再生石灰粉煤灰穩定碎石材料的耐久性評價

蔡碩果 徐世法 高玉梅 于保華 傅慶志 劉世波

（1北京特希達交通勘察設計院有限公司，北京 100067；2北京建筑大學 未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；3北京首發公路養護工程有限公司，北京 102613；4北京市政路橋管理養護集團有限公司市政工程三處，北京 100097；5北京立高立德工程技術有限公司，北京 100141）

0 前言

我國的高等級瀝青路面普遍將半剛性基層作為基層材料使用，其優點是具有較高強度、剛度以及良好的整體性，并能提高路面的承載能力。在很長時期內，半剛性基層在我國高等級路面結構中作為一種主導性材料，隨著高等級公路陸續進入改擴建期，每年需要大中修的道路約10萬公里，會產生大量的廢棄路面材料，造成巨大的資源浪費和經濟損失。因此，再生循環利用廢舊路面材料具有重大的經濟效益和社會意義[1-3]。

目前，道路半剛性基層舊料再利用方式包括舊料和松摻灰、廠拌處理等，其結合料主要有水泥、水泥+粉煤灰、石灰+粉煤灰等。選取水泥作為結合料可以更好地保證施工質量，考慮到北京地區石灰資源較少，選用石灰粉煤灰穩定碎石材料（二灰舊料）再生為水泥穩定碎石基層。然而對于再生半剛性基層，規范僅僅要求基層質量控制指標，忽略了耐久性等問題[4-5]。

因此，為了研究再生半剛性基層耐久性能，本文查閱相關文獻后發現，聚酯纖維具有較強的拉彎強度、高彈性模量特點，將其用于半剛性基層中可以很大程度地提高其抵抗開裂的性能。這是因為RAP材料呈現出粘彈性，利用RAP的特性可以通過減小材料的剛度增加基層的使用壽命[6-8]。

本文通過摻加纖維和RAP的方式改善再生半剛性基層的耐久性，主要從抗凍性能、抗疲勞性能以及沖刷性能方面評價改善后的再生半剛性基層耐久性，并與新料基層、改善前再生半剛性基層的使用壽命進行研究，結果發現經過改善的RAP基層使用壽命優于完全使用新料的半剛性基層。

1 增韌材料與級配設計

1.1 水泥

對水泥的各項指標進行了測試，測試的結果如表1所示。

表1 水泥各項指標檢測結果

對水泥性能指標測試表明，其各項指標滿足規范要求。

1.2 聚酯纖維

本文所采用聚酯纖維主要技術指標見表2。

表2 聚酯纖維技術指標檢測結果

1.3 RAP

本文所用RAP為通州區某公路瀝青路面面層銑刨料，瀝青含量5.4%。其篩分試驗結果見表3。

表3 RAP材料篩分結果

1.4 級配設計

本試驗選取四種具有代表性的級配，以級配中值為設計級配，見表4。

表4 不同級配下集料的通過率（%）

圖1 各級配下集料的通過率

由上表可以看出，級配A、B均是粗料少、細料偏多，構成了懸浮密實型結構。級配D的粗集料較C的含量多。A、B、C、D四種級配曲線圖中，D級配構成試件具有最好的骨架結構，進一步對上述四種級配進行抗裂性能評價、使用壽命優選。

北方寒冬季節的反復凍融作用會使水泥穩定基層強度下降，導致基層內部產生薄弱面，從而發生開裂。本文對半剛性基層進行抗凍性能試驗，選出使用壽命較優的級配。

1.4.1 試驗方法

本文對試件的耐久性評價主要選用凍融試驗方法，用抗凍系數來評價（基層試驗材料在凍融循環后的強度與未進行凍融的對照組的強度之比），用公式1表示。本文選用抗凍系數的大小來評價試件的耐久性。

1.4.2 試驗結果及分析

根據規范要求，該試件的養生期為28d，養生期結束后在20℃恒溫箱中放置24h。根據試驗要求，將試件在-18℃保溫16h，然后在60℃水中繼續放置24h，整個過程為一個凍融循環。進行5次循環后測試其抗壓強度與劈裂強度。根據未凍融對照組的強度值，計算得到凍融前后的抗凍系數，結果見表5和表6。

表5 不同級配下的基層5次凍融循環前后抗壓強度比

表6 不同級配下的基層5次凍融循環前后劈裂強度比

從上表可以看出，經凍融循環后抗凍系數隨著A、B、C、D級配增大，基層抗壓、劈裂強度在凍融前后的損失率變小，凍脹循環對集料的粘聚力和混合料的膠結力影響均較小。將各自的強度比進行數學擬合，由圖2可以看出兩者的相關系數很高。試驗結果表明，試件的抗裂性及耐久性隨級配A、B、C、D呈現逐漸增強的趨勢，級配D是其中抗裂性及耐久性能最佳的級配。

圖2 抗壓強度比與劈裂強度比相關系數

綜上，本文級配選用上述最優抗裂級配，其中水泥摻量為3.5%，纖維摻量為0.2%，結果見表7和圖3。

表7 優選級配設計

圖3 級配曲線圖

2 耐久性性能評價

2.1 抗凍性能

本文按照規范對新料組、50%舊料再生組、完全使用舊料再生組以及50%舊料再生改善組進行抗凍性試驗[9-11]，結果如表8。

表8 抗凍性能的試驗結果

由圖4可以看出，50%舊料再生組與新料基層相比，抗凍系數降低2.2%，完全使用舊料再生組與添加一半舊料再生組相比，抗凍系數降低0.87%，半剛性基層的抗凍性隨舊料添加量的提高稍有降低，其抗凍性能均不如完全使用新料的基層。但是經過聚酯纖維改善的再生組的抗凍系數基本與新料基層持平，聚酯纖維確實提高了再生基層的抗凍性能。

圖4 各組抗凍系數試驗結果

2.2 抗疲勞性能

對添加舊料和聚酯纖維的再生半剛性基層進行性能驗證。本文選用疲勞試驗進行耐久性驗證，與不添加舊料、添加50%舊料、完全使用舊料再生組進行對比。添加50%舊料改善組的疲勞性能如表9所示。

表9 添加50%舊料再生改善組的疲勞壽命（次）

表10 各試驗組的疲勞參數方程

表9中數值為疲勞壽命的對數，進行一元線性回歸可以得到保證率為95%時的疲勞壽命方程，結果如表10和圖5所示。

圖5 各組疲勞方程

由表中方程的A、B值可以評價試件的疲勞耐久性，A值大說明疲勞曲線平緩，半剛性基層對耐久性不敏感，B值大則說明試件的疲勞壽命越長。表10和圖5表明，再生改善后的半剛性基層疲勞回歸方程中的A、B數值均為最大，經過聚酯纖維及舊料改善的再生組其疲勞耐久壽命較完全使用新料的半剛性基層大約提高7%，且對疲勞的敏感性降低，而相比舊料基層的疲勞壽命則大約提高了37%，疲勞敏感性大大增加。

結果表明，改善后的再生半剛性基層抗疲勞性能得到了提高，并略優于新料基層。

2.3 抗沖刷性能

本文驗證基層的沖刷性能選用橫向分布車轍儀來進行試驗，根據試驗規范要求，車輪作用在試件上的單位壓力是0.7MPa。本文研究所對應的交通條件為特重交通，為了更好模擬實際情況，車輪壓力調整為1.0MPa，試驗橫向速度確定為10cm/min，縱向速度仍為規范要求的42次/min，模擬時間1h[14-15]。

按以下步驟進行沖刷試驗。

1）按照規范要求給出的最大干密度和最佳含水率以98%的壓實度制成雙層車轍板（10cm×30cm×30cm）。

2）將成型的車轍板試件在養護室里放置28d，稱出烘干后質量為m1[16]。

3）對雙層車轍板進行高溫性能驗證，將水注入車轍儀中，根據規范要求加入水高出試件10mm，試件在20℃水中浸泡2h，試驗持續時間1h[16]。

4）將試驗結束后的試件烘干，稱得質量記為m2，車轍板模具質量記為m3。

試驗結果見表11。

由表11可以看出，添加一半舊料的再生半剛性基層與完全使用舊料的再生組和完全使用新料組相比，抗沖刷性能均較差，舊料多則沖刷磨耗率大，說明其抗沖刷能力較弱。經聚酯纖維改善的再生基層其沖刷磨耗率與完全使用新料的基層相比大致提升2%，綜上可以得出加入聚酯纖維、舊料可以使再生基層抗沖刷性能有所提高。

3 結論

本文研究了聚酯纖維對再生基層耐久性的改善效果，與完全使用新料基層及聚酯纖維改善前的再生組進行對比，可以得到以下結論：

1）經聚酯纖維改善后的再生半剛性基層的抗凍性能較未改善的再生組有較大提升，且其抗凍系數值與完全使用新料的基層持平。

2）通過擬合的方程可以看出聚酯纖維的加入改善了再生半剛性基層的疲勞敏感性，增加其疲勞壽命，提高了耐久性能。

3）經聚酯纖維改善的再生基層其沖刷磨耗率與新料基層大致持平，并且低于未加入聚酯纖維的再生基層，聚酯纖維提高了再生半剛性基層的使用壽命。

綜上所述，增韌的再生半剛性基層材料耐久性得到了提高，且優于新料基層。