張?zhí)K龍， 王 鵬， 李 華， 胡樂樂， 王 捷

(1. 江蘇東交智控科技集團股份有限公司，江蘇 南京 210008； 2.南京市公路事業(yè)發(fā)展中心， 江蘇 南京 210008)

0 引言

隨著車輛保有量的增加以及現(xiàn)有路面運營時間的增長，我國公路建設已進入“建養(yǎng)并舉”階段。在公路改擴建以及養(yǎng)護工程中，對老路的銑刨將不可避免地產(chǎn)生大量廢舊瀝青材料，如果不加以回收利用，將導致嚴重的環(huán)境問題和資源浪費。通常，采用廠拌和就地冷熱再生技術(shù)對瀝青混合料進行再生利用。然而傳統(tǒng)的再生技術(shù)，存在RAP摻量不高、應用層位較低問題，無論是質(zhì)量還是再生利用效率方面，均有待改進[1]。

分離式再生是近年來出現(xiàn)的一種新型瀝青混合料再生方法，其核心工藝是利用油石分離主機(如圖1所示)，經(jīng)過離心旋轉(zhuǎn)、擠壓、摩擦、碰撞等物理作用，將傳統(tǒng)RAP“黑色集料”表面的瀝青粉末進行分離，從而獲得0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm以及10 mm以上的多檔集料，其中，3 mm以上的集料表面相對潔凈，殘留的瀝青含量控制在1%以內(nèi)，可以充當新集料在上面層進行高層位的優(yōu)質(zhì)利用[2]。該技術(shù)在寧宿徐高速養(yǎng)護大中修等項目上進行的工程應用，RAP摻量可以達到70%以上，具有較高的社會經(jīng)濟以及環(huán)境效益。

圖1 油石分離機外觀

由于0～3 mm檔的細RAP粉料瀝青含量較高、變異性大，應用在瀝青混合料中會有一些弊端，如拌和過程中易結(jié)團、影響混合料高溫性能等[3]。因此，本文考慮將其應用于水穩(wěn)基層中充當填料[4]，以充分發(fā)揮該檔粉料柔性好的優(yōu)勢，可一定程度上改善運營過程中水穩(wěn)基層因溫縮、干縮所導致的開裂問題。

1 原材料

進行再生水穩(wěn)基層配合比設計所使用的原材料，包含水、水泥、分離式細RAP粉料以及老路原水穩(wěn)基層的銑刨料，未使用新集料，以實現(xiàn)原路面銑刨料的零廢棄和100%再生利用。

1.1 分離式細RAP粉料

試驗所用填料為0～3 mm檔的細RAP粉料，由南京312寧合擴建項目舊路上面層AC — 13混合料的銑刨料經(jīng)分離再生后得到；經(jīng)抽提試驗可以得出，該檔細RAP中的油石比達9.8%，已遠高于普通AC — 13混合料常規(guī)5.0%左右的整體油石比。

1.2 水穩(wěn)基層銑刨料

試驗所用集料為312寧合擴建項目舊路基層拆除產(chǎn)生的再生料，分為20～30 mm(1#)、10～20 mm(2#)、5～10 mm(3#)、0～5 mm(4#)4檔，根據(jù)要求進行了集料的篩分、力學指標等相關(guān)試驗，均滿足規(guī)范要求。

1.3 水泥

所用水泥為P·O 42.5水泥，經(jīng)檢測，相關(guān)指標均滿足規(guī)范要求。

2 配合比設計

2.1 級配類型選擇

水泥穩(wěn)定碎石的級配類型可以分為骨架密實、骨架空隙以及懸浮模式3種結(jié)構(gòu)，考慮到水穩(wěn)定性要求，骨架空隙結(jié)構(gòu)應用得較少[5]。與骨架密實型級配結(jié)構(gòu)相比，懸浮密實型級配因其級配特點，粗集料間的空隙可以容納更多細集料，4.75 mm篩孔通過率相比骨架密實型提高了7%～17%，因此有更多的空隙容納細RAP。此外，與傳統(tǒng)的水泥砂漿相比，細RAP中所含瀝青粉末可以有效地降低砂漿模量并提高彈性，一定程度上可以改善半剛性基層材料的抗裂性能。綜上所述，本文從細RAP循環(huán)利用以及提升抗裂性能的角度考慮，選擇懸浮密實型級配進行細RAP的應用研究。

2.2 級配設計

參照《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》( JTJ F034—2000)相關(guān)要求，本次試驗選擇懸浮密實型級配進行配合比設計，各檔集料用量以及最終合成級配如表1所示。

表1 再生水泥穩(wěn)定碎石級配設計結(jié)果集料比例/%合成后各篩孔尺寸(mm)的通過百分率/%31.526.5199.54.752.360.60.0751#2525.024.66.01.10.80.60.50.52#3030.030.030.04.50.60.50.50.53#1515.015.015.012.52.10.70.70.34#1030.030.030.030.029.520.69.03.6細RAP2010010010010098.382.642.519.6混合料合成級配 100.099.681.048.133.022.410.74.9

依據(jù)工程經(jīng)驗以及項目實際情況，所設計的再生水穩(wěn)基層主要用于橋下空間硬化、便道等場景，因此，與傳統(tǒng)的抗裂嵌擠型水穩(wěn)碎石相比，再生水穩(wěn)基層的設計強度有所降低，7 d無側(cè)限抗壓強度代表值R代不低于2.5 MPa即可。相應的水泥劑量也有所降低，分別按2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%這5種水泥劑量制備試件，采用重型擊實法成型試件，根據(jù)擊實曲線確定不同水泥劑量下的最佳含水量，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 再生水泥穩(wěn)定碎石擊實試驗結(jié)果匯總表水泥劑量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)2.56.42.0963.07.02.1083.57.52.1204.08.12.1314.58.62.143

根據(jù)不同水泥用量下的最佳含水量和最大干密度，采用靜壓法成型無側(cè)限抗壓強度試件養(yǎng)生7 d后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 再生水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果水泥劑量/%強度平均值R均/MPa變異系數(shù)CV/%強度代表值R代=R均(1-ZaCv)2.53.210.782.73.04.08.183.43.54.88.144.24.05.58.854.74.56.211.185.1

根據(jù)試驗結(jié)果以及工程經(jīng)驗，綜合考慮施工過程中的環(huán)境因素以及質(zhì)量控制要求，水泥劑量確定為3%，含水量確定為7%。

3 試驗評價與分析

為了評價摻加細RAP的水穩(wěn)與普通水穩(wěn)力學性能差異，采用力學試驗評價這兩種材料的力學性能。其中，普通水穩(wěn)碎石所使用原材料、水泥用量與摻細RAP的水穩(wěn)碎石保持一致，通過調(diào)整4#料的用量，確保兩種材料的級配基本一致。

3.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中T 0805-1994“無機結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強度試驗方法”，對再生水穩(wěn)碎石和普通水穩(wěn)碎石在7、28、90、180 d齡期下進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如圖2所示：

圖2 無側(cè)限抗壓強度隨齡期的變化

從圖2可以看出，摻加細RAP的水穩(wěn)碎石與普通水穩(wěn)碎石呈現(xiàn)類似的強度增長趨勢，28 d以內(nèi)的強度增長較為明顯，28 d以后增長趨勢變緩，特別是摻加細RAP的再生水穩(wěn)碎石，其90 d和180 d齡期的強度幾乎無增長；在相同齡期下，普通水穩(wěn)碎石的無側(cè)限抗壓強度相比摻加細RAP的再生水穩(wěn)碎石提高10%～20%，由此可見，隨著細RAP加入，會導致水穩(wěn)碎石抗壓強度下降。

3.2 回彈模量試驗

基層材料回彈模量是重要的材料性能指標之一，關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)設計時的力學指標與厚度驗算。根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中T 0808-1994“無機結(jié)合料穩(wěn)定材料室內(nèi)抗壓回彈模量試驗方法(頂面法)”，對再生水穩(wěn)碎石和普通水穩(wěn)碎石在7、28、90、180 d齡期下進行回彈模量試驗，試驗結(jié)果如圖3所示：

圖3 回彈模量隨齡期的變化

從試驗結(jié)果可以看出，2種材料回彈模量的變化趨勢與無側(cè)限抗壓強度一致，均隨著齡期增加而增長，28 d之前回彈模量增長較快，28 d以后增長幅度變緩,在相同齡期下，普通水穩(wěn)碎石相比摻細RAP回彈模量水穩(wěn)碎石提高16%～34%，由此可見，摻入細RAP可以明顯降低水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量。通常模量越大則材料的剛度較好，但脆性較大;而摻加細RAP后，材料模量下降，賦予水泥穩(wěn)定碎石基層更好的彈性，增強了其變形恢復能力，從而減少裂縫產(chǎn)生。

3.3 干縮試驗

隨著水泥水化以及水分蒸發(fā)，會導致水穩(wěn)碎石因內(nèi)部含水量變化而引起宏觀體積收縮現(xiàn)象。按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中T0854-2009“無機結(jié)合料穩(wěn)定材料干縮試驗方法”，在室內(nèi)自然條件下采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥穩(wěn)定碎石混合料小梁試件，每組5個平行試件，養(yǎng)護齡期為7 d，測試時間間隔為第1天6 h一次，第2～5天為12h一次，之后24 h一次，直到含水量基本不變?yōu)橹梗骄煽s系數(shù)按式(1)計算：

(1)

式中：εi、ε0為第i次及最初測得的試件干縮應變，με；ωi、ω0為第i次及最初測得的試件含水量，%。

2種水穩(wěn)碎石的干縮試驗周期為31 d，結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 干縮應變隨時間的變化結(jié)果

圖5 失水率隨時間的變化結(jié)果

圖6 不同齡期下的平均干縮系數(shù)

從試驗結(jié)果可以看出，兩種材料的干縮應變和平均干縮系數(shù)均隨著時間增長而增加，從時間來看，初期在重力作用下，失水速率較快達到4%以上，導致前7 d的干縮應變和失水率增長較快，然后趨于平緩，7 d和14 d齡期的兩種材料平均干縮系數(shù)差異較小，但28 d齡期的平均干縮系數(shù)，摻加細RAP的水穩(wěn)碎石相比普通水穩(wěn)碎石降低了28%，由此可以看出，細RAP相比普通水穩(wěn)中0～3 mm檔的集料具有更大的比表面積，可以容納更多孔隙水，使得后期的水分作為孔隙水，具有更好的保水效果，從而減少了水穩(wěn)碎石的干縮應變。

3.4 溫縮試驗

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)中T 0855-2009“無機結(jié)合料穩(wěn)定材料溫縮試驗方法”，對普通水穩(wěn)以及摻加細RAP的再生水穩(wěn)碎石進行溫縮試驗,試驗結(jié)果見表4。

溫縮系數(shù)按式(2)計算：

(2)

式中：ti為溫度控制程序設定的第i個溫度區(qū)間，℃；εi為第i個溫度下的平均收縮應變，10-6；αt為溫縮系數(shù)，反映單位溫度下材料的線收縮系數(shù)。

表4 溫縮試驗結(jié)果10-6/℃材料類型不同溫度區(qū)間(℃)的溫縮系數(shù)30～2020～1010～00～-10平均溫縮系數(shù)摻細RAP的水穩(wěn)碎石24.236.871.813.259.04普通水穩(wěn)碎石141.0564.324.760.7852.75

從表4可以看出，溫度為30℃～20℃、20℃～10℃以及10℃～0℃的3個溫度區(qū)間，普通水穩(wěn)碎石的溫縮系數(shù)顯著高于摻加細RAP的水穩(wěn)碎石。這說明，在0 ℃以上溫度環(huán)境中，細RAP含有的瀝青顆粒處于相對偏軟狀態(tài)，具有較好的彈性，因此細RAP的摻入能有效減小水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)。然而，溫度降至0 ℃以下后，細RAP中的瀝青顆粒逐漸脆化，彈性以及彈性恢復能力明顯下降，導致其溫縮系數(shù)逐漸超過未摻細RAP的水泥穩(wěn)定碎石。從-10℃～30℃范圍的平均溫縮系數(shù)來看，摻細RAP的水穩(wěn)碎石平均溫縮系數(shù)相比普通水穩(wěn)碎石可以降低83%，這說明在通常氣候區(qū)間，細RAP的摻入對水泥穩(wěn)定碎石抗溫度收縮性能具有較好的改善效果。

3.5 細RAP在水穩(wěn)碎石中的填充效果分析

基于試驗結(jié)果以及分離式再生的工藝特點，對細RAP在水穩(wěn)碎石中的填充機理進行分析。與傳統(tǒng)的0～3 mm檔集料不同，細RAP的組成比較復雜，主要由老化的瀝青顆粒、被瀝青裹覆的細集料2部分組成，另外還有少量未被瀝青完全所裹覆的細集料。因此，其在水穩(wěn)中的填充作用，基于完全使用老化瀝青顆粒的全彈性填充與完全使用集料的全剛性填充之間，本研究稱之為“基于骨架的彈性填充”，即細RAP中的細集料充當骨架，老化瀝青顆粒則提供一定的彈性作用，這樣既能形成強度，又可以賦予水穩(wěn)層抵抗因干縮、溫縮等因素導致的收縮變形，以彌補傳統(tǒng)的半剛性材料因開裂而導致路面出現(xiàn)反射裂縫的不足。

4 結(jié)論

本文選擇分離式再生獲得的細RAP粉料，以及南京312寧合項目獲得的老路基層銑刨料，進行了再生水穩(wěn)碎石的配合比設計，通過相關(guān)試驗，分別從強度、模量、抗裂性能方面，評價了細RAP對水穩(wěn)碎石性能的影響，得到以下主要研究結(jié)論：

1)基于細RAP粉料和老路水穩(wěn)銑刨料，選擇懸浮密實型級配進行摻細RAP的再生水泥穩(wěn)定碎石配合比設計，確定了級配、最佳含水量以及水泥劑量。

2)力學性能試驗可以看出，相同齡期下，相比普通水穩(wěn)碎石，細RAP的加入會導致水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度降低10%～20%，回彈模量降低16%～34%。

3)抗裂性能試驗表明，摻加細RAP的水穩(wěn)碎石28 d齡期的平均干縮系數(shù)相比普通水穩(wěn)碎石降低了28%，-10 ℃～30 ℃范圍的平均溫縮系數(shù)降低了83%，可見細RAP的摻加可有效改善水穩(wěn)基層的抗裂性能。

4)提出了細RAP在水穩(wěn)基層中基于骨架的彈性填充作用機理，即細RAP中的細集料充當骨架作用，形成強度，由于細RAP中的老化瀝青顆粒具有較好的彈性，主要起抵抗變形的作用。

5)從配合比設計以及材料性能的試驗結(jié)果可以看出，細RAP可以應用于橋下空間硬化、施工便道等對強度要求不高的地段，并且細RAP的摻量可達20%，為難以在混合料中進行應用的分離式細RAP再利用提供了新的途徑，具有較好的社會經(jīng)濟效益。