不同水泥摻量的再生瀝青路面和再生混凝土路面性能評(píng)價(jià)

摘要：再生骨料混合物需要較高的水泥摻量才能滿足路面基層設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，且再生混凝土骨料（RCA）比再生瀝青路面（RAP）更加依賴水泥固化。文章從壓實(shí)特性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度、彈性模量等物理性質(zhì)方面，對(duì)水泥固化RAP和RCA材料性能的效果進(jìn)行了研究，并做了對(duì)比分析。結(jié)果表明：用水泥固化的RCA基礎(chǔ)的性能比RAP更好;試驗(yàn)材料的最大干密度值隨著水泥摻量的增加而增大，隨著RAP摻量的增加而減小;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨著水泥摻量的增大而增大，隨著RAP摻量的增大而減小;彈性模量隨著水泥摻量的增加呈上升趨勢(shì)，隨著RAP摻量的增大而呈減小趨勢(shì)?？偟膩碚f，采用6%水泥固化的25% RAP、25% RCA和50% RCA混合物的性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：再生瀝青路面;再生混凝土路面;傳統(tǒng)骨料;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;彈性模量

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U416.26-A-01-001-4

0 引言

再生瀝青路面（RAP）和再生混凝土骨料（RCA）是目前路面修復(fù)和建筑行業(yè)主要的兩種再生材料，這些材料大多被用于垃圾填埋場(chǎng)、停車場(chǎng)等不環(huán)保的地方。一般情況下，基層和表面采用傳統(tǒng)骨料（VA）來施工，可以將交通荷載傳遞到下墊層而不產(chǎn)生較大的變形。事實(shí)上，隨著時(shí)間、交通和環(huán)境因素的變化，路面老化的速度很慢，因此VA具有一定的使用壽命，回收VA能節(jié)約自然資源，保護(hù)環(huán)境。因此，有必要探索RAP和RCA材料在道路基層和底基層中的性能，并進(jìn)行兩種材料的試驗(yàn)研究。本文對(duì)水泥固化的RAP和RCA材料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，分別以25∶75、50∶50、75∶25和100∶0的比例替代VA。測(cè)試內(nèi)容包括物理性能、壓實(shí)特性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度、彈性模量等。

1 研究背景

水泥主要用于增加骨料的承載能力，提供良好的基礎(chǔ)，并在形變較小情況下將應(yīng)力向下傳遞。一般情況下，材料的物理性質(zhì)、類型和環(huán)境條件都會(huì)對(duì)道路基礎(chǔ)的強(qiáng)度產(chǎn)生影響[1]。在有關(guān)水泥加固道路基礎(chǔ)的文獻(xiàn)中可以看出，水泥處理過的再生基礎(chǔ)材料在結(jié)構(gòu)上優(yōu)于傳統(tǒng)基礎(chǔ)材料[2]，還有助于減少塑性形變[3]。水泥處理基礎(chǔ)失效主要與施工期間的設(shè)計(jì)以及材料和質(zhì)量的控制有關(guān)[4]。因此，為了改善水泥固化基礎(chǔ)材料的物理特性，需要對(duì)材料取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[5]。本文對(duì)RAP和RCA兩種再生材料進(jìn)行了對(duì)比分析，主要對(duì)材料的壓實(shí)特性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度、彈性模量進(jìn)行了研究。

2 方法和材料

2.1 方法

本研究旨在評(píng)價(jià)水泥加固地基強(qiáng)度的特性，以及水泥固化RAP和RCA材料的性能。研究所需要的材料主要有天然骨料、RAP、RCA和53級(jí)普通硅酸鹽水泥。試驗(yàn)混合物的骨料級(jí)配按照規(guī)范中的分級(jí)要求確定。首先從收集的RAP材料中提取瀝青，然后對(duì)RAP和RCA進(jìn)行篩分分析、沖擊試驗(yàn)等物理測(cè)試，判斷是否滿足要求。按照0∶100、25∶75、50∶50、75∶25的比例將RAP、RCA與天然骨料混合，水泥摻量分別為0、2%、4%和6%。使用改進(jìn)的Proctor試驗(yàn)（MPT）確定最佳水分含量和最大干密度。根據(jù)MPT中獲得的最佳含水率來制備樣品，并對(duì)材料固化7 d。對(duì)制備的試件進(jìn)行強(qiáng)度參數(shù)（UCS、ITS）和剛度參數(shù)（彈性模量）的測(cè)試。

2.2 材料

材料包括7年齡期的RAP、RCA、VA和53級(jí)普通硅酸鹽水泥，VA包括的骨料粒徑有26 mm、19 mm和4.75 mm。RAP、VA和RCA取自附近地區(qū)。

2.3 樣品制備

在確定材料物理性質(zhì)之后，需要確定其壓實(shí)特性。壓實(shí)使用改進(jìn)的proctor測(cè)試程序并依據(jù)規(guī)范進(jìn)行。模具的直徑為102 mm，高為127 mm。錘的質(zhì)量為4.5 kg，自由落體距離為457 mm。將混合物中粒徑>19 mm的顆粒剔除，用粒徑<19 mm且總質(zhì)量相同的顆粒進(jìn)行替換。根據(jù)OMC澆鑄樣品測(cè)試UCS、彈性模量和ITS。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試（UCS）

UCS樣品的模具是直徑為101.6 mm、高度為200 mm的圓柱形。為了防止樣品水分流失，將其放在密封的塑料袋中固化。每個(gè)試件所承受的最大載荷除以橫截面積即為抗壓強(qiáng)度。

3.2 間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)（ITS）

樣品按要求的最大干密度壓實(shí)，模具內(nèi)徑為101.60 mm，高為63.5±2.5 mm，壓實(shí)24 h后提取，養(yǎng)護(hù)7 d。然后，按照規(guī)范在50.8 mm/min的加載速率下測(cè)試樣品的間接抗拉強(qiáng)度。間接抗拉強(qiáng)度由式（1）確定。

ST=2 000P/πDt （1）

式中：ST——間接抗拉強(qiáng)度（N/mm2）;

D——試件直徑（mm）;

t——試件厚度（mm）;

P——極限破壞荷載（kN）。

4 結(jié)果分析

初步得到了VA、RCA、RAP等材料的物理性能。經(jīng)有機(jī)物萃取，RAP中瀝青的含量為4.47%。經(jīng)篩分分析，分別對(duì)RCA、VA和無瀝青的RAP材料進(jìn)行脆度、伸長(zhǎng)指數(shù)、磨損值和吸水率等物理性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，RCA的吸水率比VA和RAP高，其疏松指數(shù)高，不符合規(guī)范要求，材料在加工處理時(shí)沿?cái)嗔衙媪验_，RAP的松散度和伸長(zhǎng)指數(shù)均超過規(guī)定限值?；A(chǔ)材料的強(qiáng)度和剛度主要取決于骨料級(jí)配和水泥的固化作用，而不是由骨料的性質(zhì)和形狀決定。因此，雖然RAP的松散度和延伸率等指標(biāo)均不符合規(guī)范要求，但是依舊可以考慮作為基礎(chǔ)材料使用。RAP-VA和RCA-VA混合物的級(jí)配曲線如圖1所示。由圖1可知，所有混合物的級(jí)配都屬于中等級(jí)配。

4.1 壓實(shí)試驗(yàn)

按照規(guī)范采用改進(jìn)的Proctor測(cè)試程序進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)不同比例的RAP和RCA混合料進(jìn)行壓實(shí)，每次試驗(yàn)重復(fù)3次。不同混合物的OMC和MDD結(jié)果如表2和表3所示。

由表2和表3可知，100%RAP的OMC相對(duì)較低，MDD最低，且隨著VA和水泥含量的增加而增加。混合物中RCA含量較高時(shí)（100%RCA和75%RCA）會(huì)導(dǎo)致OMC和MDD顯著變化。RAP和RCA混合物的MDD值介于1.93～2.23 g/cm3和1.97～2.25 g/cm3之間。

4.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）

對(duì)直徑為100 mm、高度為200 mm的試件進(jìn)行UCS試驗(yàn)，其結(jié)果如圖2所示。從圖2（a）可知試件的UCS隨著水泥含量的增加而呈上升趨勢(shì)，且隨著RAP的增加呈下降趨勢(shì)。其中的主要原因是由于RAP中的瀝青涂層使骨料顆粒之間的摩擦力減小，水泥使骨料顆粒間的粘聚力增大。從圖2（b）中可以看出，50%RCA骨料的強(qiáng)度最高且與水泥的摻量無關(guān);當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，所有骨料混合物都表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。

從圖2（c）中可以看出，RCA比RAP混合物具有更高的強(qiáng)度。由于RCA、VA和水泥之間存在很強(qiáng)的粘結(jié)，所以導(dǎo)致100%RCA混合物的強(qiáng)度幾乎是100%RAP混合物的兩倍。摻RCA的強(qiáng)度比摻RAP的強(qiáng)度高，主要是因?yàn)镽CA骨料中存在的殘余砂漿降低了試件的強(qiáng)度。不同混合物的UCS與水泥摻量之間存在線性關(guān)系。RAP含量的增加減緩了試件強(qiáng)度增加的速率，其中25%RAP和75%VA混合物強(qiáng)度增加的速率最快。

4.3 彈性模量

對(duì)不同水泥摻量的RAP/VA和RCA/VA混合物的彈性模量進(jìn)行了測(cè)試。如下頁圖3所示，試驗(yàn)構(gòu)件的彈性模量隨水泥摻量的增加呈直線上升趨勢(shì)。當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，100%RCA和75%RCA-25%VA混合物的彈性模量顯著降低，其中的原因可能是骨料周圍存在的殘余砂漿導(dǎo)致了材料具有脆性。摻加VA后，RAP混合料的彈性模量隨VA含量的增加而增大;與RCA混合后，彈性模量隨著RCA的增加而增大。當(dāng)水泥用量為6%時(shí)，向混合物中添加RCA會(huì)降低彈性模量值。這表明，除了水泥含量外，混合物中各成分的摻量比例也同樣影響著試驗(yàn)構(gòu)件的整體性能。

4.4 間接抗拉強(qiáng)度（ITS）

對(duì)不同水泥摻量的RAP、RCA混合物進(jìn)行間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。ITS測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖可知，ITS隨著RAP含量的增加而降低。相反，ITS隨著水泥含量的增加而呈上升趨勢(shì)。當(dāng)水泥用量為6%、RAP用量為25%時(shí)，RAP和VA混合物的ITS最高。從圖4（c）可以看出，RCA混合物比RAP混合物的強(qiáng)度高。這是由于RCA和VA的骨料之間存在互鎖關(guān)系且RCA自身具有粘結(jié)性;而RAP混合物中存在瀝青涂層，導(dǎo)致骨料之間的粘結(jié)性降低。

5 結(jié)語

本研究得出的具體結(jié)論如下：

（1）用水泥固化的RCA基礎(chǔ)的性能比RAP更好;此外，水泥摻量的增加、原始骨料的摻混以及骨料表面之間的互鎖作用是提高混合料強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

（2）結(jié)果表明，試驗(yàn)材料的MDD隨著水泥摻量的增加而增大，隨著RAP摻量的增加而減小。OMC受RAP和水泥摻量的影響較小，且在RAP混合中，水泥含量與OMC、MDD之間存在線性關(guān)系。

（3）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨著水泥摻量的增大而增大，隨著RAP摻量的增大而減小。強(qiáng)度增加原因是水泥之間形成了較強(qiáng)的粘結(jié)，強(qiáng)度的降低原因是蠕變表面積的增加。與RAP混合料相比，RCA混合料的ITS和UCS更高。

（4）RAP混合料的彈性模量隨著水泥摻量的增加呈上升趨勢(shì)，隨著RAP摻量的增大而呈減小趨勢(shì)。對(duì)于75%RCA和100%RCA的混合料，水泥摻量超過4%后彈性模量下降，從而導(dǎo)致材料具有脆性。綜上所述，25%RAP、75%VA、水泥摻量6%和50%RCA、50%VA、水泥摻量6%時(shí)強(qiáng)度較好。

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收稿日期：2021-03-18

作者簡(jiǎn)介：藍(lán)志堅(jiān)（1972—），工程師，主要從事公路養(yǎng)護(hù)工作。