溫度對再生粗骨料和再生瀝青路面強度的影響探討

駱強

（河南省濮新高速公路建設有限公司,河南 濮陽 457000）

隨著城市改造的擴張，混凝土得到了廣泛應用，我國的環境面臨著嚴峻挑戰。由于天然骨料（NA）約占混凝土混合料質量的75%，大量建筑垃圾的產生對環境產生了有害影響。研究人員探索了用再生粗骨料，以及再生瀝青路面作為混凝土替代物。大部分研究報告表明，使用RCA和RAP有不利影響，RCA中殘留的舊砂漿會導致表面裂縫和更高的吸水性，以及由于混凝土之間的黏結力較弱，對混凝土力學性能造成不利影響[1～3]。為了解決這個問題，一些研究通過添加劑處理RAP和RCA，提高再生混凝土的性能。最近幾十年，許多研究者更關注在高溫下使用RCA的可能性，研究了不同溫度對混凝土強度的影響，用RCA替代NA，替代率為30%、50%、70%和100%，結果表明：隨著溫度升高力學性能降低，且RCA替代水平影響強度[4～6]。以往研究中較少關注RAP和RCA對混凝土力學性能的影響，本文采用30%、50%、70%和100%四種替代率，且考慮了RAP的影響，在4種溫度下：20℃、200℃、400℃和500℃，通過室內試驗，測試了壓縮強度。試驗分為四組試樣：用100%天然粗骨料制成的NCA試樣；RAP試樣；RCA試樣；RAPRCA試樣。RAP試樣用10%、20%和30%的替代率補償。RCA試樣以20%、40%、60%和100%的替代率補償。RAP-RCA試樣由10%RAP-90%RCA，20%RAP-80%RCA和30%RAP-70%RCA構成。

一、試驗材料設計

（一）材料

1.水泥

采用普通硅酸鹽水泥，其密度為3.15g/cm3，化學組成測試如表1所示。

表1 水泥的化學組成

2.集料

天然集料采用石灰巖碎石，篩孔尺寸在5mm～20mm之間，圖1為三種集料的篩分級配。使用的RCA是通過室內試驗壓碎舊混凝土試樣獲得，舊的樣品混凝土的抗壓強度不超過30MPa，壓碎試樣的使用年限為1年～2年。混凝土被壓碎分兩個階段，第一階段是粉碎，混凝土立方體和圓柱體分成大塊，在第二階段被分解成更小的部分。隨后篩分混凝土，以獲得所需粒徑在5mm～20mm的集料。所用的RAP是從瀝青路面廢料中提取的道路重建現場的碎石，碎石被壓碎后，在5mm～20mm的篩子上篩分。從圖1可以看出，所有骨料的梯度幾乎是相似的，這將確保級配不對混凝土的力學性能造成影響。NCA、RCA和RAP根據相應規范測試物理力學性能，如表2所示。由表2可以看出，NCA的吸水率最低，為1.48%，其次是RAP，吸水率為1.9%，吸水率最高的為RCA，預期值為7.91%，對于洛杉磯磨耗值，RCA的值最高，RAP和NCA次之。

圖1 所用集料的級配

表2 集料的物理性質

（二）混合料設計

三種試驗混合料的水灰比分別為0.4、0.42和0.45，混合料類型分別為100%NCA、RCA和RAP。選擇這些水灰比的原因是為了獲得可接受的抗壓強度和良好的工作性，配合比設計和平均混凝土圓柱體的抗壓強度，每個w/c的100%NCA、100%RCA和100%RAP混合料比例，如表3所示。由于再生骨料在使用前沒有清洗過。強度試驗結果發現采用水灰比0.4更優，因此相同的配合比設計了11種混凝土拌合料看，開展由再生粗骨料和再生瀝青路面材料組成的混合料的強度探討，如表4所示。

表3 試驗用混合料

表4 混合料配合比

二、試樣制備及試驗方法

（一）試樣制備

試驗采用圓柱形試件，試件尺寸為高200 m m，直徑100mm，所有混凝土混合料均使用機械攪拌，混凝土分兩層澆筑在圓柱體中，每輪攪拌25次。成型24小時后，在標準養生條件下養護，濕養護28天后，在室外溫度下加熱大約4天將樣品干燥。

（二）試樣加熱

試樣被置于4個溫度水平：20℃、200℃、400℃和500℃。溫度20℃被認為是常溫。當溫度達到200℃、400℃和500℃是考慮到暴露在結構中的混凝土構件，由于實際生產中不同設備產生的特殊熱量。所有樣品都在熔爐中加熱，溫度上升速率為5℃/min，當溫度達到目標回火時，溫度保持恒定3h，然后樣品在不打開爐門的情況下冷卻，直到內部溫度達到室溫，內部爐子的溫度以數字形式顯示在外部。

（三）抗壓強度試驗

在實驗室試驗圓柱體抗壓強度，試驗時垂直方向為約束，水平方向自由，分別測試11種不同替代水平的混合料，對于每一類型混合料，求3個平行試件的平均值作為測試結果。

三、試驗結果分析

（一）RAP混合料

RAP混合料的抗壓強度結果如圖2所示。結果表明，在相同的溫度下，隨著RAP替代量的增加，強度普遍降低。主要原因是舊的瀝青層覆蓋再生集料影響了骨料和新水泥之間的黏結，導致界面過渡區的行為減弱，使強度降低，這一減量隨著RAP替換率的增加，其響應也隨之增加。

另一方面，當溫度從20℃升高至500℃時，相同RAP替代率混凝土的強度降低。實驗結果表明，在400℃和500℃時，對于相同RAP置換水平混凝土強度的降低并不顯著；200℃時，RAP替代率對強度影響不顯著；對于NCA混合料，與20℃時的強度相比，在200℃、400℃和500℃時，其強度降低明顯。對于10%RAP混合料、20%RAP混合料、30%RAP混合料強度降低明顯。眾所周知，RAP含有舊瀝青，這種材料覆蓋在RAP中的骨料上，溫度升高導致黏度降低，這會影響材料的顆粒嵌擠，并降低瀝青剛度。200℃下、水蒸汽產生的壓力削弱了瀝青涂層的內部微觀結構，瀝青涂層的黏度降低，導致抗壓強度比20℃時大幅度降低。400℃時、大多數CH晶體分解，500℃時，幾乎所有的CH晶體和一些C-S-H凝膠都會分解，內部結構變得更加松散，抗壓強度降低[7]。

圖2 不同RAP替代率下的混合料抗壓強度

（二）RCA混合料

RCA混合料的抗壓強度結果如圖3所示。結果表明，在相同溫度下，隨著RCA替代量的增加，材料的強度降低。

強度降低的主要原因是RCA的性能、砂漿基質和界面區[7]，基體中有許多新老砂漿界面，導致界面黏結力較弱，而在壓縮荷載作用下更多的缺陷影響黏結破壞，導致強度降低。還有存在再生集料中的微裂紋導致裂紋尖端的應力集中，致使裂紋擴展，并在壓縮載荷作用下造成早期破壞。

（三）RAP-RCA混合料

RA P-RCA混合料的抗壓強度結果，如圖4所示。與100%RCA混合料相比，強度隨著RAP替代率的增加而降低，在RAP-RCA混合料中RAP對強度起著主導作用。強度降低的主要原因是RAP和RCA集料的性質，砂漿基質和界面區。RAPRCA混合料包含了舊瀝青和砂漿層覆蓋在骨料上，導致界面區新基質和舊基質之間黏結更弱。

當溫度從20℃升高至500℃時，相同替代水平的RAP-RCA的強度是降低的。相同替代水平的RAP-RCA，與200℃的強度相比，400℃和500℃下的強度值相差不顯著。

在20℃，RAP-RCA膠漿處于密實狀態且完全黏結在一起，但其強度肯定遠低于100%NCA混合料。雖然RAP和RCA存在，呈現一些微裂紋且舊的界面性能是良好的。

隨著溫度的升高，微結構發生了變化。基體變得更松散，界面行為也更為復雜，這會導致黏結力減弱，抗壓強度降低。在200℃、水開始蒸發，這會增加細裂紋和混合物內部的孔隙，導致微觀結構開始形成，界面區性能降低，CH晶體和C-S-H凝膠仍然完好無損。

400℃時水已完全蒸發，基體中裂縫和氣孔占主導地位，這使得基體更松散，大量的CH晶體開始分解而數量更少，集料與結合料之間的黏結進一步削弱。500℃時，所有的CH晶體分解，一些C-S-H凝膠也開始分解。在基體中，體積收縮和骨料膨脹是導致黏結減弱和裂紋在界面區擴展的主要原因[4]。

盡管是完全由回收的骨料制成的混合料，其強度降低率與RAP-RCA混合料相當，這可被視為使用此類混合料以保護環境并在高溫下獲得可接受的強度降低的新的老化跡象。

圖3 不同RCA摻量下的混合料強度

圖4 不同RCA和RAP下的混合料強度

四、結語

在相同溫度下，隨著RAP和RCA替代水平的增加，混合料的強度降低；RAP和RCA的替換水平相同，溫度增加，強度降低。當采用少量的RAP時，強度的降低更顯著，同時，大量RCA的替代水平對混合料的性能影響更顯著。相同的替代水平下，400℃和500℃下的混合料強度值相差不顯著。