RAP對全厚式水泥穩(wěn)定再生材料性能的影響

王學武

(甘肅省遠大路業(yè)集團有限公司,甘肅 蘭州 730030)

0 引言

瀝青路面全厚式再生是一種日益流行的柔性路面改造方法。全厚式再生技術包括現(xiàn)場粉碎瀝青層和部分底層或路基，添加外加劑(水泥、乳化瀝青、泡沫瀝青等)穩(wěn)定后形成新的基層，通常回收的深度從100～300 mm不等[1-3]。瀝青路面全深式就地冷再生技術自引入我國以來，鑒于其經濟實用的特點，在我國已經得到了大量應用。早期多用于低等級道路，但隨著大功率道路再生機械設備的開發(fā)與改進，設計體系的完善以及復合型外加劑的使用，越來越多的城市道路和高等級公路采用全厚式再生處理。目前，全厚式再生技術作為一種更靈活、更有利于延長路面使用壽命的技術，廣泛應用于各種經常出現(xiàn)裂縫、坑槽的道路[4]。

盡管全厚式再生工藝在一些地方已經使用了好幾年，但再生瀝青面層(RAP)相對于再生基層的摻加比例對再生材料性能的影響還沒有進行充分研究。雖然國內有研究表明舊瀝青混凝土摻量不宜過大，包括舊版再生技術規(guī)范[5]提出了“使用水泥、石灰等無機結合料作為再生結合料時的全深式就地冷再生，瀝青層厚度占再生厚度的比例不宜超過50%”。新版規(guī)范[6]未提及此比例問題。一些出版物表明，再生材料可由接近100%的RAP組成，僅包含極少量的基層材料[7-8]。一項已發(fā)表的研究表明，隨著RAP量的增加，基層的強度明顯降低[9]。這項工作的作者建議，在回收的基礎材料中，RAP的最大含量應限制在60%以內。但是，由于RAP的用量和來源都會影響再生材料的力學性能，因此需要進一步的試驗。

RAP用量規(guī)定不一的主要原因之一是研究對象不一致，一部分學者研究對象是未經膠結料穩(wěn)定的再生材料，一部分學者研究對象為水泥或瀝青穩(wěn)定料。比如有學者系統(tǒng)研究了RAP含量對不添加結合料時的全厚式再生料性能的影響，包括CBR值、剛度，濕度敏感性等[10]，但是無法將研究結論用于水泥或瀝青穩(wěn)定再生材料。一些研究者認為，以材料強度和耐久性為標準，應將RAP的最大用量限制在50%，但是采用用瀝青或化學穩(wěn)定劑穩(wěn)定時該比例可以提高[11]。因此RAP用量的規(guī)定需要針對不同的膠結料分開研究。

對全厚式再生而言，全世界使用最多的穩(wěn)定劑是瀝青乳液和波特蘭水泥[12-14]，全厚式再生水泥具有許多技術、經濟和環(huán)境優(yōu)勢[15]。RAP比例對全厚式水泥穩(wěn)定再生材料性能的影響有學者進行了研究[16]，但是僅僅關注了無側限抗壓強度和濕度敏感性這兩項性能，因此并不全面。故而，在水泥全厚式再生實際使用過程中，材料設計單位往往沿襲水泥穩(wěn)定碎石的設計體系，僅考慮級配滿足規(guī)范，抗壓強度達到強度設計值，從而導致水泥用量往往較大，引發(fā)再生層出現(xiàn)早期開裂等后果。

本研究旨在探討RAP對水泥穩(wěn)定全厚式再生材料各項性能的影響。具體而言，本研究選取不同比例的舊瀝青混凝土和舊半剛性基層材料，通過室內試驗，包括無側限抗壓強度、劈裂強度、回彈模量、軟化系數(shù)、耐凍系數(shù)、累計沖刷量、干縮系數(shù)試驗，分析舊瀝青混凝土比例對全厚式再生材料性能的影響規(guī)律，并討論瀝青老化的影響，從而為以后的規(guī)范修訂和工程應用提供參考。

1 試驗材料

1.1 材料基本性質

在某破損路面將面層和半剛性基層分別使用全厚式再生機械銑刨破碎分別得到RAP和基層再生料，再按比例進行混合。實際全厚式就地再生時以厚度控制比例，例如舊瀝青混凝土的摻量為20%代表就地再生5 cm瀝青面層和20 cm半剛性基層。水泥摻量取2.0%，3.0%，4.0%，5.0%。本研究所用水泥為某牌325水泥，基本性質如表1所示。

表1 水泥技術指標測試結果Tab.1 Test result of technical indicators of cement

1.2 材料級配

圖1給出了再生瀝青面層材料和再生基層材料水洗并干燥后的粒徑分布。將RAP和再生基層進行混合時，材料組合方案和編號如表2所示。從圖中可以看到，瀝青面層和基層的級配曲線較為接近。各材料組合方案的合成級配曲線滿足規(guī)范[17]規(guī)定的級配范圍，而且5種材料組合差異較小。

圖1 RAP和再生基層的粒徑分布Fig.1 Distribution of particle sizes of RAP and reclaimed base course

表2 材料組合方案Tab.2 Material combination schemes

1.3 試驗方法

混合料的最佳含水量和最大干密度的確定根據(jù)試驗規(guī)程[18]中擊實試驗的方法進行。5種材料組合在不同水泥劑量(2.0%，3.0%，4.0%，5.0%)條件下分別進行擊實試驗，得到最佳含水量和最大干密度。

再根據(jù)擊實結果，按最佳含水量和計算得到的干密度(壓實度取98%)采用靜壓成型方法制備尺寸為15 cm×15 cm的圓柱體試件，試件進行標準養(yǎng)生并進一步進行無側限抗壓試驗、劈裂強度試驗、回彈模量試驗，水穩(wěn)定性試驗，凍穩(wěn)定性試驗，沖刷試驗。干縮試驗試件為靜壓成型的10 cm×10 cm×40 cm中梁試件。

水泥穩(wěn)定材料凍融循環(huán)本課題采用凍結16 h和融解8 h的凍融過程，連續(xù)進行5次，凍融循環(huán)全部完成后進行抗壓強度試驗。沖刷試驗在沖刷試驗機上進行30 min。干縮試驗利用常規(guī)的手持應變儀(精度0.001 mm)測量中梁的干縮變形直到試件體積基本不變?yōu)橹埂?/p>

2 性能試驗結果

2.1 含水量和干密度

以4%的水泥用量為例，各材料組合的含水量-干密度(OWC-MDD)關系曲線如圖2所示。從圖2中可以看到，RAP含量為100%(E組)時，最佳含水量和最大干密度均為最低。將最大干密度和最佳含水量與RAP含量進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)兩者與RAP含量均有強烈的線性遞減關系，如圖3所示。對于OMC，在較高的RAP含量下實現(xiàn)最佳顆粒濕潤所需的水較少，因為涂有瀝青的顆粒吸收的水較少。隨著RAP含量的增加，MDD降低，因為RAP的比重比純石料低(瀝青的比重約為1.0)。

圖2 各材料組合的含水量-干密度關系(4%水泥)Fig.2 Relationship between moisture content and dry density of each material combination (4% cement)

圖3 OWC/MDD和RAP含量的關系(4%水泥)Fig.3 Relationship between OWC/MDD and RAP (4% cement)

2.2 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度的試驗結果如圖4所示。對數(shù)據(jù)進行方差分析(結果見表3)，結果表明，RAP含量、水泥含量均具有顯著性。隨著水泥用量的增加，無側限抗壓強度普遍增加；RAP含量增加時，無側限抗壓強度基本上呈降低趨勢。

圖4 無側限抗壓強度試驗結果Fig.4 Test result of unconfined compressive strength

RAP含量增加使無側限抗壓強度降低是因為RAP顆粒上裹附的瀝青涂層阻止水泥漿和骨料表面之間形成黏結，隨著RAP含量的增加，給定試樣中更多的骨料表面積涂有瀝青水泥，因此不太可能與水泥漿形成牢固的黏結。在水泥含量為2.0%時，無側限抗壓強度并沒有隨著的RAP的增加而降低，這是因為沒有足夠的水泥對骨料進行膠結。

規(guī)范[17]規(guī)定用于基層的水泥穩(wěn)定材料7 d齡期無側限抗壓強度≥2 MPa。因此水泥摻量為2.0%的不滿足基層要求，只能考慮用作底基層。水泥摻量為3%時RAP含量也不能過高，否則也不滿足基層的強度要求。

表3 無側限抗壓強度方差分析表Tab.3 ANOVA result of unconfined compressive strength

2.3 劈裂強度

圖5 劈裂強度試驗結果Fig.5 Test result of splitting strength

劈裂強度的試驗結果如圖5所示。方差分析結果如表4所示，結果表明，RAP含量、水泥含量均具有顯著性。隨著水泥用量的增加，劈裂強度普遍增加；RAP含量增加時，劈裂強度基本上呈降低趨勢。根據(jù)文獻[19]，劈裂強度需要滿足0.2 MPa的要求，且認為達到0.4 MPa則被視為性能優(yōu)良。可見本研究中的劈裂強度基本達到強度，但是要使得性能優(yōu)良需要水泥劑量在5%以上并且控制RAP的含量。

表4 劈裂強度方差分析表Tab.4 ANOVA result of splitting strength

2.4 抗壓回彈模量

劈裂強度的試驗結果和方差分析如圖6和表5所示。結果表明，RAP含量、水泥含量均具有顯著性。隨著水泥用量的增加，抗壓回彈模量增加；抗壓回彈模量含量增加時，抗壓回彈模量降低。抗壓回彈模量與抗壓強度的影響規(guī)律性較為一致且顯著性都較強，也體現(xiàn)了兩者之間的模量關聯(lián)性[20]。

圖6 回彈模量試驗結果Fig.6 Test result of resilience modulus

表5 回彈模量方差分析表Tab.5 ANOVA result of resilience modulus

2.5 水穩(wěn)定性

在路面材料性能研究中，常采用軟化系數(shù)來表示材料的耐水性，其計算方法為軟化系數(shù)K=材料在飽水狀態(tài)下的極限抗壓強度/材料在未飽水狀態(tài)下的極限抗壓強度。

圖7 水穩(wěn)定性試驗結果Fig.7 Test result of water stability

軟化系數(shù)的試驗結果和方差分析如圖7和表6所示。RAP的含量有顯著影響，再生材料的軟化系數(shù)均在0.7以上，這表明水泥穩(wěn)定再生瀝青路面材料都具有良好的水穩(wěn)定性；但是隨著舊瀝青混凝土摻量的增加，軟化系數(shù)有所降低。不同水泥含量的總體均值并非顯著地不同，但是進一步分析也得知水泥含量和RAP含量的交互作用具有顯著影響，說明水泥摻量的影響在RAP含量不同時的表現(xiàn)不一致。

表6 水穩(wěn)定性方差分析表Tab.6 ANOVA result of water stability

2.6 凍穩(wěn)定性

凍穩(wěn)定性由耐凍系數(shù)表征，其計算方法為耐凍系數(shù)K1=材料在凍融循環(huán)后的抗壓強度/材料未經凍融的飽水抗壓強度。

耐凍系數(shù)的試驗結果和方差分析如圖8和表7所示。不同水泥含量的總體均值也并非顯著地不同，但是進一步分析也發(fā)現(xiàn)水泥含量和RAP含量具有交互作用。

圖8 凍穩(wěn)定性試驗結果Fig.8 Test result of freezing stability

表7 凍穩(wěn)定性方差分析表Tab.7 ANOVA result of freezing stability

2.7 抗沖刷能力

累計沖刷量的試驗結果和方差分析如圖9和表8所示。結果表明，RAP含量、水泥含量均具有顯著性：水泥含量增加時，抗沖刷能力的量降低；RAP增加時，抗沖刷能力升高。

圖9 抗沖刷能力試驗結果Fig.9 Test result of erosion resistance

表8 抗沖刷能力方差分析表Tab.8 ANOVA result of erosion resistance

導致這一趨勢的原因可以解釋為水泥水化反應與細集料形成漿體，在含有舊瀝青混凝土的情況下，許多細集料表面被瀝青裹覆，從而影響這些細集料與骨料的黏結力，導致在沖刷時容易脫落。RAP含量越高，細集料被裹附的程度越高，越不容易與粗集料黏結，水泥用量少時也不容易黏結。

2.8 干縮系數(shù)

干縮系數(shù)的試驗結果和方差分析如圖10和表9所示。結果表明，RAP含量、水泥含量均具有顯著性：水泥含量增加時，干縮系數(shù)增加；RAP增加時，干縮系數(shù)降低。

圖10 抗干縮能力試驗結果Fig.10 Test result of dry shrinkage resistance

表9 干縮系數(shù)方差分析表Tab.9 ANOVA result of dry shrinkage resistance

由于水泥本身具有干縮性，因此會導致干縮系數(shù)增加。RAP使干縮系數(shù)降低可以解釋為：在水泥穩(wěn)定冷再生混合料失水產生收縮應力時，由于混合料的舊瀝青混凝土中含有瀝青，瀝青是一種黏彈性物質，會對這種收縮應力產生一定的松弛作用，從而降低材料的干縮系數(shù)。

2.9 RAP瀝青老化的影響

在RAP含量為50%時，選取瀝青面層受老化嚴重的路段回收RAP和基層進行無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量等試驗，性能優(yōu)化效果如圖11所示。其中累計沖刷量和平均干縮系數(shù)的下降比例視為性能優(yōu)化比例。

圖11 瀝青老化對各性能的影響Fig.11 Influence of asphalt aging on properties

從圖11可以看到除了干縮系數(shù)外，各項性能均得到一定程度的優(yōu)化，其中無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量這幾項力學性能尤為明顯。隨著舊瀝青老化程度的增加，再生材料的強度在明顯增加，這說明舊瀝青結合料變的更加脆硬的情形下，舊瀝青混凝土表現(xiàn)出“黑石料”的作用(圖12)，等效于形狀更大的集料，從而對材料的整體抗壓強度、彎拉強度、剛度均有利。此外，裹覆在集料表面的老化嚴重的舊瀝青更容易和水泥漿獲得更好的黏結效果，故而會改善再生材料的水穩(wěn)定性，凍穩(wěn)定性等。瀝青老化加重唯一不利的是抗干縮能力，因此老化后瀝青的應力松弛能力降低，但是相對未使用RAP的水穩(wěn)再生基層來說仍有優(yōu)化作用。因此在全厚式水泥穩(wěn)定再生材料的實際使用中，應盡量選用老化程度高的瀝青，甚至將RAP材料進行高溫老化后再使用，以獲得更好的材料性能。

圖12 全厚式水泥穩(wěn)定再生材料的結構Fig.12 Structure of cement stabilized full-depth reclamation material

3 結論

通過室內試驗和方差分析，研究了舊瀝青混凝土和舊半剛性基層材料比例對全深式水泥穩(wěn)定再生路面材料的影響，并討論了瀝青老化的影響，得到如下結論：

(1)最大干密度和最佳含水量與RAP含量均有強烈的線性遞減關系。

(2)在較低水泥劑量下，2.0%水泥摻量的強度不滿足基層要求，只能考慮用作底基層，水泥摻量為3%時RAP含量也不能過高。

(3)通過方差分析，發(fā)現(xiàn)水泥用量對無側限抗壓強度、劈裂強度、回彈模量、累計沖刷量、干縮系數(shù)都有強烈的影響關系，對軟化系數(shù)、耐凍系數(shù)沒有強烈的影響關系，但是水泥含量和RAP含量的交互作用具有顯著影響，說明水泥摻量的影響在RAP含量不同時的表現(xiàn)不一致。

(4)RAP的含量增加，對各項材料性能均有顯著影響。其中僅有干縮性能為有利影響，是由瀝青的黏彈性和應力松弛作用導致，而其他性能均為不利影響。

(5)瀝青老化時，除了干縮系數(shù)外，各項性能均得到一定程度的優(yōu)化，其中力學性能尤為明顯，是因為舊瀝青混凝土表現(xiàn)出“黑石料”的作用，且老化嚴重的舊瀝青更容易和水泥漿獲得更好的黏結效果。故推薦將RAP材料進行高溫老化后再使用。