不同水泥摻量的再生瀝青路面和再生混凝土路面性能評價

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計的規范要求，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。文章從壓實特性、無側限抗壓強度、間接抗拉強度、彈性模量等物理性質方面，對水泥固化RAP和RCA材料性能的效果進行了研究，并做了對比分析。結果表明：用水泥固化的RCA基礎的性能比RAP更好;試驗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;無側限抗壓強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，隨著RAP摻量的增大而呈減小趨勢。總的來說，采用6%水泥固化的25% RAP、25% RCA和50% RCA混合物的性能最優。

關鍵詞：再生瀝青路面;再生混凝土路面;傳統骨料;無側限抗壓強度;彈性模量

文獻標識碼：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）是目前路面修復和建筑行業主要的兩種再生材料，這些材料大多被用于垃圾填埋場、停車場等不環保的地方。一般情況下，基層和表面采用傳統骨料（VA）來施工，可以將交通荷載傳遞到下墊層而不產生較大的變形。事實上，隨著時間、交通和環境因素的變化，路面老化的速度很慢，因此VA具有一定的使用壽命，回收VA能節約自然資源，保護環境。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，并進行兩種材料的試驗研究。本文對水泥固化的RAP和RCA材料進行了室內試驗，分別以25∶75、50∶50、75∶25和100∶0的比例替代VA。測試內容包括物理性能、壓實特性、無側限抗壓強度、間接抗拉強度、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，并在形變較小情況下將應力向下傳遞。一般情況下，材料的物理性質、類型和環境條件都會對道路基礎的強度產生影響[1]。在有關水泥加固道路基礎的文獻中可以看出，水泥處理過的再生基礎材料在結構上優于傳統基礎材料[2]，還有助于減少塑性形變[3]。水泥處理基礎失效主要與施工期間的設計以及材料和質量的控制有關[4]。因此，為了改善水泥固化基礎材料的物理特性，需要對材料取樣進行實驗研究[5]。本文對RAP和RCA兩種再生材料進行了對比分析，主要對材料的壓實特性、無側限抗壓強度、間接抗拉強度、彈性模量進行了研究。

2 方法和材料

2.1 方法

本研究旨在評價水泥加固地基強度的特性，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級普通硅酸鹽水泥。試驗混合物的骨料級配按照規范中的分級要求確定。首先從收集的RAP材料中提取瀝青，然后對RAP和RCA進行篩分分析、沖擊試驗等物理測試，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%。使用改進的Proctor試驗（MPT）確定最佳水分含量和最大干密度。根據MPT中獲得的最佳含水率來制備樣品，并對材料固化7 d。對制備的試件進行強度參數（UCS、ITS）和剛度參數（彈性模量）的測試。

2.2 材料

材料包括7年齡期的RAP、RCA、VA和53級普通硅酸鹽水泥，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。

2.3 樣品制備

在確定材料物理性質之后，需要確定其壓實特性。壓實使用改進的proctor測試程序并依據規范進行。模具的直徑為102 mm，高為127 mm。錘的質量為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且總質量相同的顆粒進行替換。根據OMC澆鑄樣品測試UCS、彈性模量和ITS。

3 室內試驗

3.1 無側限抗壓強度測試（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。每個試件所承受的最大載荷除以橫截面積即為抗壓強度。

3.2 間接拉伸強度試驗（ITS）

樣品按要求的最大干密度壓實，模具內徑為101.60 mm，高為63.5±2.5 mm，壓實24 h后提取，養護7 d。然后，按照規范在50.8 mm/min的加載速率下測試樣品的間接抗拉強度。間接抗拉強度由式（1）確定。

ST=2 000P/πDt （1）

式中：ST——間接抗拉強度（N/mm2）;

D——試件直徑（mm）;

t——試件厚度（mm）;

P——極限破壞荷載（kN）。

4 結果分析

初步得到了VA、RCA、RAP等材料的物理性能。經有機物萃取，RAP中瀝青的含量為4.47%。經篩分分析，分別對RCA、VA和無瀝青的RAP材料進行脆度、伸長指數、磨損值和吸水率等物理性能測試，結果如表1所示。

由表1可知，RCA的吸水率比VA和RAP高，其疏松指數高，不符合規范要求，材料在加工處理時沿斷裂面裂開，RAP的松散度和伸長指數均超過規定限值。基礎材料的強度和剛度主要取決于骨料級配和水泥的固化作用，而不是由骨料的性質和形狀決定。因此，雖然RAP的松散度和延伸率等指標均不符合規范要求，但是依舊可以考慮作為基礎材料使用。RAP-VA和RCA-VA混合物的級配曲線如圖1所示。由圖1可知，所有混合物的級配都屬于中等級配。

4.1 壓實試驗

按照規范采用改進的Proctor測試程序進行試驗。對不同比例的RAP和RCA混合料進行壓實，每次試驗重復3次。不同混合物的OMC和MDD結果如表2和表3所示。

由表2和表3可知，100%RAP的OMC相對較低，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（100%RCA和75%RCA）會導致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 無側限抗壓強度（UCS）

對直徑為100 mm、高度為200 mm的試件進行UCS試驗，其結果如圖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，且隨著RAP的增加呈下降趨勢。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骨料的強度最高且與水泥的摻量無關;當水泥摻量為6%時，所有骨料混合物都表現出較高的強度。

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

4.3 彈性模量

對不同水泥摻量的RAP/VA和RCA/VA混合物的彈性模量進行了測試。如下頁圖3所示，試驗構件的彈性模量隨水泥摻量的增加呈直線上升趨勢。當水泥摻量為6%時，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。當水泥用量為6%時，向混合物中添加RCA會降低彈性模量值。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構件的整體性能。

4.4 間接抗拉強度（ITS）

對不同水泥摻量的RAP、RCA混合物進行間接抗拉強度試驗。ITS測試結果如圖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。當水泥用量為6%、RAP用量為25%時，RAP和VA混合物的ITS最高。從圖4（c）可以看出，RCA混合物比RAP混合物的強度高。這是由于RCA和VA的骨料之間存在互鎖關系且RCA自身具有粘結性;而RAP混合物中存在瀝青涂層，導致骨料之間的粘結性降低。

5 結語

本研究得出的具體結論如下：

（1）用水泥固化的RCA基礎的性能比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度的關鍵因素。

（2）結果表明，試驗材料的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之間存在線性關系。

（3）無側限抗壓強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。強度增加原因是水泥之間形成了較強的粘結，強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，隨著RAP摻量的增大而呈減小趨勢。對于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%時強度較好。

參考文獻

[1]樓 婧.高摻量RAP再生瀝青混合料路用性能研究[J].福建交通科技，2020（6）：19-21.

[2]李文軍.淺談再生瀝青混合料技術的環保減碳效益[J].福建交通科技，2020（5）：43-47.

[3]仲小玲，斯 毅.大比例RAP熱再生混合料工程應用經濟性分析[J].現代交通技術，2020，17（4）：1-5.

[4]趙 璐.基于再生瀝青混合料性能特點的再生路面設計研究[J].交通世界，2020（22）：64-65.

[5]戴 勁，劉 濤.水損害環境下RAP顆粒與瀝青的粘附性能研究[J].建材世界，2020，41（6）：26-28.

收稿日期：2021-03-18

作者簡介：藍志堅（1972—），工程師，主要從事公路養護工作。