水泥处理再生沥青路面材料的室内试验研究

孟令卿, 郭毅鹏

(常德市交通建设投资集团有限公司， 湖南 常德 415003 )

0 引言

路面暴露在多种类型的交通和环境荷载下，在没有任何维修的情况下，它们的使用寿命是一定的[1]。在许多国家，修复路面的一般性做法是铺装新的骨料基层或热拌沥青(HMA)基层[2]；然而，重新铺装会导致道路厚度增加，消耗大量资源，并会排放大量的有毒气体[3]。另一种方法是破坏上层的沥青路面，然后放置新的沥青混合料；该技术可产生大量的再生沥青路面(RAP)材料。最近一项研究结果表明，RAP是一种级配良好的材料，其最大干密度与其他常规颗粒材料相当[4]。如果与其他传统骨料混合，RAP的弹性模量略高于密实级配骨料，因此其有望取代路基中的传统骨料[5]。本文利用当地路面产生的沥青回收料进行实验室研究，将沥青混合料中RAP的百分比含量设置为100%、75%、50%、25%、0，配制不同的水泥稳定碎石混合料，并对这些混合料进行实验室力学试验(抗压强度、抗折强度、间接抗拉强度和弹性模量)，以期获得最佳性能。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究使用的硅酸盐水泥28 d抗压强度大于42.5 MPa，相对密度为3.10，细度为440 m2/kg。表1为其主要组成成分与比例。

表1 硅酸盐水泥的主要组成化合物化学缩写比例/%硅酸三钙C3S54.4硅酸二钙C2S18.6铝酸三钙C3A11.4四氯化铝铁C4AF9

本研究使用了2种骨料： ①当地路面碾磨工序中获得的RAP;②当地石灰石采石场获得的最大骨料尺寸为20 mm的碎石。2种材料的级配曲线如图1所示。

图1 碎石和RAP的级配曲线

通过级配数据计算了2种材料的均匀系数(Cu)和曲率系数(Cc)(见表2)，并给出了其相对密度。这2种材料中不含有害物质(主要是黏土)。

表2 碎石和RAP的参数类别过筛率(80 μm)/%均匀系数曲率系数相对密度RAP729.64.42.36碎石626.72.12.56

1.2 配比研究

用于路面建设的新型骨料，用其制成典型水泥混合料，水泥比例通常为3%～5%。由于RAP是由老化沥青的再生骨料组成，因此将水泥含量略微提高到6%，从而满足实际路面的需求。RAP含量占骨料总重的比例从0～100%取5种，标记为F1～F5，以研究不同RAP组分对力学性能的影响，如表3所示。

表3 不同组分混合料的配合比标号RAP含量/%碎石/%RAP/(kg·m-3)碎石/(kg·m-3)水泥/(kg·m-3)水/(kg·m-3)F110001 9600125130F275251 490497127131F350501 0061 006129133F425755101 530130135F5010002 067132137

2 试验研究

2.1 力学性能

是否能将混合料用作基层，需要检验混合料的几个力学特性。在实验室中测定了5种混合料的弹性模量、抗压强度、间接拉伸(IDT)强度和抗弯强度。

2.2 弹性模量

养护28 d后，用脉冲法测定了5种混合材料的弹性模量(见图2)。对比发现混合料F5的弹性模量测试值最高，为17360MPa。图2中不同RAP含量下弹性模量值的线性回归拟合曲线呈下降趋势，如式(1)所示，弹性模量随着RAP含量的增加而下降，对于混合物F1(100%RAP)，弹性模量值仅为4690MPa。

图2 弹性模量与RAP含量的关系

E(RAP)=E(CTG)-125×m(RAP)

(1)

式中：E(RAP)为水泥处理后RAP混合料的弹性模量；E(CTG)为水泥处理碎石混合料(100%碎石)的弹性模量；m(RAP)为RAP在混合物中的质量百分比。

2.3 抗压强度

对直径16 cm、长32 cm的圆柱形试件养护7、14、28 d后进行压缩试验。图3给出了混合料的抗压强度和密度测试结果。从图3可以清楚地看出，抗压强度随着混合料中RAP含量的增加而降低。

图3 混合料的抗压强度和密度

这是因为RAP骨料被沥青覆盖，降低了过渡区(骨料颗粒和水泥浆体之间的区域)的强度。密度随着混合料中RAP含量的减少而增加。在28 d养护后的测试结果中可以明显看出，随着RAP含量的减少，混合物的密度从2190 kg/m3增加2406kg/m3，增长幅度十分明显。

图4给出了不同RAP含量混合料抗压强度随龄期的变化结果。正如预期的那样，抗压强度会随着养护时间的增长而增加。对于所有混合料，7 d龄期后抗压强度约为28 d后强度的70%～75%。建议使用经7 d以上养护的F3(50%RAP)、F4(25%RAP)和F5(无RAP)的混合料作为路面结构的基层。

图4 抗压强度与养护时间的关系

图5给出了在7 d和28 d养护后试件抗压强度随RAP含量变化的结果，图中所示的线性函数可用于估计抗压强度随RAP含量变化的趋势，式(2)为其拟合的曲线方程。要达到8 MPa的标准，养护7 d和养护14 d的RAP含量不应超过60%，养护28 d的抗压强度均满足要求。

图5 抗压强度与RAP含量的关系

f′c7(RAP)=f′c7(CTG)-0.07×m(RAP)

(2)

式中:f′c7(RAP)为RAP混合料7 d的抗压强度；f′c7(CTG)为水泥处理碎石混合料(无RAP)7d的抗压强度。

2.4 抗拉强度

所有抗拉强度试验均在养护28 d后进行，图6显示了抗拉强度与RAP含量的关系。与其他力学试验类似，IDT强度随着RAP在混合料中含量的增加而降低。但所有RAP含量的混合物，抗拉强度都不小于1 MPa，约为抗压强度的11%～12%。

图6 抗拉强度与RAP含量的关系

2.5 抗弯强度

在三点弯曲装置中对尺寸为7 cm×7 cm×28 cm的试件进行测试。与抗拉强度试验相同，该测试在养护28 d后进行。图7显示了抗弯强度与RAP含量的关系，由图可以看出，抗弯强度随着RAP含量的增加而降低。F1混合料的测量值为1MPa(最小)，基层混合料在交通荷载下经常会受到弯曲应力，弯曲强度是一个重要的参数，该值(1 MPa)能满足实际路况需求。对于所有混合料，弯曲强度为抗压强度的13%～19%。

图7 抗弯强度与RAP含量的关系

2.6 力学测试结果的讨论

正如预期，各种力学测试的结果均表明，随着RAP含量的增加，材料的性能有所下降。将F5混合料的性能定义为100%，图8显示了F1～F44种不同RAP掺量的混合料与F5混合料(无RAP)的性能对比。当RAP含量为100%时，抗压强度和IDT强度下降了约50%，表明RAP含量的增加大大降低了混合料的刚性。弹性模量下降幅度更大，F1混合料(100%RAP)约为混合料F5(无RAP)的27%。但力学性能值降低并不意味着材料不能用于实际工程中，例如：对于RAP含量小于60%的混合料，其7 d抗压强度大于8 MPa，完全能满足标准要求。

图8 F1～F4混合料与F5混合料的性能对比

3 收缩测试

3.1 收缩特性

水泥处理的材料经热收缩(温度变化)和干燥收缩(水分损失)后，通常由于路基摩擦，加之基层顶部和底部之间的应变，导致水泥基层受到约束。在此约束下，收缩应变会导致拉应力的产生，一旦拉应力超过材料的抗拉强度，就会产生裂纹。因此，在基层设计中考虑其收缩特性是十分必要的。

3.2 收缩试验

因F3、F4和F5(RAP含量小于60%)混合料能满足8 MPa的抗压强度标准，对其进行自由收缩试验，由于水泥凝结前后的条件对收缩率有很大影响，所以当模具移除时，所有试样都需要保存在特定条件下(环境温度为20 ℃，相对湿度为50%)。通过灵敏度为1 μm的千分表牵引仪进行收缩度测量，试验试件和设备如图9所示。

(a)试样制备

3.3 收缩预测

一些经验模型可以用来预测普通硅酸盐水泥、混凝土和水泥处理材料的收缩应变。这些模型是在大量不同类型混合物的试验基础上研发的，其主要功能是根据短期测量结果来预测长期收缩应变。将模型预测值与实测值进行了比较。对于该模型，收缩应变随时间的变化由式(3)给出。

ε(t-ts)=εcs0βs(t-ts)

(3)

(4)

式中：t为混凝土龄期，d；ts为开始养护时间；εcs0为极限收缩应变；βs为徐变系数；h0为试件的有效厚度，mm。

图10给出了所有混合料的收缩应变值随时间变化的情况。在所有混合料中都观察到了同样的趋势。对测量结果进行了统计检验，测试结果给出的p值为0.08，这表明3种混合物材料的平均收缩应变是相等的，RAP的含量对收缩性能没有显著影响。90 d试验测得的收缩应变均小于400 μm /m，表明所有的混合料均不存在明显的收缩现象。

从图10可得该模型的标准误差为20 μm/m，表明其为预测水泥混合料收缩应变的一个有效模型。

图10 收缩应变测试结果

4 结论

在可持续发展的背景下，水泥就地冷再生技术对环境造成的污染更小。因此，本文对几种不同RAP含量的混合物进行了室内实验研究，以确定其力学性能。得出以下结论：

1) RAP含量的增加会导致性弹性模量、压缩强度、IDT强度和弯曲强度的下降。原因如下：涂覆老化沥青的骨料比未涂覆骨料形成的过渡区更弱。

2) 60%以下含量的RAP混合物满足抗压强度标准；RAP材料的收缩性能可以使用收缩模型准确预测，RAP的含量对收缩性能没有显著影响。90 d试验测得的收缩应变均小于400 μm /m，表明所有混合料均不存在明显的收缩现象。

3) 60%以下含量的RAP混合物，在养护7 d和14 d后适用于实际工程应用，其既节约成本，又能降低对环境的污染，是一种值得推广的新型材料。