孟令卿, 郭毅鵬

(常德市交通建設(shè)投資集團(tuán)有限公司， 湖南 常德 415003 )

0 引言

路面暴露在多種類型的交通和環(huán)境荷載下，在沒有任何維修的情況下，它們的使用壽命是一定的[1]。在許多國(guó)家，修復(fù)路面的一般性做法是鋪裝新的骨料基層或熱拌瀝青(HMA)基層[2]；然而，重新鋪裝會(huì)導(dǎo)致道路厚度增加，消耗大量資源，并會(huì)排放大量的有毒氣體[3]。另一種方法是破壞上層的瀝青路面，然后放置新的瀝青混合料；該技術(shù)可產(chǎn)生大量的再生瀝青路面(RAP)材料。最近一項(xiàng)研究結(jié)果表明，RAP是一種級(jí)配良好的材料，其最大干密度與其他常規(guī)顆粒材料相當(dāng)[4]。如果與其他傳統(tǒng)骨料混合，RAP的彈性模量略高于密實(shí)級(jí)配骨料，因此其有望取代路基中的傳統(tǒng)骨料[5]。本文利用當(dāng)?shù)芈访娈a(chǎn)生的瀝青回收料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究，將瀝青混合料中RAP的百分比含量設(shè)置為100%、75%、50%、25%、0，配制不同的水泥穩(wěn)定碎石混合料，并對(duì)這些混合料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)(抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度和彈性模量)，以期獲得最佳性能。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究使用的硅酸鹽水泥28 d抗壓強(qiáng)度大于42.5 MPa，相對(duì)密度為3.10，細(xì)度為440 m2/kg。表1為其主要組成成分與比例。

表1 硅酸鹽水泥的主要組成化合物化學(xué)縮寫比例/%硅酸三鈣C3S54.4硅酸二鈣C2S18.6鋁酸三鈣C3A11.4四氯化鋁鐵C4AF9

本研究使用了2種骨料： ①當(dāng)?shù)芈访婺肽スば蛑蝎@得的RAP;②當(dāng)?shù)厥沂墒瘓?chǎng)獲得的最大骨料尺寸為20 mm的碎石。2種材料的級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 碎石和RAP的級(jí)配曲線

通過(guò)級(jí)配數(shù)據(jù)計(jì)算了2種材料的均勻系數(shù)(Cu)和曲率系數(shù)(Cc)(見表2)，并給出了其相對(duì)密度。這2種材料中不含有害物質(zhì)(主要是黏土)。

表2 碎石和RAP的參數(shù)類別過(guò)篩率(80 μm)/%均勻系數(shù)曲率系數(shù)相對(duì)密度RAP729.64.42.36碎石626.72.12.56

1.2 配比研究

用于路面建設(shè)的新型骨料，用其制成典型水泥混合料，水泥比例通常為3%～5%。由于RAP是由老化瀝青的再生骨料組成，因此將水泥含量略微提高到6%，從而滿足實(shí)際路面的需求。RAP含量占骨料總重的比例從0～100%取5種，標(biāo)記為F1～F5，以研究不同RAP組分對(duì)力學(xué)性能的影響，如表3所示。

表3 不同組分混合料的配合比標(biāo)號(hào)RAP含量/%碎石/%RAP/(kg·m-3)碎石/(kg·m-3)水泥/(kg·m-3)水/(kg·m-3)F110001 9600125130F275251 490497127131F350501 0061 006129133F425755101 530130135F5010002 067132137

2 試驗(yàn)研究

2.1 力學(xué)性能

是否能將混合料用作基層，需要檢驗(yàn)混合料的幾個(gè)力學(xué)特性。在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定了5種混合料的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、間接拉伸(IDT)強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。

2.2 彈性模量

養(yǎng)護(hù)28 d后，用脈沖法測(cè)定了5種混合材料的彈性模量(見圖2)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)混合料F5的彈性模量測(cè)試值最高，為17360MPa。圖2中不同RAP含量下彈性模量值的線性回歸擬合曲線呈下降趨勢(shì)，如式(1)所示，彈性模量隨著RAP含量的增加而下降，對(duì)于混合物F1(100%RAP)，彈性模量值僅為4690MPa。

圖2 彈性模量與RAP含量的關(guān)系

E(RAP)=E(CTG)-125×m(RAP)

(1)

式中：E(RAP)為水泥處理后RAP混合料的彈性模量；E(CTG)為水泥處理碎石混合料(100%碎石)的彈性模量；m(RAP)為RAP在混合物中的質(zhì)量百分比。

2.3 抗壓強(qiáng)度

對(duì)直徑16 cm、長(zhǎng)32 cm的圓柱形試件養(yǎng)護(hù)7、14、28 d后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。圖3給出了混合料的抗壓強(qiáng)度和密度測(cè)試結(jié)果。從圖3可以清楚地看出，抗壓強(qiáng)度隨著混合料中RAP含量的增加而降低。

圖3 混合料的抗壓強(qiáng)度和密度

這是因?yàn)镽AP骨料被瀝青覆蓋，降低了過(guò)渡區(qū)(骨料顆粒和水泥漿體之間的區(qū)域)的強(qiáng)度。密度隨著混合料中RAP含量的減少而增加。在28 d養(yǎng)護(hù)后的測(cè)試結(jié)果中可以明顯看出，隨著RAP含量的減少，混合物的密度從2190 kg/m3增加2406kg/m3，增長(zhǎng)幅度十分明顯。

圖4給出了不同RAP含量混合料抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化結(jié)果。正如預(yù)期的那樣，抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)而增加。對(duì)于所有混合料，7 d齡期后抗壓強(qiáng)度約為28 d后強(qiáng)度的70%～75%。建議使用經(jīng)7 d以上養(yǎng)護(hù)的F3(50%RAP)、F4(25%RAP)和F5(無(wú)RAP)的混合料作為路面結(jié)構(gòu)的基層。

圖4 抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系

圖5給出了在7 d和28 d養(yǎng)護(hù)后試件抗壓強(qiáng)度隨RAP含量變化的結(jié)果，圖中所示的線性函數(shù)可用于估計(jì)抗壓強(qiáng)度隨RAP含量變化的趨勢(shì)，式(2)為其擬合的曲線方程。要達(dá)到8 MPa的標(biāo)準(zhǔn)，養(yǎng)護(hù)7 d和養(yǎng)護(hù)14 d的RAP含量不應(yīng)超過(guò)60%，養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度均滿足要求。

圖5 抗壓強(qiáng)度與RAP含量的關(guān)系

f′c7(RAP)=f′c7(CTG)-0.07×m(RAP)

(2)

式中:f′c7(RAP)為RAP混合料7 d的抗壓強(qiáng)度；f′c7(CTG)為水泥處理碎石混合料(無(wú)RAP)7d的抗壓強(qiáng)度。

2.4 抗拉強(qiáng)度

所有抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)均在養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行，圖6顯示了抗拉強(qiáng)度與RAP含量的關(guān)系。與其他力學(xué)試驗(yàn)類似，IDT強(qiáng)度隨著RAP在混合料中含量的增加而降低。但所有RAP含量的混合物，抗拉強(qiáng)度都不小于1 MPa，約為抗壓強(qiáng)度的11%～12%。

圖6 抗拉強(qiáng)度與RAP含量的關(guān)系

2.5 抗彎強(qiáng)度

在三點(diǎn)彎曲裝置中對(duì)尺寸為7 cm×7 cm×28 cm的試件進(jìn)行測(cè)試。與抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)相同，該測(cè)試在養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行。圖7顯示了抗彎強(qiáng)度與RAP含量的關(guān)系，由圖可以看出，抗彎強(qiáng)度隨著RAP含量的增加而降低。F1混合料的測(cè)量值為1MPa(最小)，基層混合料在交通荷載下經(jīng)常會(huì)受到彎曲應(yīng)力，彎曲強(qiáng)度是一個(gè)重要的參數(shù)，該值(1 MPa)能滿足實(shí)際路況需求。對(duì)于所有混合料，彎曲強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的13%～19%。

圖7 抗彎強(qiáng)度與RAP含量的關(guān)系

2.6 力學(xué)測(cè)試結(jié)果的討論

正如預(yù)期，各種力學(xué)測(cè)試的結(jié)果均表明，隨著RAP含量的增加，材料的性能有所下降。將F5混合料的性能定義為100%，圖8顯示了F1～F44種不同RAP摻量的混合料與F5混合料(無(wú)RAP)的性能對(duì)比。當(dāng)RAP含量為100%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和IDT強(qiáng)度下降了約50%，表明RAP含量的增加大大降低了混合料的剛性。彈性模量下降幅度更大，F(xiàn)1混合料(100%RAP)約為混合料F5(無(wú)RAP)的27%。但力學(xué)性能值降低并不意味著材料不能用于實(shí)際工程中，例如：對(duì)于RAP含量小于60%的混合料，其7 d抗壓強(qiáng)度大于8 MPa，完全能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 F1～F4混合料與F5混合料的性能對(duì)比

3 收縮測(cè)試

3.1 收縮特性

水泥處理的材料經(jīng)熱收縮(溫度變化)和干燥收縮(水分損失)后，通常由于路基摩擦，加之基層頂部和底部之間的應(yīng)變，導(dǎo)致水泥基層受到約束。在此約束下，收縮應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力的產(chǎn)生，一旦拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。因此，在基層設(shè)計(jì)中考慮其收縮特性是十分必要的。

3.2 收縮試驗(yàn)

因F3、F4和F5(RAP含量小于60%)混合料能滿足8 MPa的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行自由收縮試驗(yàn)，由于水泥凝結(jié)前后的條件對(duì)收縮率有很大影響，所以當(dāng)模具移除時(shí)，所有試樣都需要保存在特定條件下(環(huán)境溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為50%)。通過(guò)靈敏度為1 μm的千分表牽引儀進(jìn)行收縮度測(cè)量，試驗(yàn)試件和設(shè)備如圖9所示。

(a)試樣制備

3.3 收縮預(yù)測(cè)

一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢杂脕?lái)預(yù)測(cè)普通硅酸鹽水泥、混凝土和水泥處理材料的收縮應(yīng)變。這些模型是在大量不同類型混合物的試驗(yàn)基礎(chǔ)上研發(fā)的，其主要功能是根據(jù)短期測(cè)量結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)長(zhǎng)期收縮應(yīng)變。將模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較。對(duì)于該模型，收縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化由式(3)給出。

ε(t-ts)=εcs0βs(t-ts)

(3)

(4)

式中：t為混凝土齡期，d；ts為開始養(yǎng)護(hù)時(shí)間；εcs0為極限收縮應(yīng)變；βs為徐變系數(shù)；h0為試件的有效厚度，mm。

圖10給出了所有混合料的收縮應(yīng)變值隨時(shí)間變化的情況。在所有混合料中都觀察到了同樣的趨勢(shì)。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果給出的p值為0.08，這表明3種混合物材料的平均收縮應(yīng)變是相等的，RAP的含量對(duì)收縮性能沒有顯著影響。90 d試驗(yàn)測(cè)得的收縮應(yīng)變均小于400 μm /m，表明所有的混合料均不存在明顯的收縮現(xiàn)象。

從圖10可得該模型的標(biāo)準(zhǔn)誤差為20 μm/m，表明其為預(yù)測(cè)水泥混合料收縮應(yīng)變的一個(gè)有效模型。

圖10 收縮應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

在可持續(xù)發(fā)展的背景下，水泥就地冷再生技術(shù)對(duì)環(huán)境造成的污染更小。因此，本文對(duì)幾種不同RAP含量的混合物進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，以確定其力學(xué)性能。得出以下結(jié)論：

1) RAP含量的增加會(huì)導(dǎo)致性彈性模量、壓縮強(qiáng)度、IDT強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的下降。原因如下：涂覆老化瀝青的骨料比未涂覆骨料形成的過(guò)渡區(qū)更弱。

2) 60%以下含量的RAP混合物滿足抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)；RAP材料的收縮性能可以使用收縮模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，RAP的含量對(duì)收縮性能沒有顯著影響。90 d試驗(yàn)測(cè)得的收縮應(yīng)變均小于400 μm /m，表明所有混合料均不存在明顯的收縮現(xiàn)象。

3) 60%以下含量的RAP混合物，在養(yǎng)護(hù)7 d和14 d后適用于實(shí)際工程應(yīng)用，其既節(jié)約成本，又能降低對(duì)環(huán)境的污染，是一種值得推廣的新型材料。