梁 照

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

再生瀝青路面集料(RAP)是一種固體惰性瀝青廢料，其組成取決于路面修復(fù)過程。其可能是覆蓋著老化瀝青的舊集料的組合，或包含部分來自舊路面基層的顆粒材料，組成成分多樣化。

近年來，RAP集料得到了大量研究，其主要應(yīng)用于熱拌瀝青混合料[1]、路面基層或次基層[2]和不同類型的水泥基混凝土[3]。透水混凝土是一種環(huán)?；炷粒淇紫扼w積在15%～35%，空氣和水可以很容易地從表面通過相互連通的孔洞結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入底層[4]。在原材料方面，透水混凝土與傳統(tǒng)混凝土相似，但很少使用細(xì)砂，也沒有較高的抗壓強(qiáng)度，基本上在2.8～28 MPa，主要應(yīng)用于城市防洪、降溫、防滑等路面。

與以往的研究相比，本文研究的目的是在透水混凝土生產(chǎn)中用RAP代替天然骨料(10%～100%)，并探究其對(duì)RAP透水混凝土空隙率、密度及抗彎強(qiáng)度的影響，然后與僅使用天然骨料的透水混凝土進(jìn)行了對(duì)比。此外，還對(duì)RAP透水混凝土的滲透率和孔隙堵塞情況進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

該混合物由硅酸鹽水泥、天然花崗巖和/或RAP集料、水制成。硅酸鹽水泥的化合物組成如表1所示。RAP廢料是一種從瀝青路面拆除中得到的異質(zhì)材料，而RAP集料是由RAP廢料機(jī)械破碎后篩分得到的。為了生產(chǎn)透水性能良好的透水混凝土，在混合料中不使用細(xì)骨料，僅使用2.36～19 mm的RAP骨料。兩種骨料的粒徑分布如圖1所示，骨料的最大直徑和細(xì)度模量值如表2所示。

圖1 天然集料和RAP集料的粒徑分布曲線圖

表1 硅酸鹽水泥中的主要化合物成分表

天然集料與RAP集料粒徑分布相似，最大粒徑均為19 mm。集料細(xì)度模數(shù)分別為6.05(天然)和6.23(RAP)。在這種情況下，RAP細(xì)度模數(shù)與天然骨料有相同的數(shù)量級(jí)。天然集料和RAP集料的密度和吸水率由巴西技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ABNT)標(biāo)準(zhǔn)得到，如表2所示。

表2 骨料物理性質(zhì)一覽表

為研究低摻量和高摻量RAP骨料的效果，分別以10%、20%、50%、100%RAP骨料替代天然骨料配制4種混合料，并以天然骨料配制1種混合料作為對(duì)照。替代率用重量百分比表示。本試驗(yàn)使用的水泥與總集料的比例為1∶4(按質(zhì)量計(jì)算)，并且在所有混合物中保持不變。總集料量定義為所有集料(自然集料和RAP集料)的總和。所有混凝土混合物的游離水/水泥率為0.37?；旌衔镏兴褂玫牟牧系谋壤蛿?shù)量如表3所示。表3中的配料量(kg/m3的混凝土)采用每種材料的密度(SSD)計(jì)算，不考慮空隙率。

表3 混合比例表

混合物的制備是在一個(gè)400 L的機(jī)械攪拌機(jī)中進(jìn)行的。將集料與水總量的一半混合2 min，隨后加入水泥，繼續(xù)攪拌，直到剩余的水加入并吸收。將混合物分三層放入鋼模具中，然后用鋼輥手工加固。物理和力學(xué)試驗(yàn)中使用的樣品相對(duì)濕度為100%、溫度為21±1 ℃；滲透樣品相對(duì)濕度為100%、溫度為22±2 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用三個(gè)尺寸為100 mm×200 mm(直徑×高度)的圓柱形樣品進(jìn)行3 d、7 d、14 d、28 d的壓縮試驗(yàn)和28 d的彈性模量試驗(yàn)。此外，在28 d內(nèi)對(duì)三個(gè)尺寸為150 mm×150 mm×500 mm的樣品進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)。

在第28 d，測(cè)試了混凝土的空隙率和干容重。每個(gè)試驗(yàn)和混合物使用三個(gè)100 mm×200 mm(直徑×高度)的圓柱形樣品。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了樣品的尺寸以確定其體積，隨后，將樣品放置在38±3 ℃的環(huán)境下干燥，直到重量不變，最后將其浸入水中，以確定樣品中固體的體積。根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算試樣的密度和空隙率。

(1)

式中：A——干質(zhì)量(g)；

D、L——試樣直徑和長度(mm)；

K——一個(gè)常數(shù)，取值1 273 240。

(2)

式中：B——試件的浸水質(zhì)量(g)；

ρw——水浴溫度下的水密度(kg/m3)。

養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行混凝土滲透性試驗(yàn)。在本研究中，采用三個(gè)600 mm×600 mm×100 mm的混凝土板試樣模擬路面。試驗(yàn)在樣品表面的中心區(qū)域進(jìn)行，并在正面向上和反面向上兩個(gè)方向，對(duì)每個(gè)表面進(jìn)行兩次滲透測(cè)量[5]。

在測(cè)試之前，樣品墻被密封，以防止側(cè)向泄漏。入滲試驗(yàn)是在平板表面臨時(shí)密封一個(gè)直徑為300 mm的密封圈，平板表面預(yù)潤濕，然后向平板表面澆入3.6 L的水，測(cè)量游離水分散的時(shí)間。如果3.6 L的水分散時(shí)間<30 s，則測(cè)試需要18 L的水。在本研究中，水在所有樣品中分散時(shí)間<30 s，因此使用18 L的水進(jìn)行測(cè)試。

該方法也用于進(jìn)行堵塞試驗(yàn)。在堵塞試驗(yàn)中，每種混合物使用一個(gè)混凝土板樣本。本研究中使用的堵塞材料是一種中質(zhì)砂，砂級(jí)配連續(xù)，粒度為0.075～2.36 mm，細(xì)度模數(shù)為2.56。其粒度分布具有以下特點(diǎn)：d10近似等于0.15 mm；中位粒徑d50為0.6 mm，d90為1.18 mm。選擇這種類型的沉積物是為了在施工過程中作為一種典型的鋪在路面上的材料，同時(shí)也因?yàn)槠溆锌赡芏氯杆炷量紫?。本試?yàn)使用了500 g沙子(約1.8 kg/m2)。將砂土均勻地鋪于板坯表面，在15 d內(nèi)每天測(cè)量兩次滲透率，模擬干濕效果。所有測(cè)試樣品中使用的材料數(shù)量保持不變。在測(cè)量滲透之前，沒有對(duì)樣品表面進(jìn)行任何清洗。

2 結(jié)果與討論

2.1 空隙含量和密度

由下頁圖2(a)可知，空隙率從21.8%到25.3%的硬化混凝土適合于提高滲透性。無RAP集料(對(duì)照組)和10%和20%再生骨料(10%RAP和20%RAP樣品)的空隙含量相近，約為22%，而50%RAP和100%RAP樣品的空隙含量比對(duì)照樣品更高(可達(dá)+13.4%)。文獻(xiàn)[6]指出，摻有50%和100%RAP的普通混凝土的空隙率比不摻RAP的混凝土增加了20%。此外，天然集料和25%RAP的混合料具有可比性，但在50%和100%替代水平下，空隙率分別增加了71.5%和89.8%。

如下頁圖2(b)所示，RAP混凝土的密度值介于1.6～1.93 g/cm3。10%RAP和20%RAP的密度變化不顯著，但隨著RAP集料的增加(50%RAP和100%RAP)，其密度下降最多可達(dá)13%。這種減少可以解釋為其有更多孔隙結(jié)構(gòu)，但較低的RAP密度(2.27 g/cm3)相比天然集料密度(2.64 g/cm3)也有影響。

2.2 力學(xué)特性變化

RAP混凝土第3 d、7 d、14 d抗壓強(qiáng)度分別為28 d強(qiáng)度的60%～71%(3 d)、71%～92%(7 d)、86%～97%(28 d)，如圖3(a)所示。在大多數(shù)情況下，早期強(qiáng)度增益略高于對(duì)照混凝土(3 d 65%，7 d 85%)。

(a)平均空隙率

28 d時(shí)，本研究生產(chǎn)的混凝土抗壓強(qiáng)度均在3.7～12.8 MPa之間，與其他透水混凝土的抗壓強(qiáng)度值相似。而RAP混凝土的抗壓強(qiáng)度低于天然骨料混凝土。隨著RAP添加量的增加，其28 d抗壓強(qiáng)度降低，即10%RAP、20%RAP、50%RAP、100%RAP試樣的28 d抗壓強(qiáng)度分別降低18%、14%、49%、71%。

通過分析彈性模量結(jié)果可以得到類似的抗壓強(qiáng)度結(jié)果，如圖3(b)所示。在這種情況下，在RAP混凝土中觀察到較低的模量。然而，使用RAP對(duì)混凝土模量的負(fù)面影響比抗壓強(qiáng)度更明顯，主要是RAP水平較高時(shí)。例如，與對(duì)照混合料相比，RAP混凝土的彈性模量減少21%(10%RAP)，抗壓強(qiáng)度降低分別為18%(10%)、14%(20%)、49%(50%)、71%(100%)。

抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。隨著混合料中RAP骨料的增加，RAP混凝土的抗彎強(qiáng)度降低。10%RAP、20%RAP、50%RAP、100%RAP試件的抗彎強(qiáng)度分別比對(duì)照混凝土降低14.2%、7.1%、16.9%、46.4%。

圖4 對(duì)照組混凝土和RAP混凝土的平均抗彎強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖

2.3 滲水試驗(yàn)和堵塞試驗(yàn)

透水混凝土的滲透率必須至少為1×10-3m/s。如圖5所示的平均值表明，所有混合物的水分滲透率都有所提高(高1×10-3m/s)。標(biāo)準(zhǔn)差值用圖形中的誤差條表示，表示結(jié)果的離散程度。

(a)抗壓強(qiáng)度

圖5 試樣的滲透率與兩種不同方向的關(guān)系柱狀圖

滲透試驗(yàn)在兩個(gè)方向進(jìn)行：正面朝上(自上而下的方向)和反面朝上(自下而上的方向)，此方法有助于更好地了解結(jié)果。對(duì)比分析如圖5所示，由于上表面封閉的孔隙比下表面更多，所有樣品在倒置表面(自下而上方向)測(cè)得的滲透率均高于放置位置(自上而下方向)測(cè)得的滲透率。圖5的結(jié)果還表明，10%RAP(+39.5%)和20%RAP(+44.4%)試樣的滲透率方向性變化率更高，可能是由于這些試樣中一些封閉的孔隙或孔隙彎曲導(dǎo)致流道中斷。

從圖5可以看出，50%RAP和100%RAP的滲透率隨著空隙體積的增大而增大，而10%RAP和20%RAP試樣的滲透率減小，盡管孔隙體積與對(duì)照試樣相似。結(jié)果表明，RAP樣品的上表面比下表面的減少更明顯。以10%RAP和20%RAP為例，在頂部表面測(cè)得的滲透率分別比對(duì)照樣品降低了44%和59%，在底部表面測(cè)得的滲透率分別比對(duì)照樣品降低了13%和30%。在本研究中，孔隙含量與入滲的相關(guān)性如圖6所示，底部表面的孔隙含量與入滲的相關(guān)性(R2∶0.91)優(yōu)于頂部表面的孔隙含量與入滲的相關(guān)性(R2∶0.76)。

圖6 滲透率與孔隙含量的關(guān)系擬合示意圖

圖7顯示了堵塞試驗(yàn)中滲透率的變化情況?？v軸是滲透率，橫軸是入滲試驗(yàn)的進(jìn)行情況。循環(huán)0為在無阻塞試樣上進(jìn)行的滲透試驗(yàn)。在第1個(gè)循環(huán)時(shí)，只在平板表面撒一次堵塞材料，每個(gè)循環(huán)測(cè)兩次滲透率。循環(huán)2～4為不添加堵塞材料的滲透試驗(yàn)。在滲透試驗(yàn)前，樣品表面沒有進(jìn)行清潔或維護(hù)。圖中各曲線有相似的發(fā)展趨勢(shì)。在第一個(gè)循環(huán)中，砂土鋪到樣品表面后，滲透率顯著降低，表明孔隙初始堵塞；在此之后，滲透速率變化較小，直到循環(huán)4。

圖7 堵塞試驗(yàn)期間滲透率的變化曲線圖

如圖8所示為各試樣的滲透能力與各自初始滲透值(未堵塞試樣)比較的變化情況。經(jīng)過四個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)，對(duì)照組和RAP樣品的初始滲透能力損失高達(dá)86%，表明這些樣品被功能性堵塞。然而，即使在物理堵塞后，50%RAP和100%RAP樣品的滲透率均等于或優(yōu)于透水混凝土所需的最低滲透率(1×10-3m/s)。

圖8 循環(huán)次數(shù)和損失百分比的關(guān)系柱狀圖

當(dāng)使用10%RAP和20%RAP時(shí)，滲透能力損失更高，但這是在沒有對(duì)樣品表面進(jìn)行清潔和維護(hù)的情況下得到的結(jié)果。在這種情況下，這些混合物表現(xiàn)出的滲透能力和力學(xué)性能與人行道和輕型交通路面的設(shè)計(jì)兼容。然而，必須進(jìn)行額外的測(cè)試才能有效地利用這類廢料。對(duì)于50%RAP和100%RAP試樣，其滲透性能(包括堵塞特性)較好，但力學(xué)性能(抗壓、抗彎強(qiáng)度和彈性模量)較差。通過處理改善RAP集料特性，可以改善其整體力學(xué)性能。

3 結(jié)語

關(guān)于RAP骨料含量對(duì)混合料性能的影響，可以得出以下結(jié)論：

(1)RAP混凝土的空隙率與天然骨料透水混凝土的空隙率相當(dāng)或更高。

(2)RAP透水混凝土密度(1.68～1.90 g/cm3)低于對(duì)照混凝土密度。

(3)在所有分析內(nèi)容中，RAP骨料對(duì)混凝土的力學(xué)性能均有負(fù)面影響。

(4)雖然力學(xué)性能有所降低，但RAP透水混凝土的抗彎強(qiáng)度在所有分析內(nèi)容中都是可以接受的，適用于人行道和自然路徑的透水路面設(shè)計(jì)。

(5)50%RAP和100%RAP集料混凝土的滲水效果較好。然而，這些混凝土在所有齡期的抗壓強(qiáng)度最低。