水泥穩定RAP 材料劈裂應力－應變特性

馮德成，趙 銀，陳 劍

(1.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，150090 哈爾濱;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，430056 武漢)

隨著再生廢舊瀝青路面材料(Reclaimed asphalt pavement，RAP)越來越多地利用于路面半剛性基層中，世界各國研究者對摻RAP 水泥穩定碎石材料的相關力學性能開展了研究，Huang 的研究顯示，摻加RAP 能夠提高水泥混凝土的韌性，但抗拉壓強度均有所降低［1］.Miró 等研究發現摻RAP 對高模量瀝青混合料的力學特性和開裂行為能力幾乎沒有影響，但隨著RAP 摻量的增加，混合料的勁度模量、密度、抗水損害和抗車轍的能力等逐漸降低，動態模量逐漸增強［2］.Taha和Ashley 開展了不同水泥劑量下摻RAP 基層混合料的抗壓強度特性研究.研究表明，無側限抗壓強度隨著RAP 摻量的降低而增大，彈性模量隨著RAP 摻量的增大而減小［3－4］.Benner 等發現隨著RAP 摻量的增加，基層、底基層材料的CBR 值和抗剪強度等性能均降低，而彈性模量增加［5］.美國數個州交通管理部門均對RAP 在路面中的應用作出了要求，基層中RAP 的推薦摻量為20%，最大允許摻量為50%［6］.吳曉春研究了冷再生水泥穩定基層的路用性能，結果表明，將適宜用量的RAP 加入水穩基層中可以改善基層的抗凍性能和收縮性能［7］.李強的研究表明，在高應力水平下，再生混合料具有比水泥穩定土更高的疲勞壽命，再生混合料的疲勞阻抗隨應力水平降低而減小，其疲勞壽命對應力水平的敏感性比一般水泥穩定材料小［8］.抗拉強度低是導致半剛性基層產生開裂的主要因素，而國內外對摻RAP 水泥穩定材料抗拉性能的研究較少.因此，研究RAP 對水泥穩定級配碎石材料抗拉性能的影響，對于全面認識RAP 在半剛性基層中應用的適用性具有積極意義.

摻RAP 水泥穩定碎石材料是一種黏彈塑性材料，應力－應變全曲線反映了材料在受拉劈裂過程中裂縫擴張、貫通、損傷累積、極限強度及變形性能等一系列變化過程，是研究材料本構關系和結構承載能力的重要基礎［9－12］.因此，本文從材料劈裂應力－應變全曲線角度出發開展劈裂試驗研究，以劈裂強度、劈裂回彈模量、峰值應變、能密度和脆性指數等為指標，分析不同的試驗溫度和RAP 摻量對水泥穩定材料抗拉性能的影響規律，以期為RAP 在半剛性基層中應用的適用性提供新的評價方法.

1 試驗設計

1.1 原材料

RAP 為北安至黑河高速公路擴建產生的廢舊料，其中，舊瀝青質量分數為4.4%，針入度為2.8 mm，延度為44 cm.水泥為PC32.5 普通硅酸鹽水泥，其80 μm 篩余為1.4%，密度為3.041 g/cm3，初凝時間為1.6 h，終凝時間為4.0 h.試驗采用的新集料為玄武巖碎石，其技術指標見表1.

表1 試驗用集料技術指標

1.2 配合比設計

根據骨架密實型水泥穩定集料級配范圍［13］，設計4 種不同RAP 摻量和水泥劑量的混合料，見表2.

表2 劈裂試驗混合料類別

級配設計的原則是盡量使各混合料關鍵篩孔通過率接近，以減小級配對試驗結果的影響.試驗級配曲線如圖1 所示.

圖1 試驗所用混合料級配曲線

1.3 試驗方法

劈裂應力－應變試驗依據文獻［14］方法進行.首先分別按照各類型混合料的最佳含水量和最大干密度靜壓成型，試件為直徑為150 mm，高度為150 mm 的圓柱體;成型后在標準養生室養護28 d，其中溫度為(20 ±2)℃，濕度≥95%.而后將試件分別置于(－15 ± 2)、(5 ± 2)、(20 ±2)℃和(35 ±2)℃的恒溫恒濕箱中，養護16 h后放入MTS 中進行劈裂試驗.采用位移控制模式加載，速率1.0 mm/min，并實時記錄試件在劈裂過程中的豎向荷載－豎向變形曲線，采集頻率為5 Hz.試驗過程如圖2 所示.

圖2 劈裂試驗

依據采集的豎向荷載和豎向變形，按式(1)～(3)換算劈裂拉伸應力和應變［15－16］.

式中:σ 為間接拉伸應力，MPa;P 為試驗荷載，N;h 為試驗時試件的高度，mm.

劈裂拉伸應變的計算式為

式中:εX為劈裂拉伸應變;μ 為泊松比，取0.25;lX為試件水平方向變形，mm，按下式進行計算.

式中:lY為試件豎向變形，mm.

劈裂回彈模量為

式中:Ei為劈裂回彈模量，MPa;p 為各級荷載，N;p0為初荷載，N.

2 結果與分析

2.1 對劈裂強度的影響

劈裂強度Ri與RAP 摻量和試驗溫度θ 的關系如圖3 所示.從中可見，隨著溫度由－15℃升高到35℃，各類型混合料的劈裂強度均持續降低，35℃時4 種混合料劈裂強度相對－15℃時降低幅度分別為25.3%、30.0%、42.6%和35.4%，可見RAP 摻量越大，強度減小越明顯.

在－15℃條件下，Ⅰ號混合料的強度最高，其他3 種分別比Ⅰ號降低了2.2%、19.7% 和3.3%，說明在負溫下RAP 的摻入將會導致水泥穩定材料劈裂強度降低，降低幅度隨RAP 摻量增加而增大.當溫度升高時，Ⅱ號強度相比Ⅰ號有較明顯提高，提高幅度約為24.5%，而Ⅲ號有所降低，35℃時降低幅度達到29.8%.說明RAP 摻量對材料劈裂強度的影響比較明顯，且適量的RAP能夠提高劈裂強度，而RAP 摻量過大時強度反而降低.另外Ⅳ號的強度較Ⅲ號的強度高19.5%以上，可見增大水泥劑量能夠提高材料的劈裂強度.

圖3 劈裂強度與RAP 摻量和試驗溫度的關系

2.2 對劈裂模量的影響

劈裂回彈模量E 與RAP 摻量和試驗溫度的關系如圖4 所示.

圖4 劈裂模量與RAP 摻量和試驗溫度的關系

由圖可見，總體上混合料劈裂回彈模量隨溫度升高而降低.相對Ⅰ號混合料而言，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號混合料模量在不同溫度下均有不同程度的降低，20℃時降低幅度分別為6.1%、12.8%和0.5%，說明RAP 能夠使水泥穩定碎石材料的模量減小，且降幅隨RAP 摻量增加而增大，但總體降低效果不明顯.另外由于Ⅲ號模量比Ⅳ號模量略有提高，但最大不超過10.0%，也說明水泥劑量對模量影響較小.

2.3 對峰值應變的影響

將應力－應變曲線上應力峰值點(劈裂強度)對應的應變定義為峰值應變ε0.材料劈裂峰值應變ε0與RAP 摻量和試驗溫度的關系見圖5所示.由圖可見，在－15℃條件下，峰值應變隨RAP 摻量增大而減小(其他3 類種混合料相對比Ⅰ號的分別減小6.9%、13.5%和5.5%).這主要與RAP 中舊瀝青性質有關，在－15℃下舊瀝青處于玻璃態，變形能力差，RAP 含量越大，對材料整體的影響也越大.

在正溫下，隨RAP 摻量增加，峰值應變先增大后減小，相對Ⅰ號峰值應變ε0，Ⅱ號提高幅度大于6.0%，Ⅲ號降低幅度甚至達到14.3%.這主要由兩方面原因導致，一方面是RAP 通過影響峰值應力而導致峰值應變呈現相似的變化趨勢，另一方面則是RAP 自身較強的塑性變形能力促進了混合料的變形能力，前者占主導.

圖5 峰值應變與RAP 摻量和試驗溫度的關系

溫度對峰值應變的影響較小，隨溫度升高，峰值應力逐漸減小，相應的峰值應變也趨于減小，與此同時舊瀝青的變形能力逐漸增強，材料塑性變形增大，試驗結果是兩方面綜合作用的表現.

2.4 對曲線能密度的影響

應力－應變全曲線所包圍的面積為劈裂中材料消耗的總能密度U，曲線上升段即應變由0 增加到峰值應變ε0，σ－ε 曲線所包圍的面積為材料在劈裂試驗加載段吸收的能密度U1(臨界能密度).U 表征了材料從加載至完全喪失承載力全過程中所消耗的能量，U1是從零應力狀態達到極限強度的過程中材料所需要能量的表征.圖6、7 分別為材料U 和U1與RAP 摻量和試驗溫度的關系.

圖6 全曲線能密度與RAP 摻量和試驗溫度的關系

圖7 臨界能密度與RAP 摻量和試驗溫度的關系

由圖可見，RAP 摻量和試驗溫度對曲線能密度的影響規律亦與劈裂強度相似.20℃時Ⅱ號的曲線能密度U 和U1相對基準配合比Ⅰ號增幅分別達到了13.0%、10.3%，Ⅳ號的曲線能密度U和U1相對基準配合比Ⅰ號增幅分別達到了23.9%、11.2%，而Ⅲ號的降幅分別為11.1%和17.5%.可見適宜的RAP 摻量能夠使曲線應變能密度有所提高，摻RAP 水泥穩定材料在荷載作用下，從損傷的產生、發展直至破壞失去承載力的過程中需要耗散更多的能量.

2.5 對脆性指數的影響

將應力－應變曲線上升段面積與下降段面積的比值定義為材料脆性指數Bc，即

Bc越大，則材料韌性更小，在破壞后釋放能量越劇烈，越趨于脆性破壞.材料脆性指數與RAP 摻量和試驗溫度的關系見圖8 所示.

圖8 脆性指數與RAP 摻量和試驗溫度的關系

由圖可見，在－15℃，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ號配合比的脆性指數比Ⅰ號基準配合比的分別提高了4.2%、13.1%和9.1%，RAP 的摻入會導致材料的脆性指數增大，這是由于在－15℃環境下，RAP 中的瀝青已處于玻璃態，表現出明顯的脆性性質，RAP 摻量越大，脆性性質越明顯.

在正溫條件下，RAP 的摻入能夠在一定程度上降低水泥穩定碎石材料的脆性指數.20℃時，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ號配合比的脆性指數比Ⅰ號基準配合比的分別降低了3.9%、11.1% 和15.5%，35℃時，降低的幅度分別達到了24.6%、33.6% 和19.8%.說明RAP 摻量越大、溫度越高，脆性指數降低的幅度越大，材料的脆性減弱，韌性增加.這與材料的損傷發展有關，當荷載引起的應力達到材料的極限強度后，試件內部出現可見裂紋，并不斷貫穿形成主要貫通裂縫，導致承載力衰減喪失.材料模量越大，裂縫發展過程中越容易產生應力集中現象，使得試件破壞速度加快.當摻入回彈模量較低的RAP 后，在一定程度上消除了應力集中，從而延緩了材料裂縫的擴展和貫通.

2.6 各評價指標間的關系

以上分析可見，摻RAP 水泥穩定碎石材料的劈裂強度Ri與其他劈裂行為評價指標有一定的關系.對各項指標與劈裂強度間的關系進行回歸分析，如圖9 所示.可見，劈裂強度與其他指標呈現簡單的線性正相關關系.由于劈裂強度隨RAP摻量增加先增大后減小，為使材料的劈裂行為趨于改善，推薦RAP 適宜摻量(質量分數)為15%～20%.

圖9 指標間的相關關系

3 結論

1)通過不同的RAP 摻量和水泥劑量，設計了4 種水泥穩定碎石混合料，采用劈裂試驗研究RAP 摻量和試驗溫度對材料劈裂強度、劈裂回彈模量、峰值應變、能密度和脆性指數等指標的影響，發現各類材料的劈裂強度、劈裂回彈模量和脆性指數均隨溫度升高而趨于降低，降低幅度隨RAP 摻量增加而增大.

2)在－15℃，隨RAP 摻量的增加，劈裂強度和峰值應變持續減小，脆性指數增大.正溫條件下隨RAP 摻量增加，劈裂強度、峰值應變和能密度先增大后減小，劈裂模量和脆性指數趨于降低.

3)回歸分析表明，劈裂模量、峰值應變、能密度和脆性指數與材料劈裂強度之間均呈現簡單的線性正相關，使各評價指標趨于改善的RAP 推薦摻量(質量分數)為15%～20%.

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