不同水泥掺量的再生沥青路面和再生混凝土路面性能评价

摘要：再生骨料混合物需要较高的水泥掺量才能满足路面基层设计的规范要求，且再生混凝土骨料（RCA）比再生沥青路面（RAP）更加依赖水泥固化。文章从压实特性、无侧限抗压强度、间接抗拉强度、弹性模量等物理性质方面，对水泥固化RAP和RCA材料性能的效果进行了研究，并做了对比分析。结果表明：用水泥固化的RCA基础的性能比RAP更好;试验材料的最大干密度值随着水泥掺量的增加而增大，随着RAP掺量的增加而减小;无侧限抗压强度值随着水泥掺量的增大而增大，随着RAP掺量的增大而减小;弹性模量随着水泥掺量的增加呈上升趋势，随着RAP掺量的增大而呈减小趋势。总的来说，采用6%水泥固化的25% RAP、25% RCA和50% RCA混合物的性能最优。

关键词：再生沥青路面;再生混凝土路面;传统骨料;无侧限抗压强度;弹性模量

文献标识码：U416.26-A-01-001-4

0 引言

再生沥青路面（RAP）和再生混凝土骨料（RCA）是目前路面修复和建筑行业主要的两种再生材料，这些材料大多被用于垃圾填埋场、停车场等不环保的地方。一般情况下，基层和表面采用传统骨料（VA）来施工，可以将交通荷载传递到下垫层而不产生较大的变形。事实上，随着时间、交通和环境因素的变化，路面老化的速度很慢，因此VA具有一定的使用寿命，回收VA能节约自然资源，保护环境。因此，有必要探索RAP和RCA材料在道路基层和底基层中的性能，并进行两种材料的试验研究。本文对水泥固化的RAP和RCA材料进行了室内试验，分别以25∶75、50∶50、75∶25和100∶0的比例替代VA。测试内容包括物理性能、压实特性、无侧限抗压强度、间接抗拉强度、弹性模量等。

1 研究背景

水泥主要用于增加骨料的承载能力，提供良好的基础，并在形变较小情况下将应力向下传递。一般情况下，材料的物理性质、类型和环境条件都会对道路基础的强度产生影响[1]。在有关水泥加固道路基础的文献中可以看出，水泥处理过的再生基础材料在结构上优于传统基础材料[2]，还有助于减少塑性形变[3]。水泥处理基础失效主要与施工期间的设计以及材料和质量的控制有关[4]。因此，为了改善水泥固化基础材料的物理特性，需要对材料取样进行实验研究[5]。本文对RAP和RCA两种再生材料进行了对比分析，主要对材料的压实特性、无侧限抗压强度、间接抗拉强度、弹性模量进行了研究。

2 方法和材料

2.1 方法

本研究旨在评价水泥加固地基强度的特性，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级普通硅酸盐水泥。试验混合物的骨料级配按照规范中的分级要求确定。首先从收集的RAP材料中提取沥青，然后对RAP和RCA进行筛分分析、冲击试验等物理测试，判断是否满足要求。按照0∶100、25∶75、50∶50、75∶25的比例将RAP、RCA与天然骨料混合，水泥掺量分别为0、2%、4%和6%。使用改进的Proctor试验（MPT）确定最佳水分含量和最大干密度。根据MPT中获得的最佳含水率来制备样品，并对材料固化7 d。对制备的试件进行强度参数（UCS、ITS）和刚度参数（弹性模量）的测试。

2.2 材料

材料包括7年龄期的RAP、RCA、VA和53级普通硅酸盐水泥，VA包括的骨料粒径有26 mm、19 mm和4.75 mm。RAP、VA和RCA取自附近地区。

2.3 样品制备

在确定材料物理性质之后，需要确定其压实特性。压实使用改进的proctor测试程序并依据规范进行。模具的直径为102 mm，高为127 mm。锤的质量为4.5 kg，自由落体距离为457 mm。将混合物中粒径>19 mm的颗粒剔除，用粒径<19 mm且总质量相同的颗粒进行替换。根据OMC浇铸样品测试UCS、弹性模量和ITS。

3 室内试验

3.1 无侧限抗压强度测试（UCS）

UCS样品的模具是直径为101.6 mm、高度为200 mm的圆柱形。为了防止样品水分流失，将其放在密封的塑料袋中固化。每个试件所承受的最大载荷除以横截面积即为抗压强度。

3.2 间接拉伸强度试验（ITS）

样品按要求的最大干密度压实，模具内径为101.60 mm，高为63.5±2.5 mm，压实24 h后提取，养护7 d。然后，按照規范在50.8 mm/min的加载速率下测试样品的间接抗拉强度。间接抗拉强度由式（1）确定。

ST=2 000P/πDt （1）

式中：ST——间接抗拉强度（N/mm2）;

D——试件直径（mm）;

t——试件厚度（mm）;

P——极限破坏荷载（kN）。

4 结果分析

初步得到了VA、RCA、RAP等材料的物理性能。经有机物萃取，RAP中沥青的含量为4.47%。经筛分分析，分别对RCA、VA和无沥青的RAP材料进行脆度、伸长指数、磨损值和吸水率等物理性能测试，结果如表1所示。

由表1可知，RCA的吸水率比VA和RAP高，其疏松指数高，不符合规范要求，材料在加工处理时沿断裂面裂开，RAP的松散度和伸长指数均超过规定限值。基础材料的强度和刚度主要取决于骨料级配和水泥的固化作用，而不是由骨料的性质和形状决定。因此，虽然RAP的松散度和延伸率等指标均不符合规范要求，但是依旧可以考虑作为基础材料使用。RAP-VA和RCA-VA混合物的级配曲线如图1所示。由图1可知，所有混合物的级配都属于中等级配。

4.1 压实试验

按照规范采用改进的Proctor测试程序进行试验。对不同比例的RAP和RCA混合料进行压实，每次试验重复3次。不同混合物的OMC和MDD结果如表2和表3所示。

由表2和表3可知，100%RAP的OMC相对较低，MDD最低，且随着VA和水泥含量的增加而增加。混合物中RCA含量较高时（100%RCA和75%RCA）会导致OMC和MDD显著变化。RAP和RCA混合物的MDD值介于1.93～2.23 g/cm3和1.97～2.25 g/cm3之间。

4.2 无侧限抗压强度（UCS）

对直径为100 mm、高度为200 mm的试件进行UCS试验，其结果如图2所示。从图2（a）可知试件的UCS随着水泥含量的增加而呈上升趋势，且随着RAP的增加呈下降趋势。其中的主要原因是由于RAP中的沥青涂层使骨料颗粒之间的摩擦力减小，水泥使骨料颗粒间的粘聚力增大。从图2（b）中可以看出，50%RCA骨料的强度最高且与水泥的掺量无关;当水泥掺量为6%时，所有骨料混合物都表现出较高的强度。

从图2（c）中可以看出，RCA比RAP混合物具有更高的强度。由于RCA、VA和水泥之间存在很强的粘结，所以导致100%RCA混合物的强度几乎是100%RAP混合物的两倍。掺RCA的强度比掺RAP的强度高，主要是因为RCA骨料中存在的残余砂浆降低了试件的强度。不同混合物的UCS与水泥掺量之间存在线性关系。RAP含量的增加减缓了试件强度增加的速率，其中25%RAP和75%VA混合物强度增加的速率最快。

4.3 弹性模量

对不同水泥掺量的RAP/VA和RCA/VA混合物的弹性模量进行了测试。如下页图3所示，试验构件的弹性模量随水泥掺量的增加呈直线上升趋势。当水泥掺量为6%时，100%RCA和75%RCA-25%VA混合物的弹性模量显著降低，其中的原因可能是骨料周围存在的残余砂浆导致了材料具有脆性。掺加VA后，RAP混合料的弹性模量随VA含量的增加而增大;与RCA混合后，弹性模量随着RCA的增加而增大。当水泥用量为6%时，向混合物中添加RCA会降低弹性模量值。这表明，除了水泥含量外，混合物中各成分的掺量比例也同样影响着试验构件的整体性能。

4.4 间接抗拉强度（ITS）

对不同水泥掺量的RAP、RCA混合物进行间接抗拉强度试验。ITS测试结果如图4所示。由图可知，ITS随着RAP含量的增加而降低。相反，ITS随着水泥含量的增加而呈上升趋势。当水泥用量为6%、RAP用量为25%时，RAP和VA混合物的ITS最高。从图4（c）可以看出，RCA混合物比RAP混合物的强度高。这是由于RCA和VA的骨料之间存在互锁关系且RCA自身具有粘结性;而RAP混合物中存在沥青涂层，导致骨料之间的粘结性降低。

5 结语

本研究得出的具体结论如下：

（1）用水泥固化的RCA基础的性能比RAP更好;此外，水泥掺量的增加、原始骨料的掺混以及骨料表面之间的互锁作用是提高混合料强度的关键因素。

（2）结果表明，试验材料的MDD随着水泥掺量的增加而增大，随着RAP掺量的增加而减小。OMC受RAP和水泥掺量的影响较小，且在RAP混合中，水泥含量与OMC、MDD之间存在线性关系。

（3）无侧限抗压强度值随着水泥掺量的增大而增大，随着RAP掺量的增大而减小。强度增加原因是水泥之间形成了较强的粘结，强度的降低原因是蠕变表面积的增加。与RAP混合料相比，RCA混合料的ITS和UCS更高。

（4）RAP混合料的弹性模量随着水泥掺量的增加呈上升趋势，随着RAP掺量的增大而呈减小趋势。对于75%RCA和100%RCA的混合料，水泥掺量超过4%后弹性模量下降，从而导致材料具有脆性。综上所述，25%RAP、75%VA、水泥掺量6%和50%RCA、50%VA、水泥掺量6%时强度较好。

参考文献

[1]楼 婧.高掺量RAP再生沥青混合料路用性能研究[J].福建交通科技，2020（6）：19-21.

[2]李文军.浅谈再生沥青混合料技术的环保减碳效益[J].福建交通科技，2020（5）：43-47.

[3]仲小玲，斯 毅.大比例RAP热再生混合料工程应用经济性分析[J].现代交通技术，2020，17（4）：1-5.

[4]赵 璐.基于再生沥青混合料性能特点的再生路面設计研究[J].交通世界，2020（22）：64-65.

[5]戴 劲，刘 涛.水损害环境下RAP颗粒与沥青的粘附性能研究[J].建材世界，2020，41（6）：26-28.

收稿日期：2021-03-18

作者简介：蓝志坚（1972—），工程师，主要从事公路养护工作。