對(duì)水泥穩(wěn)定再生混合料“以半剛性材料為骨架,瀝青面層細(xì)集料作為嵌擠填充的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)”的概念,通過(guò)采用不同級(jí)配類型,展開RAP替代RBP試驗(yàn),分析舊瀝青面層材料與半剛性基層材料的最佳結(jié)合形式,探討舊瀝青混凝土對(duì)水泥穩(wěn)定再生混合料性能的改善機(jī)制.

1 原材料屬性與分析方法

1.1 原材料屬性

料源取自大中修養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目某路段,原路面結(jié)構(gòu)形式為5 cm瀝青面層+17 cm水穩(wěn)碎石基層.銑刨機(jī)從上至下分別對(duì)瀝青面層和半剛性基層進(jìn)行破碎,得到舊瀝青面層和半剛性基層破碎料.對(duì)半剛性基層破碎料進(jìn)行篩分,按照《公路水泥穩(wěn)定碎石基層振動(dòng)成型法施工技術(shù)規(guī)范》(DB 33T836-2011) 5.2中5級(jí)配、 《公路瀝青路面基層再生技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-2000) 5.6.2中1號(hào)級(jí)配,分別合成骨架密實(shí)級(jí)配和懸浮密實(shí)級(jí)配的純基層再生混合料,E1和E2中摻加RAP的質(zhì)量為0%,級(jí)配結(jié)果如表1所示.對(duì)舊瀝青面層破碎料進(jìn)行篩分分檔,分為0～2.36 mm,2.36～4.75 mm,4.75～19 mm,19～31.5 mm 4檔集料,瀝青面層破碎料經(jīng)抽提后計(jì)算得到油石比為3.7%.試驗(yàn)中添加劑采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥.

表1 純基層集料的合成級(jí)配Tab.1 Gradation of base aggregate

1.2 RAP替代RBP的合成級(jí)配

將骨架密實(shí)級(jí)配和懸浮密實(shí)級(jí)配的水穩(wěn)碎石再生集料分為4組,對(duì)0～2.36 mm,2.36～4.75 mm,4.75～19 mm,19～31.5 mm 4種粒徑范圍的水穩(wěn)碎石集料,用RAP對(duì)RBP進(jìn)行相同粒徑范圍和相同質(zhì)量的替換.由于19～31.5 mm粒徑范圍的集料在混合料中所占比例最小,因此,取該檔集料占混合料的質(zhì)量比為統(tǒng)一替代質(zhì)量,本試驗(yàn)中取20%,RAP替換RBP后再生混合料的級(jí)配如表2和表3所示(見下頁(yè)).

表2 再生混合料合成級(jí)配1Tab.2 Gradation 1 of regeneration mixtures

表3 再生混合料合成級(jí)配2Tab.3 Gradation 2 of regeneration mixtures

1.3 最大干密度和最佳含水量

本文按5%的水泥劑量,根據(jù)現(xiàn)行《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)中“無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實(shí)試驗(yàn)方法”T0804-1994的“丙”方法進(jìn)行,對(duì)不同合成級(jí)配的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),獲得含水量-干密度關(guān)系曲線,確定最佳含水量與最大干密度.試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

表4 再生混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Compaction test result of regeneration mixtures

1.4 分析方法

a.無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).對(duì)上述各種混合料分別根據(jù)擊實(shí)結(jié)果確定最佳含水量和最大干密度,水泥劑量(質(zhì)量摻量)為5%,通過(guò)靜壓法成型150 mm×150 mm的圓柱體試件,在相對(duì)濕度為96%、溫度為20 ℃的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行7 d養(yǎng)生.將完成養(yǎng)護(hù)后的試件浸水一天,從水中取出后用軟布吸去試件表面可見水,將試件放在WE-600B液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)升降臺(tái)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),加壓速度取0.1～0.2 kN/S.以3個(gè)試件測(cè)試值的平均值作為該組試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果代表值,按下式計(jì)算得

式中:Rc為試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,MPa;P為試件破壞時(shí)最大壓力,N;A為試件的截面積,mm2;D為試件的直徑,mm.

b.抗壓回彈模量試驗(yàn).試驗(yàn)所用試件的成型、養(yǎng)護(hù)方法與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)相同,測(cè)試采用頂面法進(jìn)行抗壓回彈模量的測(cè)定.將試件放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)升降臺(tái)上,千分表的表架固定在試驗(yàn)臺(tái)上試件對(duì)稱的兩側(cè).試驗(yàn)時(shí)加載板上的計(jì)算單位壓力用0.5～0.7 MPa,加壓速度取0.1～0.2 kN/S.以3個(gè)試件測(cè)試值的平均值作為該組試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果代表值,按下式計(jì)算得

式中:E為試件的抗壓回彈模量,MPa;p為單位壓力,MPa;H為試件的高度,mm;l為試件的回彈變形量,mm.

c.干燥收縮試驗(yàn).干縮變形的測(cè)試采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的梁式試件,試件均以最佳含水量、最大干密度和98%的壓實(shí)度靜壓成型.4種配合比各成型2組,分別用于測(cè)試7 d,28 d失水率和干縮應(yīng)變,每組3個(gè)平行試件的平均值作為該組試件收縮變形試驗(yàn)結(jié)果代表值,干縮系數(shù)αd按下式計(jì)算

式中:αd為試件的干縮系數(shù),10-6/%;ωi,ωi+1分別為相鄰兩測(cè)點(diǎn)測(cè)定的試驗(yàn)含水量,%;εi,εi+1分別為相鄰兩測(cè)點(diǎn)試件的干縮應(yīng)變,10-6.

d.立式顯微鏡觀察.不同配合比成型養(yǎng)護(hù)完成后的試件放在陰涼處干燥一周,再用切割機(jī)對(duì)柱狀試件進(jìn)行橫向切片,切片時(shí)盡量在RAP與RBP交接集中處切割,采用Carl Zeiss立式顯微鏡分別對(duì)切片斷面的不同部位進(jìn)行觀察,觀察水泥石與不同粒徑RAP集料的界面狀態(tài).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 骨架密實(shí)級(jí)配的再生混合料試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1強(qiáng)度與模量

試驗(yàn)結(jié)果見圖1～3.

從圖1～3可知,對(duì)于骨架密實(shí)級(jí)配,礦料之間以粗集料形成骨架結(jié)構(gòu),細(xì)集料起填充空隙作用[8-9].RAP替換不同粒徑RBP后的再生混合料,強(qiáng)度和模量相對(duì)于純水泥穩(wěn)定碎石再生混合料有不同程度降低,表明礦質(zhì)集料表面裹附的瀝青阻礙了礦質(zhì)集料之間的強(qiáng)度黏結(jié),對(duì)再生混合料的整體強(qiáng)度有削弱作用.對(duì)比分析圖1～3可知:

a.與純水泥穩(wěn)定碎石再生混合料相比,用RAP替換粒徑19～31.5 mm和4.75～19 mm的RBP后,再生混合料的強(qiáng)度和模量明顯降低,說(shuō)明RAP粗集料作為骨架結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)混合料的整體強(qiáng)度和剛度不利,水泥水化產(chǎn)物與舊瀝青之間不能形成黏結(jié)強(qiáng)度,也難以穿透舊瀝青層與礦質(zhì)集料形成黏結(jié),骨料之間不能形成牢固的支撐結(jié)構(gòu).用RAP替換粒徑0～4.75 mm和4.75～9.5 mm的RBP后,再生混合料的強(qiáng)度和模量降低幅度較小,此時(shí)水泥水化產(chǎn)物可以對(duì)粒徑較小的RAP形成完全或部分裹附,從而產(chǎn)生強(qiáng)度來(lái)源,說(shuō)明RAP細(xì)集料以填充形式存在對(duì)再生混合料強(qiáng)度影響較小.

b.對(duì)于RAP細(xì)集料,A-1的強(qiáng)度和模量略小于B-1,主要原因是RAP表面有舊瀝青的裹附,粒徑為0～2.36 mm的RBP集料主要以剝落的瀝青顆粒和被破碎的瀝青礦質(zhì)料組成,1.18 mm以下的細(xì)料極少,混合料空隙難以被充分填充,因此,再生混合料強(qiáng)度和模量都有所降低.

圖1 骨架密實(shí)級(jí)配再生混合料的抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of skeleton dense gradation recycled mixture

圖2 骨架密實(shí)級(jí)配再生混合料的劈裂強(qiáng)度Fig.2 Splitting strength of skeleton dense gradation recycled mixture

圖3 骨架密實(shí)級(jí)配再生混合料的回彈模量Fig.3 Resilient modulus of skeleton dense gradation recycled mixture

c.RAP替代細(xì)集料的混合料A-1和B-1,與RAP替代粗集料的混合料C-1和D-1相比,A-1,B-1的強(qiáng)度和模量高于C-1,D-1,這主要是由骨料在混合料中的結(jié)構(gòu)粒徑所決定,舊瀝青混凝土中粗集料不利于承擔(dān)再生混合料骨架結(jié)構(gòu),水泥水化產(chǎn)物也難以穿透瀝青膜形成強(qiáng)度,細(xì)集料作為填充狀態(tài)對(duì)再生混合料的強(qiáng)度降低幅度較小.因此,舊瀝青半剛性基層路面進(jìn)行全深式再生施工時(shí),舊瀝青混凝土以細(xì)集料形式合成再生混合料,對(duì)基層的整體強(qiáng)度有利.

2.1.2干縮性能

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 骨架密實(shí)級(jí)配再生混合料的干縮系數(shù)Fig.4 Shrinkage coefficient of skeleton dense gradation recycled mixture

由圖4試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,隨著RAP替代RBP粒徑的逐漸增大,水泥穩(wěn)定再生混合料的干縮系數(shù)表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì).粒徑為2.36～4.75 mm的RAP替代RBP后的再生混合料干縮系數(shù)最小,說(shuō)明2.36～4.75 mm的RAP有利于降低再生混合料的干縮應(yīng)變,這主要是半剛性材料內(nèi)部的空隙被裹附瀝青的礦料擠占,引起干縮的作用粒的作用范圍減小,從而干縮系數(shù)減小幅度較明顯[10].當(dāng)RAP替代RBP的粒徑大于4.75 mm,隨著RAP粒徑增大,再生混合料的干縮系數(shù)逐漸增大,與純水泥穩(wěn)定碎石再生混合料的干縮系數(shù)相比差異較小,此時(shí)的RAP不能對(duì)RBP的空隙形成柔性填充,因此,粒徑大于4.75 mm的RAP對(duì)再生混合料干縮性能的改善作用較弱.

從養(yǎng)護(hù)齡期來(lái)看,隨著齡期的增長(zhǎng),再生混合料的干縮系數(shù)都有明顯降低.當(dāng)齡期超過(guò)7 d后,干縮系數(shù)隨齡期增長(zhǎng)而降低較緩慢.這與普通水泥穩(wěn)定再生混合料的規(guī)律一致,表明基層材料成型完成后的7 d內(nèi),采取防止基層含水量過(guò)快損失的措施,對(duì)減小再生混合料的干縮應(yīng)變有利.

2.2 懸浮密實(shí)級(jí)配再生混合料的試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1強(qiáng)度與模量

試驗(yàn)結(jié)果見圖5～7.

由圖5～7可知,對(duì)于懸浮密實(shí)級(jí)配,小一檔粒徑集料將大一檔粒徑集料擠開,大顆粒集料以懸浮狀態(tài)處于較小顆粒集料之間.試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著替換的舊瀝青礦料粒徑增大,再生混合料強(qiáng)度和剛度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì).對(duì)比圖5～7可知:

圖5 懸浮密實(shí)級(jí)配再生混合料的抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength of suspended dense gradation recycled mixture

圖6 懸浮密實(shí)級(jí)配再生混合料的劈裂強(qiáng)度Fig.6 Splitting strength of suspended dense gradation recycled mixture

圖7 懸浮密實(shí)級(jí)配再生混合料的回彈模量Fig.7 Resilient modulus of suspended dense gradation recycled mixture

a.采用懸浮密實(shí)級(jí)配的再生混合料,RBP集料被相同粒徑的RBP集料替代后對(duì)應(yīng)的混合料,整體低于骨架密實(shí)級(jí)配的再生混合料的強(qiáng)度和模量.由于懸浮密實(shí)級(jí)配為逐級(jí)填充的連續(xù)型密實(shí)級(jí)配,單一粒徑的集料對(duì)再生混合料的強(qiáng)度影響較小.

b.隨著RAP替代RBP粒徑的逐漸增大,再生混合料的強(qiáng)度和模量逐漸降低.替換粒徑范圍為19～31.5 mm和9.5～19 mm的再生混合料強(qiáng)度和模量均較低,說(shuō)明RAP粗集料對(duì)再生混合料的強(qiáng)度和模量影響顯著,RAP以粗集料形式存在時(shí)不利于混合料的路用性能.

c.從養(yǎng)護(hù)齡期來(lái)看,采用懸浮密實(shí)級(jí)配,RAP替換不同粒徑RBP后的再生混合料,與骨架密實(shí)級(jí)配再生混合料的強(qiáng)度、模量增長(zhǎng)規(guī)律相似,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,再生混合料的強(qiáng)度和模量均逐漸增大.

2.2.2干縮性能

試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.

圖8 懸浮密實(shí)級(jí)配再生混合料的干縮系數(shù)Fig.8 Shrinkage coefficient of suspended dense gradation recycled mixture

從圖8可以看出,對(duì)于懸浮密實(shí)級(jí)配,隨著RAP替代RBP粒徑的逐漸增大,再生混合料的干縮系數(shù)逐漸增加,表明RAP集料粒徑較小,有利于提高再生混合料的抗干燥收縮能力,這與骨架密實(shí)級(jí)配的干縮試驗(yàn)結(jié)果相同.從養(yǎng)護(hù)齡期上看,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),RAP替代不同粒徑RBP后的再生混合料干縮系數(shù)都有減小趨勢(shì).

2.3 RAP與RBP界面表觀分析

針對(duì)骨架密實(shí)級(jí)配對(duì)RAP替換相同粒徑范圍RBP后的再生試件,通過(guò)電子顯微鏡對(duì)不同粒徑RAP與RBP結(jié)合處進(jìn)行觀察,試驗(yàn)結(jié)果如圖9～12所示.

圖9 DRAP≤2.36 mm的混合料界面Fig.9 Mixture interface of DRAP≤2.36 mm

圖10 2.36 mm

圖11 4.75 mm

圖12 19 mm

從圖9～12看以看出,隨著RAP替代RBP粒徑的增大,RAP與RBP通過(guò)水泥穩(wěn)定形成再生混合料的“黑白”界面越來(lái)越明顯,黑白界線即是舊瀝青混凝土材料與半剛性基層材料的交界面,該界面部位是再生混合料強(qiáng)度的薄弱面[11-14].當(dāng)RAP替代粒徑小于2.36 mm,RAP以細(xì)集料狀態(tài)存在被水泥水化產(chǎn)物全部裹附;當(dāng)RAP替代粒徑在2.36～4.75 mm,RAP部分裹附或填充,RAP與RBP呈現(xiàn)混融狀態(tài);當(dāng)RAP替代粒徑大于4.75 mm后,RAP與RBP的結(jié)合界面的分界逐漸明顯,此時(shí)RAP與RBP未能較好地填充結(jié)合.說(shuō)明再生混合料中RAP粒徑越大,RAP與RBP結(jié)合界線越明顯,再生混合料的穩(wěn)定性越差,當(dāng)RAP和RBP充分融合的狀態(tài)即是再生混合料的最佳狀態(tài).

3 結(jié)束語(yǔ)

基于水泥穩(wěn)定的RAP與RBP合成再生混合料,采用骨架密實(shí)級(jí)配再生混合料的強(qiáng)度、模量和抗干縮性能明顯優(yōu)于懸浮密實(shí)級(jí)配,特別是采用骨架密實(shí)級(jí)配,2.36～4.75 mm范圍的RBP被RAP替代后,抗干縮能力有明顯的提高,有利于緩解水泥冷再生基層板體強(qiáng)度過(guò)高造成的后期干縮裂縫病害.9.5～31.5 mm粒徑對(duì)于骨架密實(shí)級(jí)配和懸浮密實(shí)級(jí)配都屬于骨架結(jié)構(gòu)粒徑,RAP替代RBP后的再生混合料整體強(qiáng)度、模量相對(duì)較低,表明當(dāng)舊瀝青面層摻量一定時(shí),再生混合料中舊瀝青集料粒徑不宜過(guò)大.

采用不同的級(jí)配類型對(duì)RAP與RBP合成的再生混合料進(jìn)行設(shè)計(jì),有研究認(rèn)為舊瀝青混凝土的摻量越高,再生混合料的強(qiáng)度和模量越低,而通過(guò)增加水泥劑量提高水泥穩(wěn)定材料的強(qiáng)度,容易導(dǎo)致混合料后期較大的干縮變形.本文通過(guò)控制RAP在合理的摻量范圍內(nèi),同時(shí)控制RAP的粒徑在2.36～4.75 mm,允許再生混合料的強(qiáng)度適當(dāng)降低,提高抗干燥收縮能力,是充分利用舊瀝青混凝土的柔性來(lái)減緩水泥板體剛度過(guò)大的一種理想的方法.但考慮到施工中集料粒徑難以控制,同時(shí)會(huì)提高施工成本,因此,建議在全深式再生基層施工中,采用廠拌再生施工時(shí),可將舊瀝青面層預(yù)先進(jìn)行細(xì)化篩分,降低舊瀝青集料的粒徑.采用就地再生施工時(shí),可降低銑刨機(jī)或再生機(jī)行進(jìn)速度等措施減小RAP粒徑,舊瀝青集料粒徑控制在4.75 mm以內(nèi).

[1] 黃兵,周正峰,賈宏財(cái),等.半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,33(1):47-51.

[2] 黃河,李乾輝,阮偉,等.舊瀝青路面水泥穩(wěn)定就地冷再生技術(shù)在公路大修工程中的應(yīng)用[J].交通科技,2014(3):88-90.

[3] JITSANGIAM P,BOONSERM K,PHENRAT T,et al.Recycled concrete aggregates in roadways:laboratory examination of self-cementing characteristics[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2015,27(10):04014270.

[4] 陳喻軍,季杰,黃亞琴.舊瀝青路面全深式就地冷再生技術(shù)應(yīng)用研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2016(11):114-116.

[5] 拾方治,馬衛(wèi)民.瀝青路面再生技術(shù)手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2006.

[6] 李清富,張鵬,劉晨輝.聚丙烯纖維半剛性基層抗裂性能研究[M].鄭州:黃河水利出社,2010.

[7] 郝永鵬.水泥穩(wěn)定舊瀝青路面材料用于基層的路用性能研究[J].山東交通科技,2016(6):40-42.

[8] 魏建軍.水泥穩(wěn)定再生骨料混合料抗壓回彈模量試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品,2013(8):85-88.

[9] 王浩宇.全深式瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)冷再生技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2014:44-61.

[10] 白雪.水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性綜合評(píng)價(jià)體系研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2013:15-23.

[11] PUPPALA A J,HOYOS L R,POTTURI A K.Resilient moduli response of moderately cement-treated reclaimed asphalt pavement aggregates[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2011,23(7):990-998.

[12] 徐偉,王勛.再生瀝青混合料瀝青膠漿微觀狀態(tài)測(cè)試方法研究[J].公路工程,2014,39(2):68-71.

[13] 陳惠蘇,孫偉,PIET S.水泥基復(fù)合材料界面對(duì)材料宏觀性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2005,8(1):51-62.

[14] 何銳,嵇紹華,黃平明,等.粗骨料/漿體界面性能對(duì)混凝土力學(xué)性能影響的數(shù)值模擬[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,35(2):31-37.