水泥處治再生瀝青路面集料的回彈模量響應(yīng)

苑顯鵬，李江瓏

(1.湖南省懷芷高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 懷化 418000；2.北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100191)

0 引 言

截止2018年12月，我國(guó)公路總里程達(dá)到477萬(wàn)km，高速公路總里程突破14萬(wàn)km。國(guó)內(nèi)瀝青路面設(shè)計(jì)壽命一般為15年，從已投入運(yùn)營(yíng)的瀝青路面使用狀況來(lái)看，不少瀝青路面未達(dá)到使用年限，一些甚至通車(chē)不到1～2年就已經(jīng)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的功能衰減和結(jié)構(gòu)損壞。越來(lái)越多的公路己進(jìn)入大、中修階段，更多的瀝青路面等待著改造升級(jí)或新建。為了減少自然資源的浪費(fèi)，將回收的瀝青路面材料進(jìn)行再生利用，重新鋪筑應(yīng)用到瀝青道路的面層或基層中。但是目前，再生瀝青集料產(chǎn)品的變異性和強(qiáng)度、剛度特性不足往往限制了其在路面基層中的應(yīng)用。

我國(guó)自20世紀(jì)90年代道路發(fā)展至今，許多通車(chē)使用的各級(jí)道路均己進(jìn)入大修或中修時(shí)限，大量舊路面材料被廢棄，不但造成了資源的巨大浪費(fèi)，還帶來(lái)了環(huán)境的污染。如果這些建筑材料能夠被再生利用，將會(huì)帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。美國(guó)聯(lián)邦公路局的調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料表明，采用瀝青路面再生利用技術(shù)可節(jié)約材料費(fèi)近50%，路面工程造價(jià)則降低大約25%。當(dāng)大多數(shù)再生瀝青路面材料在基層應(yīng)用中用作替代品天然集料的時(shí)，通常材料的剛度性能不能滿(mǎn)足要求。為了確保再生瀝青路面(RAP)材料在基層應(yīng)用中可以大量地使用，通過(guò)往其摻入一定劑量的水泥，從而增強(qiáng)低質(zhì)量再生瀝青路面材料的強(qiáng)度和剛度特性。

Janoo(1994)通過(guò)使用再生瀝青混凝土作為基礎(chǔ)材料展開(kāi)一系列研究，并最終在89號(hào)州際公路康科德附近鋪筑了不同RAP材料的試驗(yàn)路段。在試驗(yàn)段進(jìn)行了落錘式彎沉儀(FWD)等試驗(yàn)，并用彎沉儀反算了層模量。在Taha等人(2002)對(duì)不同水泥用量的RAP/原始集料混合物進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)開(kāi)展了擊實(shí)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，揭示了RAP材料彈性模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性，并從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度確定了模量值，但是其彈性模量研究并未在重復(fù)荷載三軸試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行。

因此，本研究為了更好地評(píng)估水泥添加劑的再生瀝青路面材料，使其能夠廣泛應(yīng)用于各種路面。本文通過(guò)開(kāi)展三種不同水泥劑量(0%、2%和4%)下RAP的彈性模量特性，通常使用2%～4%的水泥用量進(jìn)行基層處理，較高的水泥處理會(huì)導(dǎo)致基層在高溫下易開(kāi)裂，Hoyos等人研究了6%的水泥處理集料，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，由于較高的水泥劑量使得基層材料具有較高的剛度特性，且易造成試件失水收縮開(kāi)裂。為了更好模擬RAP材料在實(shí)際路面的受力狀態(tài)，對(duì)其施加不同圍壓和偏應(yīng)力水平，以揭示再生RAP材料彈性模量響應(yīng)的變化規(guī)律。

1 RAP材料試驗(yàn)研究

合理的材料組成能夠保證路面基層混合料具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性以及良好的抗疲勞性能，是再生瀝青路面設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。本研究中使用的RAP骨料是一種粘結(jié)基層和底基層的材料，通過(guò)將破碎的再生建筑和拆除的水泥板混合至滿(mǎn)足規(guī)定的級(jí)配要求，然后將這些RAP集料與一定劑量的水泥在最佳含水量和最大干密度下進(jìn)行壓實(shí)成型。

1.1 水泥

試驗(yàn)采用興安海螺P·C42.5級(jí)水泥，對(duì)其進(jìn)行細(xì)度檢測(cè)、凝結(jié)時(shí)間測(cè)試、安定性檢測(cè)以及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，得到其各項(xiàng)技術(shù)性質(zhì)如表1所示。

表1 42.5R普通硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)

1.2 級(jí)配曲線(xiàn)

為了確保RAP混合料應(yīng)滿(mǎn)足各級(jí)道路的技術(shù)要求，對(duì)回收的路面材料重復(fù)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1粒度分布曲線(xiàn)。對(duì)RAP基層材料進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)(JTG E40 2007)，確定了最佳含水率和最大干密度關(guān)系。RAP材料水泥摻入量與最佳含水量與最大干密度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。擊實(shí)設(shè)備參數(shù)為：擊錘質(zhì)量4.5 kg、落差高度為0.45 cm，試樣分三層壓實(shí)，每層27次，試樣直徑為100 mm，高度為120 mm。

圖1 RAP材料的粒度分布曲線(xiàn)

圖2顯示了0%、2%和4%水泥處治后，RAP基層材料的壓實(shí)干密度和含水率關(guān)系。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，后續(xù)試驗(yàn)都以最佳含水率和最大干密度條件下成型試件。從擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水泥處治后并未使得集料壓實(shí)干密度和含水率發(fā)生明顯變化。

2 RAP材料動(dòng)三軸回彈模量試驗(yàn)研究

回彈模量是表征RAP基層材料剛度特性的重要參數(shù)，也是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。一般而言，與常規(guī)半剛性材料的回彈模量相比，RAP材料的回彈模量明顯偏低。應(yīng)力狀態(tài)對(duì)RAP材料回彈模量的影響較為顯著，不同受力模式下RAP材料的回彈模量亦不同，不是一固定不變的值，高應(yīng)力情況下反映出較大的回彈模量，即具有較大的抵抗變形的能力。RAP材料在實(shí)際工況中的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，即處于三向受壓的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，為了更接近實(shí)際工況情況，且能揭示材料組成與性能之間的真實(shí)規(guī)律，采用室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)。其能同時(shí)模擬重復(fù)動(dòng)荷載作用以及材料三向受壓這一應(yīng)力狀態(tài)，與實(shí)際工況比較接近。因此，室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)外研究RAP材料動(dòng)回彈模量最為簡(jiǎn)單有效的方法。

本次試驗(yàn)豎向應(yīng)力(偏應(yīng)力)采用半正弦矢波脈沖動(dòng)偏應(yīng)力，偏應(yīng)力加載的持續(xù)時(shí)間為0.2 s，間歇時(shí)間為0.8 s，加載頻率選取為1 Hz(60次/min)，在一個(gè)加載周期內(nèi)，動(dòng)態(tài)偏應(yīng)力半正弦矢波函數(shù)表達(dá)式為(1)，荷載波形曲線(xiàn)如圖3所示。

正好，這時(shí)有一筆巨額公款經(jīng)過(guò)周愷手里，他正在動(dòng)這個(gè)心思，突然感覺(jué)心慌得厲害，上次在小蝶家有過(guò)的那種奇怪幻覺(jué)又出現(xiàn)了：這次，他耳畔仿佛有警笛聲響起，眼前出現(xiàn)的是冰冷的手銬……

P(t)=Pc+P0(1-cosωt)/2

(1)

式中：Pc為預(yù)先施加的荷載;P0為荷載振幅;ω為角頻率，ω=2πt，f為加載頻率，在此f=1 Hz。

圖3 重復(fù)荷載動(dòng)三軸試驗(yàn)半正弦矢波波形圖

動(dòng)三軸試驗(yàn)中施加的偏應(yīng)力與圍壓一定程度上反映了RAP材料在路面結(jié)構(gòu)中的所處的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)美國(guó)AASHTO試驗(yàn)規(guī)程中土基與集料回彈模量測(cè)試方法，本試驗(yàn)共設(shè)定5種圍壓和3種偏壓力，圍壓峰值分別為20.7 KPa、34.5 KPa、68.9 KPa、103.4 KPa、137.9 KPa；偏應(yīng)力峰值分別為37.3 KPa、62 KPa、124.1 KPa、93.1 KPa、124.1 KPa。按照擊實(shí)成型的最佳含水率進(jìn)行配置，在最佳含水率條件下成型試件。為了適用于三軸壓力計(jì)的測(cè)試，試件成型的高度值應(yīng)當(dāng)適當(dāng)大于動(dòng)三軸試驗(yàn)所要求的試件高度(200 mm)，按照高度/直徑在2.1～2.2進(jìn)行壓實(shí)。將水泥處治后的RAP材料進(jìn)行壓實(shí)后，用塑料膜將試件包裹并移置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7 d。

本研究采用深圳市瑞格爾儀器有限公司生產(chǎn)的R-8001T動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4a所示。對(duì)于路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)而言，變圍壓試驗(yàn)與實(shí)際工程受力狀態(tài)更吻合，但是Marshall R.Thompson和John.J.Allen針對(duì)兩種試驗(yàn)做了大量的試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研究對(duì)比分析，結(jié)果表明兩種試驗(yàn)所得的回彈模量差別并不明顯，表明不變圍壓試驗(yàn)也是合理的，且試驗(yàn)過(guò)程更為簡(jiǎn)便。本文的動(dòng)三軸試驗(yàn)采用不變圍壓試驗(yàn)。

圖4 重復(fù)荷載三軸試驗(yàn)裝置和水泥處理的RAP試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 偏應(yīng)力與圍壓對(duì)回彈模量的影響

本試驗(yàn)采用三個(gè)平行試件進(jìn)行動(dòng)三軸回彈模量測(cè)試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖中SD表示平行試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖5所示的結(jié)果表明，未摻入水泥的RAP試驗(yàn)結(jié)果在1.8～5.2 MPa之間，變異系數(shù)最大為1.8%，試驗(yàn)具有較好的重復(fù)性。對(duì)于摻入水泥的集料試驗(yàn)結(jié)果在4.7～30 MPa之間，變異系數(shù)最大為7.0%。

圖5 圍壓、偏應(yīng)力與回彈模量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖5可以看出，隨著圍壓和偏應(yīng)力的增加，兩種試件的回彈模量均變大。除了高圍壓高偏應(yīng)力組合試件的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，其他試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均較小，說(shuō)明了該回彈模量試驗(yàn)程序提供了可重復(fù)性結(jié)果。回彈模量的變化與圍壓應(yīng)力、偏壓應(yīng)力有著非常緊密的聯(lián)系，從組合三、組合四可以看出偏應(yīng)力對(duì)回彈模量的影響受?chē)鷫旱闹萍s，圍壓對(duì)RAP材料回彈模量的變化也取決于所對(duì)應(yīng)的偏壓應(yīng)力的大小。

3.2 圍壓對(duì)回彈模量的影響

為了分析偏應(yīng)力與圍壓對(duì)動(dòng)回彈模量的影響規(guī)律，對(duì)摻加水泥劑量與無(wú)摻加水泥劑量的試件進(jìn)行回彈彈性模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7及圖8所示。

圖6 0%水泥劑量試樣的回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

圖7 2%水泥劑量試樣的回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

圖8 4%水泥劑量試樣的回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

由圖7、圖8可以看出，2%和4%水泥處理集料試樣的彈性模量結(jié)果。如圖所示，水泥處理增強(qiáng)了模量。在137.9 KPa的最大圍壓下，2%的水泥處理比未處理的集料試件模量增加了32%的回彈模量值，并且隨著4%水泥的加入，回彈模量值增加了約50%。與水泥處理相關(guān)的模量的增加，在最佳情況下，可認(rèn)為是中等的。然而，當(dāng)使用水泥處理的集料代替未處理的集料時(shí)，這些增強(qiáng)使得基層厚度值顯著減小。較高的水泥用量、壓實(shí)密度和養(yǎng)護(hù)期將進(jìn)一步提高模量值。然而，由于目前研究的范圍有限，目前還沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行研究。

3.3 偏應(yīng)力對(duì)回彈模量的影響

本文分別對(duì)不同水泥劑量RAP材料進(jìn)行回彈模量試驗(yàn)，控制圍壓，調(diào)整偏壓應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)果如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 在圍壓為20.7 KPa下偏應(yīng)力對(duì)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖10 在圍壓為68.9 KPa下偏應(yīng)力對(duì)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖11 在圍壓為137.9 KPa下偏應(yīng)力對(duì)彈性模量試驗(yàn)結(jié)果的影響

為了更好地說(shuō)明不同應(yīng)力組合對(duì)有無(wú)摻入水泥集料試件的模量測(cè)量結(jié)果的影響，本文通過(guò)固定三種圍壓下改變偏應(yīng)力的組合對(duì)回彈模量的影響進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖9、圖10和圖11所示。從上圖試驗(yàn)曲線(xiàn)可以看出，圍壓應(yīng)力和偏壓應(yīng)力對(duì)RAP材料的模量均有較大影響。隨著偏應(yīng)力的增大，材料的模量隨著集料試件的擠密而增大。

由圖11可以看出，在高圍壓的條件下，隨著偏應(yīng)力的增大，對(duì)RAP材料回彈模量影響較小。此外，RAP材料的回彈模量隨約束條件的增大而增大。在水泥含量較高的試件中，彈性模量隨約束條件的增加而增加的現(xiàn)象并不明顯。可能的原因是在較高的水泥劑量條件下，隨著水泥的水化作用使得RAP材料整體剛度較大，因此不受較高約束的影響。

4 三參數(shù)彈性模量模型

根據(jù)美國(guó)AASHTO試驗(yàn)規(guī)程中建議使用Theta模型分析彈性模量試驗(yàn)結(jié)果，但是兩參數(shù)模型在分離圍壓和偏應(yīng)力對(duì)彈性模量的影響方面存在局限性，沒(méi)有考慮剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變對(duì)回彈模量的影響。因此，應(yīng)當(dāng)通過(guò)增加偏應(yīng)力來(lái)體現(xiàn)出剪切應(yīng)力對(duì)回彈模量的影響，本文利用三參數(shù)模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，三參數(shù)彈性模量模型如式(2)所示，該模型考慮了圍壓應(yīng)力和偏壓應(yīng)力，可更好地表征材料的回彈特性。

(2)

對(duì)上式兩邊對(duì)數(shù)，結(jié)果如下

(3)

式中，MR表示材料回彈模量；Pa為參照應(yīng)力，可取為大氣壓力100 KPa；σ3表示圍壓；σd表示偏應(yīng)力；k1、k2、k3為均表示與材料有關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)。

由式(2)中可知，k1、k2、k3試驗(yàn)參數(shù)是無(wú)量綱的，等式兩邊只有MR、σ3、σd三個(gè)參數(shù)，利用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖12所示。

圖12 體應(yīng)力與回彈模量的關(guān)系

其中體應(yīng)力θ=σ1+σ2+σ3=3σ3+σd。

利用三參數(shù)模型對(duì)上述進(jìn)行擬合，得到模型的擬合參數(shù)如表2所示。

表2 三參數(shù)模型的擬合參數(shù)

由表2可知，模型的擬合系數(shù)均在0.95以上，說(shuō)明了該模型能夠很好地?cái)M合圍壓和偏應(yīng)力對(duì)彈性模量的影響。試驗(yàn)的常數(shù)參數(shù)logk1從3.46～3.61不等，0%水泥劑量的試驗(yàn)參數(shù)較低，摻加水泥劑量的結(jié)果較高。k2參數(shù)接近0.19，表明了彈性模量結(jié)果呈現(xiàn)非線(xiàn)性圍壓依賴(lài)關(guān)系，水泥的處治對(duì)這一常數(shù)不影響。k3參數(shù)在0.09～0.15之間，無(wú)水泥處治的骨料值較低為0.09，由于k3值為正值，所以RAP材料發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)化的作用，骨料在外力作用下經(jīng)歷應(yīng)力強(qiáng)化現(xiàn)象，即在相同圍壓下，隨著偏應(yīng)力的增加，彈性模量增加。由三參數(shù)模型的擬合效果可以看出，該模型對(duì)有無(wú)水泥處治的骨料在圍壓和偏應(yīng)力作用下提供了更好的解釋。

5 結(jié) 論

(1)與未處治的骨料相比，加入2%的水泥處理可使RAP材料的回彈模量值增加32%，加入4%的水泥后，回彈模量值增加約50%。未處治骨料試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.8～5.2 MPa，處治后的標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.7～30 MPa，而且試驗(yàn)的整體變異系數(shù)較小，變異系數(shù)最大為7%。

(2)未處治骨料的彈性模量隨圍壓的增大而增大。對(duì)于水泥處治后的集料試件，表現(xiàn)并不明顯，水泥處治后的骨料剛度較大，因此受施加圍壓的影響較小。

(3)利用三參數(shù)模量公式和線(xiàn)性回歸工具對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。對(duì)于三參數(shù)公式，相關(guān)常數(shù)logk1在3.46～3.61之間變化，水泥處治的集料的值較高。k2參數(shù)表征了圍壓指數(shù)，表明彈性模量與圍壓呈非線(xiàn)性關(guān)系。水泥處治對(duì)這一常數(shù)的影響不大。k3參數(shù)即表征了偏應(yīng)力指數(shù)，其值在0.09到0.15之間變化，因?yàn)閗5值是正值，其解釋了RAP材料發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)化的作用，骨料在外力作用下經(jīng)歷應(yīng)力強(qiáng)化現(xiàn)象，即在相同圍壓下，隨著偏應(yīng)力的增加，彈性模量增加。