不同老化程度的RAP水泥穩定碎石半剛性基層材料性能研究

摘 要：【目的】解決大量RAP資源化利用問題，提升RAP水泥穩定碎石基層材料的路用性能。【方法】對摻加不同老化程度的RAP水泥穩定碎石基層材料進行力學性能和耐久性能試驗分析。【結果】研究表明，隨著RAP老化程度的降低，抵抗外界變形能力減弱，在一定程度上削弱了RAP的高溫性能；老化程度相同的RAP水泥穩定碎石的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量均隨養護時間的延長而增加；相同時間下，隨著RAP老化程度的降低和測試溫度的提升，無側限抗壓強度和抗壓回彈模量呈下降趨勢；隨著RAP老化程度的降低，其抗凍性能、低溫抗裂性能和水穩定性能顯著增強。【結論】不同老化程度的RAP水泥穩定碎石基層材料的力學性能、高低溫穩定性、抗凍性能、水穩定性能均存在顯著差異，應根據材料性能指標合理選用不同老化程度的RAP。

關鍵詞：瀝青銑刨料；水泥穩定碎石；半剛性基層；老化；力學性能；耐久性能

中圖分類號：U414" " " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）03-0070-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.03.014

Study on Properties of RAP Cement-Stabilized Macadam Semi-Rigid Base Material with Different Aging Degrees

XIAO Hua1 WANG Hongkui2 ZHU Qichang1 WEI Xinyuan1 LI Hao3

（1.China Gezhouba Group Road amp; Bridge Co.， Ltd.， Yichang 443000，China;

2.Luohe Urban Investment Holding Group Co.， Ltd.， Luohe 462000， China;

3.Henan Communications Planning amp; Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to solve the problem of RAP resource utilization， and further improve the pavement performance of RAP cement stabilized macadam base material.[Methods] The mechanical properties and durability of cement stabilized macadam base material mixed with different degrees of aging RAP were analyzed. [Findings] The results show that， with the decrease of RAP aging degree， the resistance to external deformation and high temperature performance were weakened，which weakens the high temperature performance of RAP to a certain extent. With the extension of curing time， the unconfined compressive strength and compressive resilience modulus of RAP cement-stabilized macadam with the same aging degree were increased. Under the same curing time， with the decrease of RAP aging degree and the increase of test temperature， the decreasing trends were showed by the unconfined compressive strength and compressive resilience modulus. With the decrease of RAP aging degree， the properties of frost resistance， low temperature cracking resistance and water stability were significantly enhanced.[Conclusions] Due to the different degree of RAP aging， the mechanical properties， high and low temperature stability， frost resistanc and water stability of cement stabilized gravel base materials were significantly different. RAP with different aging degrees should be reasonably selected， according to the material performance indexes.

Keywords： asphalt milling material; cement-stabilized macadam; semi-rigid base; aging; mechanical property; durability

0 引言

目前，針對中修、大修階段的老舊瀝青路面基本上是采用銑刨后加鋪新瀝青路面的處理方式，每年公路維修產生了大量的廢舊瀝青混合料（RAP），并且隨著道路建設的發展，每年產生的RAP仍在增加，大量RAP對環境造成了巨大的危害。為減少環境破壞，做到資源有效利用并提高經濟效益，將RAP作為再生骨料開發利用，一方面解決了大量廢棄混凝土處理困難及由此造成的生態環境日益惡化等問題；另一方面可以減少對天然骨料的消耗，從而減少對細骨料石的開采，從根本上解決了天然骨料日益匱乏和大量砂石開采對生態環境破壞的問題。

廢棄料再生利用是當下研究的熱點，許多學者對廢棄瀝青混凝土的再生利用進行了研究。郭銀濤等［1］研究表明，水泥在一定程度提高了改性乳化瀝青冷再生混合料的低溫性能；王宏等［2］研究得出，水泥采用外摻法可使乳化瀝青冷再生混合料表現出優異的水穩定性；詹海玲等［3］研究發現，隨著瀝青摻量的增加，劈裂強度會逐漸增加，而抗壓強度會逐漸減小；柳峰［4］研究發現，對瀝青舊料進行廠拌冷再生循環利用具有工程造價低、材料功能優、環保節能等優點。但在實際再利用過程中，大部分廢棄瀝青混凝土僅被用于重新鋪筑路面。

我國在利用RAP摻入水泥穩定碎石半剛性基層再應用方面，尚處于起步階段，研究尚不足，將RAP應用于水泥穩定碎石半剛性基層，是回收再利用RAP的一種新途徑。道路使用壽命的不同，RAP老化程度有所不同，對水泥穩定碎石半剛性基層將產生不同的性能影響。

本研究將RAP粗集料替代其他集料摻入水泥穩定碎石充當骨料，進行力學及耐久性能分析，為RAP用作半剛性基層提供基礎。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 廢舊瀝青混合料（RAP）。本研究選用的RAP取自京港澳高速公路某段路面面層，原路面經過長期使用，已產生車轍、裂縫、結構層松散等一系列病害。根據路面的破損狀況，對舊瀝青路面材料進行就地銑刨破碎與收集，在儲存場地對未能徹底粉碎的大塊顆粒進行二次破碎并混合均勻。對RAP進行篩分試驗，試驗結果見表1。

1.1.2 瀝青再生劑。再生劑應與舊瀝青有良好的相容性和滲透性，且具備一定恢復老化瀝青性能的能力［5］。RAP中添加不同量的瀝青再生劑，再生程度不同，進而模擬RAP的不同老化程度。所用再生劑的技術指標見表2。

1.2 試驗方法

1.2.1 力學性能試驗。試驗按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）中的不同齡期的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量進行試驗，加載速度控制在0.05 MPa/s。

1.2.2 抗凍性能試驗。將28 d養護的試件進行24 h水浴和24 h冷凍，將冷凍后水浴解凍的試件進行無側限抗壓強度試驗，對比試件在凍融前后的強度損失。

1.2.3 低溫抗裂性能試驗。采用小梁彎曲試驗對RAP水泥穩定碎石的低溫抗開裂性能進行分析。將尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的RAP水泥混凝土板切割成250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，待小梁試件斷裂后試驗停止。

1.2.4 水穩定性能。將28 d養護的水泥穩定碎石試件進行48 h的60 ℃浸水，將浸水后的試件進行無側限抗壓強度試驗，對比試件在浸水前后的強度損失。

1.3 試驗方案

瀝青再生劑摻加量按RAP中舊瀝青的0、10%、20%和30%設定，進行不同老化程度RAP再生試驗，相當于不同程度的老化，從而制備出不同老化程度的RAP，RAP料摻量為總集料的30%，測試不同水泥混凝土性能。

2 不同程度老化瀝青性能分析

將摻加瀝青再生劑的RAP進行瀝青抽提回收試驗，對回收的不同老化程度的瀝青進行針入度、軟化點、延度性能測試，結果見表3。

隨著瀝青再生劑摻量的增加，老化瀝青再生程度更明顯，同時相當于瀝青老化程度更低。隨著瀝青再生劑摻量增加，再生瀝青的飽和芬、芳香芬等輕組分含量增加，針入度和延度得到有效提升，表明低溫延展性能得到一定恢復，抵抗外界變形能力減弱。瀝青老化程度降低后，軟化點由72.8 ℃降低至53.7 ℃，在一定程度上反而削弱了再生瀝青的高溫性能。

3 力學性能試驗分析

RAP水泥穩定碎石材料的力學性能主要有強度和剛度兩方面，由于水泥穩定碎石材料中RAP料團塊的存在，使水泥混凝土材料的力學性能與傳統水泥穩定碎石材料有顯著差別。因此本研究對不同老化程度（再生劑摻量）的RAP水泥穩定碎石材料的力學性能進行研究。按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）的相關規定進行不同齡期和溫度的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量試驗。

3.1 無側限抗壓強度試驗

不同老化程度的RAP水泥穩定碎石材料的無側限抗壓強度數據見表4，試驗結果如圖1、圖2所示。

由圖1可知，不同老化程度的RAP水泥穩定碎石材料隨養護時間變化具有相同的變化趨勢，均逐漸增強；相同養護時間下隨著瀝青再生劑摻量的增加，老化程度降低，無側限抗壓強度變小，摻量為0時無側限抗壓強度最大，28 d齡期下達5.17 MPa。主要是由于RAP料表面附著一層老化瀝青，在集料之間取代水泥形成一層薄膜，瀝青作為熱塑性材料，固結強度小于水泥。同時混凝土破壞時瀝青作為集料間的填充物提供潤滑作用，進一步降低了抗壓強度，混凝土受外力作用發生破壞時，斷裂界面通常發生在瀝青位置。RAP中老化瀝青與瀝青再生劑融合，老化程度降低，瀝青抵抗外界變形能力減弱，混凝土抗壓強度降低，且老化程度越低，抗壓強度減弱效果越明顯。

由圖2可知，瀝青再生劑摻量為20%時，不同測試溫度下RAP水泥穩定碎石隨養護時間呈現同樣的變化趨勢，均逐漸增大；相同養護時間下隨著測試溫度升高，無側限抗壓強度變小。測試溫度為5 ℃時無側限抗壓強度最大，28 d齡期下達5.73 MPa，35 ℃下28 d無側限抗壓強度最小，為4.51 MPa。這是由于瀝青對溫度具有較高的敏感性，隨著溫度降低，瀝青可塑性降低，抵抗外界變形能力增強，從而使水泥穩定碎石抗壓強度增強。

3.2 抗壓回彈模量

抗壓回彈模量是評價水泥穩定碎石材料剛度特性的關鍵參數，對不同老化程度的RAP水泥穩定碎石材料進行抗壓回彈模量試驗，試驗數據見表5，試驗結果如圖3和圖4所示。

由圖3可知，RAP水泥穩定碎石的抗壓回彈模量隨RAP老化程度的降低（瀝青再生劑摻量增加）具有顯著減小趨勢，與無側限抗壓強度呈現相同趨勢。摻量為0時的RAP水泥混凝土在不同齡期均具有最高的抗壓回彈模量，28 d齡期達1 503 MPa。RAP老化程度降低會降低RAP水泥穩定碎石整體強度，從而進一步降低材料整體的剛度，這是由于RAP老化程度低，相同溫度下可塑性強，彈性恢復性能強， 抗壓回彈模量變小。

由圖4可知，瀝青再生劑摻量為20%的情況下，不同測試溫度下RAP水泥穩定碎石隨養護時間同樣具有相同的變化趨勢，均逐漸增大；相同養護時間下隨著測試溫度升高，抗壓回彈模量變小，與無側限抗壓強度呈現相同趨勢。測試溫度為5 ℃時抗壓回彈模量最大，28 d齡期達到1 720 MPa，35 ℃下28 d抗壓回彈模量最小，為986 MPa。在不同的試驗溫度環境條件下，RAP水泥穩定碎石實際的抗壓回彈模量隨溫度的變化規律與無側限抗壓強度基本類似，而且對溫度的敏感性都較高。隨著溫度的升高RAP水泥穩定碎石抗壓回彈模量呈降低趨勢，這是由于隨著溫度的升高，瀝青可塑性增加，抵抗外界變形能力降低，整體剛度降低所致的。

4 耐久性能試驗分析

4.1 抗凍性能

RAP水泥穩定碎石基層受氣候影響明顯，在寒冷季節環境溫度可低至-30 ℃，在長期的凍融環境下，材料的抗凍性能直接影響道路的耐久性。將28 d養護的混凝土試件進行24 h水浴和24 h冷凍，將冷凍后水浴解凍的試件進行無側限抗壓強度試驗，對比試件在凍融前后的強度損失，試驗結果見表6。

從RAP水泥穩定碎石凍融前后抗壓強度來看，摻入一定量的瀝青再生劑，可有效降低自密實混凝土的強度損失率，并且隨著瀝青再生劑摻量的增加，強度損失率逐漸降低。表明RAP老化程度越低可在一定程度上提升RAP水泥穩定碎石的抗凍性能。這是由于RAP中的瀝青老化程度越低，性能損失越少，低溫性能明顯增強，RAP與天然集料進行拌和時，瀝青的黏性組分可以有效增強骨架的嵌擠作用，且瀝青具有一定黏彈性，在低溫環境下，受外部荷載作用時，瀝青彈性組分可以有效分散受力，從而保障材料整體不會開裂損壞，使材料具有一定的抗低溫性能，并且瀝青低溫性能越明顯，自密實混凝土抗低溫性能越強。

4.2 低溫抗裂性能

低溫開裂是水泥穩定碎石基層材料危害較大的一種破壞形式，溫度變化導致的開裂裂縫逐漸擴展，并最終會造成整體發生結構性破壞，影響使用質量。對不同程度老化的RAP水泥穩定碎石材料分別制成試件，并開展低溫小梁彎曲試驗，結果見表7。

由表7可知，隨著瀝青再生劑摻量的不斷提高，RAP老化程度降低，最大彎拉應變不斷升高，彎曲勁度模量呈降低趨勢。最大彎拉應變升高表明RAP老化程度降低賦予了RAP水泥穩定碎石足夠的變形能力，改善了材料的低溫性能。材料的低溫彎曲勁度模量越小，說明柔韌性越好。綜合最大彎拉應變與低溫彎曲勁度模量的情況發現，隨著RAP老化程度的減輕，RAP水泥穩定碎石材料在低溫抗裂性能方面具有更優異的性能。

4.3 水穩定性能

將28 d養護的水泥穩定碎石試件進行48 h的60 ℃浸水，將浸水后的試件進行無側限抗壓強度試驗，對比試件在浸水前后的強度損失，試驗結果見表8。

由表8可知，隨著瀝青再生劑摻量的不斷提高，RAP老化程度降低，強度損失率不斷降低，表明RAP老化程度降低能顯著改善水泥穩定碎石的水穩定性。

5 結論

本研究對不同老化程度的RAP水泥穩定碎石基層材料進行力學性能和耐久性能試驗分析，得出以下結論。

①瀝青老化程度降低，抵抗外界變形能力減弱，在一定程度上削弱了RAP的高溫性能。

②老化程度相同的RAP水泥穩定碎石的無側限抗壓強度和抗壓回彈模量均隨養護時間延長而增加；相同時間下，隨著RAP老化程度降低和測試溫度的提升，無側限抗壓強度和抗壓回彈模量呈下降趨勢。

③隨著RAP老化程度降低，抗凍性能、低溫抗裂性能和水穩定性能顯著增強。

④不同老化程度的RAP水泥穩定碎石基層材料的力學性能、高低溫穩定性、抗凍性能、水穩定性能都產生顯著差異，應根據材料性能指標合理選用不同老化程度的RAP。

參考文獻：

［1］郭銀濤，劉清泉，劉振清.考慮水泥作用的改性乳化瀝青冷再生混合料性能研究［J］.公路交通科技，2012，29（6）：6-10，21.

［2］王宏，郝培文，張航.乳化瀝青冷再生拌和用水量和水泥摻加方式研究［J］.公路，2013（9）：245-250.

［3］詹海玲，潘艷珠.瀝青和水泥摻量對泡沫瀝青混合料強度的影響［J］.公路交通科技（應用技術版），2013，9（8）： 75-79.

［4］柳峰.乳化瀝青廠拌冷再生技術在青銀高速公路改擴建項目中的應用［J］.公路交通科技（應用技術版），2018，14（1）：23-25，29.

［5］張宇，李寧，詹賀，等.不同類型再生劑對老化瀝青再生效果對比研究［J］.合成材料老化與應用，2022，51（1）：18-21.