摻RAP 水泥穩定碎石柔化抗裂技術研究

劉 明，李 昊

（1.青島市交通科學研究院，山東 青島 266075；2.青島市交通規劃設計院有限公司，山東 青島 266102）

引言

水泥穩定碎石作為典型的半剛性基層材料，具有較高的強度和承載力以及較好的穩定性，被廣泛用于高等級路面的修筑材料。但由于自身剛度較大而抗拉強度太低，使其對交通荷載特別敏感,且難以承受重載交通所產生的彎拉應力以及重復交通荷載作用下產生的彎拉疲勞應力，從而在使用過程中不可避免地發生開裂現象，導致瀝青路面的早期損壞。采用廢舊瀝青混合料對水泥穩定碎石基層材料進行柔化改性，可以提高水泥穩定碎石基層的柔韌性和抗變形能力，減緩或阻止水泥穩定碎石基層的開裂，有效降低瀝青路面的早期損壞，改善瀝青路面的性能，延長使用壽命。

1 抗裂機理研究

1.1 彈性一骨架聯合作用機理

RAP 是一種帶有骨架的彈性介質，能發揮彈性一骨架的聯合作用，摻入水泥穩定碎石中可以緩沖來自各方面應力而產生的應變。當材料受到的應力很小時，如溫縮和干縮引起材料內部的擠壓力，細廢舊料外層包裹的瀝青可以變形，發揮了緩沖的作用，使得材料抗溫縮和干縮開裂的能力增強。當材料受到較大力的作用時，顆粒內部的集料能夠發揮骨架作用，抑制顆粒的較大變形，因此，使材料具有較高強度的同時，又能提高材料的抗裂性能。

1.2 致密機理

研究過程中采用掃描電子電鏡（SEM）來觀察摻細廢舊料的水泥穩定碎石微觀結構形態的變化。該方法是利用熱陰極電子槍發射出的電子在電場的作用下加速，經過電磁透鏡的作用，在樣品表面聚焦成極細的電子束，再與樣品室中的樣品相互作用，激發產生各種物理信號，被按順序、成比例地轉換成視頻信號，經過處理完成樣品表面特征的掃描圖像。

圖1為水泥冷再生材料中舊集料表面水化物，圖2 為水泥再生混凝土舊集料表面水泥水化物形態。舊集料表面的掃描電鏡照片顯示，大量取向排列的晶體富集于舊集料表面，這是舊集料與水泥石之間界面孔隙率大、結構疏松且黏結力較弱的主要原因。由此可以看到新舊界面對水泥穩定類材料的強度的影響[2]。

圖1 再生材料中舊集料表面水化物形態

圖2 再生混凝土舊集料表面水化物形態

由于水泥穩定碎石中摻入細廢舊料后，材料變得更加密實致使水泥穩定碎石的抗收縮能力增強的機理，稱為致密機理。從水泥穩定碎石的干燥收縮機理可知，水泥穩定碎石干燥收縮過程的主要原因在于材料內部存在毛細孔隙和材料分子之間的孔隙大量存在，而通過向水泥穩定碎石中摻入細廢舊料使得水泥穩定碎石更加密實，材料內部的各種孔隙都會減少，從而增強了水泥穩定碎石的抗干縮能力。此外，水泥穩定碎石更密實也降低了材料自身的收縮能力，增強了抗收縮性能，從而增強了水泥穩定碎石的抗裂性能。

2 力學性能研究

根據配合比設計，水泥劑量選取4.0%～5.0%，RAP 摻量為0%～50%制作試件，測試無側限抗壓強度、劈裂強度和回彈模量。在50%摻量內的水泥穩定碎石強度均滿足要求，且摻RAP 水泥穩定碎石的抗壓強度隨齡期的增加而增大、隨水泥用量的增大而增加，隨RAP 摻量的增加而減少。見圖3、圖4。

圖3 7 d 無側限抗壓強度與水泥用量關系

圖4 水泥穩定碎石抗壓強度與RAP 摻量關系

摻RAP 水泥穩定碎石的劈裂強度與抗壓強度具有很好的線性關系，劈裂強度隨水泥用量、養生齡期和RAP 摻量的變化規律與抗壓強度的變化規律基本一致。見圖5。

圖5 劈裂強度與抗壓強度的回歸關系

摻RAP 的水泥穩定碎石的抗壓回彈模量與抗壓強度具有很好的線性關系。摻RAP 的水泥穩定碎石的抗壓回彈模量在900 ～1 700 MPa 之間，較普通的水泥穩定碎石小。因此，摻RAP 水泥穩定碎石在獲得較大強度的同時，改善了剛性和脆性，提高了彈性，有利于抑制裂縫的產生。見圖6。

圖6 回彈模量與抗壓強度的回歸關系

3 收縮特性及抗裂性能研究

水泥用量的增加會導致水泥穩定碎石與摻RAP水泥穩定碎石的溫縮應變與干縮應變增加，降低水泥穩定碎石的抗裂能力，因此，在實際工程中應盡可能降低水泥用量。齡期的增長會導致水泥穩定碎石與摻RAP 水泥穩定碎石的溫縮應變與干縮應變增加，而對于干縮應變影響較大的是7 d 內，在此期間應采取措施防止水量損失過快，減少干縮裂縫的產生。見圖7、圖8。

圖 7 水泥用量與平均干縮系數的關系

圖8 7 d 養生齡期下水泥用量與平均溫縮系數的關系

采用收縮強度指數對水泥穩定碎石的抗裂性能進行評價，結果表明，隨著細廢舊料摻量的增大，水泥穩定碎石抗收縮能力增強。見圖9、圖10。

圖 9 干縮強度指數

圖 10 溫縮強度指數

4 耐久性能研究

對比28 d 養生齡期4%水泥用量和4.5%水泥用量在不同RAP 摻量下的沖刷結果，RAP 摻量越大，沖刷量越大，同時試件的強度對水泥穩定碎石具有一定的影響，試件強度值越大而沖刷量越少。見表1。

表1 沖刷試驗結果

對比28 d 養生齡期4%水泥用量和4.5%水泥用量在不同RAP 摻量下的抗凍性能，隨RAP 摻量的增加，水泥穩定碎石凍融前后的抗壓強度比率逐漸增大，質量損失率逐漸減少，說明RAP 的摻入有利于提高水泥穩定碎石的抗凍性能。見圖11。

圖11 RAP 摻量與抗壓強度比率和質量損失率的關系

隨著RAP 摻量的增加，水泥穩定碎石的疲勞壽命整體有下降趨勢。在基層中摻入30%RAP 后疲勞壽命僅降低了1.4%，加入50%RAP 后疲勞壽命降低了3.8%，說明RAP 的摻入并不會破壞基層的疲勞性能。見圖12。

圖12 疲勞壽命與RAP 摻量間的關系

5 結語

（1）采用掃描電子電鏡（SEM）觀察摻細廢舊料的水泥穩定碎石微觀結構形態，驗證了摻加RAP水泥穩定碎石的彈性一骨架聯合作用機理和致密機理，說明RAP 柔化技術可以增強水泥穩定碎石的抗裂性能。（2）通過對加入RAP（廢舊瀝青混合料）后水泥穩定碎石材料的力學性能、收縮性能、耐久性等方面的研究，可以看出通過RAP 柔化后的水泥穩定碎石可以有效減少裂縫病害的發生。（3）水泥用量的增加會導致水泥穩定碎石與摻RAP 水泥穩定碎石的溫縮應變與干縮應變增加，降低水泥穩定碎石的抗裂能力。因此，在實際工程中應盡可能降低水泥用量。（4）齡期的增長會導致水泥穩定碎石與摻RAP 水泥穩定碎石的溫縮應變與干縮應變增加，而對于干縮應變影響較大的是7 d 內，在此期間應采取措施防止水量損失過快，減少干縮裂縫的產生。