再生石灰粉煤灰稳定碎石材料的耐久性评价

蔡硕果 徐世法 高玉梅 于保华 傅庆志 刘世波

（1北京特希达交通勘察设计院有限公司，北京 100067；2北京建筑大学 未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；3北京首发公路养护工程有限公司，北京 102613；4北京市政路桥管理养护集团有限公司市政工程三处，北京 100097；5北京立高立德工程技术有限公司，北京 100141）

0 前言

我国的高等级沥青路面普遍将半刚性基层作为基层材料使用，其优点是具有较高强度、刚度以及良好的整体性，并能提高路面的承载能力。在很长时期内，半刚性基层在我国高等级路面结构中作为一种主导性材料，随着高等级公路陆续进入改扩建期，每年需要大中修的道路约10万公里，会产生大量的废弃路面材料，造成巨大的资源浪费和经济损失。因此，再生循环利用废旧路面材料具有重大的经济效益和社会意义[1-3]。

目前，道路半刚性基层旧料再利用方式包括旧料和松掺灰、厂拌处理等，其结合料主要有水泥、水泥+粉煤灰、石灰+粉煤灰等。选取水泥作为结合料可以更好地保证施工质量，考虑到北京地区石灰资源较少，选用石灰粉煤灰稳定碎石材料（二灰旧料）再生为水泥稳定碎石基层。然而对于再生半刚性基层，规范仅仅要求基层质量控制指标，忽略了耐久性等问题[4-5]。

因此，为了研究再生半刚性基层耐久性能，本文查阅相关文献后发现，聚酯纤维具有较强的拉弯强度、高弹性模量特点，将其用于半刚性基层中可以很大程度地提高其抵抗开裂的性能。这是因为RAP材料呈现出粘弹性，利用RAP的特性可以通过减小材料的刚度增加基层的使用寿命[6-8]。

本文通过掺加纤维和RAP的方式改善再生半刚性基层的耐久性，主要从抗冻性能、抗疲劳性能以及冲刷性能方面评价改善后的再生半刚性基层耐久性，并与新料基层、改善前再生半刚性基层的使用寿命进行研究，结果发现经过改善的RAP基层使用寿命优于完全使用新料的半刚性基层。

1 增韧材料与级配设计

1.1 水泥

对水泥的各项指标进行了测试，测试的结果如表1所示。

表1 水泥各项指标检测结果

对水泥性能指标测试表明，其各项指标满足规范要求。

1.2 聚酯纤维

本文所采用聚酯纤维主要技术指标见表2。

表2 聚酯纤维技术指标检测结果

1.3 RAP

本文所用RAP为通州区某公路沥青路面面层铣刨料，沥青含量5.4%。其筛分试验结果见表3。

表3 RAP材料筛分结果

1.4 级配设计

本试验选取四种具有代表性的级配，以级配中值为设计级配，见表4。

表4 不同级配下集料的通过率（%）

图1 各级配下集料的通过率

由上表可以看出，级配A、B均是粗料少、细料偏多，构成了悬浮密实型结构。级配D的粗集料较C的含量多。A、B、C、D四种级配曲线图中，D级配构成试件具有最好的骨架结构，进一步对上述四种级配进行抗裂性能评价、使用寿命优选。

北方寒冬季节的反复冻融作用会使水泥稳定基层强度下降，导致基层内部产生薄弱面，从而发生开裂。本文对半刚性基层进行抗冻性能试验，选出使用寿命较优的级配。

1.4.1 试验方法

本文对试件的耐久性评价主要选用冻融试验方法，用抗冻系数来评价（基层试验材料在冻融循环后的强度与未进行冻融的对照组的强度之比），用公式1表示。本文选用抗冻系数的大小来评价试件的耐久性。

1.4.2 试验结果及分析

根据规范要求，该试件的养生期为28d，养生期结束后在20℃恒温箱中放置24h。根据试验要求，将试件在-18℃保温16h，然后在60℃水中继续放置24h，整个过程为一个冻融循环。进行5次循环后测试其抗压强度与劈裂强度。根据未冻融对照组的强度值，计算得到冻融前后的抗冻系数，结果见表5和表6。

表5 不同级配下的基层5次冻融循环前后抗压强度比

表6 不同级配下的基层5次冻融循环前后劈裂强度比

从上表可以看出，经冻融循环后抗冻系数随着A、B、C、D级配增大，基层抗压、劈裂强度在冻融前后的损失率变小，冻胀循环对集料的粘聚力和混合料的胶结力影响均较小。将各自的强度比进行数学拟合，由图2可以看出两者的相关系数很高。试验结果表明，试件的抗裂性及耐久性随级配A、B、C、D呈现逐渐增强的趋势，级配D是其中抗裂性及耐久性能最佳的级配。

图2 抗压强度比与劈裂强度比相关系数

综上，本文级配选用上述最优抗裂级配，其中水泥掺量为3.5%，纤维掺量为0.2%，结果见表7和图3。

表7 优选级配设计

图3 级配曲线图

2 耐久性性能评价

2.1 抗冻性能

本文按照规范对新料组、50%旧料再生组、完全使用旧料再生组以及50%旧料再生改善组进行抗冻性试验[9-11]，结果如表8。

表8 抗冻性能的试验结果

由图4可以看出，50%旧料再生组与新料基层相比，抗冻系数降低2.2%，完全使用旧料再生组与添加一半旧料再生组相比，抗冻系数降低0.87%，半刚性基层的抗冻性随旧料添加量的提高稍有降低，其抗冻性能均不如完全使用新料的基层。但是经过聚酯纤维改善的再生组的抗冻系数基本与新料基层持平，聚酯纤维确实提高了再生基层的抗冻性能。

图4 各组抗冻系数试验结果

2.2 抗疲劳性能

对添加旧料和聚酯纤维的再生半刚性基层进行性能验证。本文选用疲劳试验进行耐久性验证，与不添加旧料、添加50%旧料、完全使用旧料再生组进行对比。添加50%旧料改善组的疲劳性能如表9所示。

表9 添加50%旧料再生改善组的疲劳寿命（次）

表10 各试验组的疲劳参数方程

表9中数值为疲劳寿命的对数，进行一元线性回归可以得到保证率为95%时的疲劳寿命方程，结果如表10和图5所示。

图5 各组疲劳方程

由表中方程的A、B值可以评价试件的疲劳耐久性，A值大说明疲劳曲线平缓，半刚性基层对耐久性不敏感，B值大则说明试件的疲劳寿命越长。表10和图5表明，再生改善后的半刚性基层疲劳回归方程中的A、B数值均为最大，经过聚酯纤维及旧料改善的再生组其疲劳耐久寿命较完全使用新料的半刚性基层大约提高7%，且对疲劳的敏感性降低，而相比旧料基层的疲劳寿命则大约提高了37%，疲劳敏感性大大增加。

结果表明，改善后的再生半刚性基层抗疲劳性能得到了提高，并略优于新料基层。

2.3 抗冲刷性能

本文验证基层的冲刷性能选用横向分布车辙仪来进行试验，根据试验规范要求，车轮作用在试件上的单位压力是0.7MPa。本文研究所对应的交通条件为特重交通，为了更好模拟实际情况，车轮压力调整为1.0MPa，试验横向速度确定为10cm/min，纵向速度仍为规范要求的42次/min，模拟时间1h[14-15]。

按以下步骤进行冲刷试验。

1）按照规范要求给出的最大干密度和最佳含水率以98%的压实度制成双层车辙板（10cm×30cm×30cm）。

2）将成型的车辙板试件在养护室里放置28d，称出烘干后质量为m1[16]。

3）对双层车辙板进行高温性能验证，将水注入车辙仪中，根据规范要求加入水高出试件10mm，试件在20℃水中浸泡2h，试验持续时间1h[16]。

4）将试验结束后的试件烘干，称得质量记为m2，车辙板模具质量记为m3。

试验结果见表11。

由表11可以看出，添加一半旧料的再生半刚性基层与完全使用旧料的再生组和完全使用新料组相比，抗冲刷性能均较差，旧料多则冲刷磨耗率大，说明其抗冲刷能力较弱。经聚酯纤维改善的再生基层其冲刷磨耗率与完全使用新料的基层相比大致提升2%，综上可以得出加入聚酯纤维、旧料可以使再生基层抗冲刷性能有所提高。

3 结论

本文研究了聚酯纤维对再生基层耐久性的改善效果，与完全使用新料基层及聚酯纤维改善前的再生组进行对比，可以得到以下结论：

1）经聚酯纤维改善后的再生半刚性基层的抗冻性能较未改善的再生组有较大提升，且其抗冻系数值与完全使用新料的基层持平。

2）通过拟合的方程可以看出聚酯纤维的加入改善了再生半刚性基层的疲劳敏感性，增加其疲劳寿命，提高了耐久性能。

3）经聚酯纤维改善的再生基层其冲刷磨耗率与新料基层大致持平，并且低于未加入聚酯纤维的再生基层，聚酯纤维提高了再生半刚性基层的使用寿命。

综上所述，增韧的再生半刚性基层材料耐久性得到了提高，且优于新料基层。