RAP粒徑對水泥穩(wěn)定再生混合料的性能影響研究

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(1.上海理工大學 環(huán)境與建筑學院 上海 200093; 2.嘉興市高新交通技術測評研究院 嘉興 314001;3.浙江省嘉興市公路管理局 嘉興 314001)

半剛性基層瀝青路面是我國公路的主要結構形式,長期奉行的“強基薄面”的設計方針片面強調半剛性基層的強度.無機結合料穩(wěn)定粒料基層強度愈高,產生開裂的可能性愈大.而這些產生不同裂縫病害的基層采用水泥穩(wěn)定半剛性材料再生時,基層的強度仍主要依靠無機結合料劑量,基層板體強度過高產生開裂病害的根源并沒有解決[1-4].于是提出了全深式水泥穩(wěn)定再生基層方法,將老路的瀝青面層和基層(或部分基層)一并銑刨后與無機穩(wěn)定劑就地拌合(或廠拌),形成全深式再生集料,碾壓成型后成為新路面的基層或底基層[5].該工藝的初衷主要是利用舊瀝青混凝土中舊瀝青的柔性減緩半剛性基層的剛度,提高半剛性基層抗干燥收縮能力,避免或緩解半剛性基層普遍存在的開裂病害[6-7].

全深式再生基層材料包括RAP和RBP等原材料,RAP指舊瀝青路面的面層銑刨料,RBP指舊瀝青路面的基層銑刨料.在實際工程應用中,再生混合料設計方法仍沿用水穩(wěn)混合料的設計方法,將舊瀝青混凝土與半剛性基層材料進行級配合成,未考慮舊瀝青裹附的礦料與單純礦料的差異,導致面層和基層材料復合使用時路用性能不佳.本文提出了針對水泥穩(wěn)定再生混合料“以半剛性材料為骨架,瀝青面層細集料作為嵌擠填充的骨架密實結構”的概念,通過采用不同級配類型,展開RAP替代RBP試驗,分析舊瀝青面層材料與半剛性基層材料的最佳結合形式,探討舊瀝青混凝土對水泥穩(wěn)定再生混合料性能的改善機制.

1 原材料屬性與分析方法

1.1 原材料屬性

料源取自大中修養(yǎng)護項目某路段,原路面結構形式為5 cm瀝青面層+17 cm水穩(wěn)碎石基層.銑刨機從上至下分別對瀝青面層和半剛性基層進行破碎,得到舊瀝青面層和半剛性基層破碎料.對半剛性基層破碎料進行篩分,按照《公路水泥穩(wěn)定碎石基層振動成型法施工技術規(guī)范》(DB 33T836-2011) 5.2中5級配、 《公路瀝青路面基層再生技術規(guī)范》(JTJ034-2000) 5.6.2中1號級配,分別合成骨架密實級配和懸浮密實級配的純基層再生混合料,E1和E2中摻加RAP的質量為0%,級配結果如表1所示.對舊瀝青面層破碎料進行篩分分檔,分為0～2.36 mm,2.36～4.75 mm,4.75～19 mm,19～31.5 mm 4檔集料,瀝青面層破碎料經抽提后計算得到油石比為3.7%.試驗中添加劑采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥.

表1 純基層集料的合成級配Tab.1 Gradation of base aggregate

1.2 RAP替代RBP的合成級配

將骨架密實級配和懸浮密實級配的水穩(wěn)碎石再生集料分為4組,對0～2.36 mm,2.36～4.75 mm,4.75～19 mm,19～31.5 mm 4種粒徑范圍的水穩(wěn)碎石集料,用RAP對RBP進行相同粒徑范圍和相同質量的替換.由于19～31.5 mm粒徑范圍的集料在混合料中所占比例最小,因此,取該檔集料占混合料的質量比為統(tǒng)一替代質量,本試驗中取20%,RAP替換RBP后再生混合料的級配如表2和表3所示(見下頁).

表2 再生混合料合成級配1Tab.2 Gradation 1 of regeneration mixtures

表3 再生混合料合成級配2Tab.3 Gradation 2 of regeneration mixtures

1.3 最大干密度和最佳含水量

本文按5%的水泥劑量,根據(jù)現(xiàn)行《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)中“無機結合料穩(wěn)定材料擊實試驗方法”T0804-1994的“丙”方法進行,對不同合成級配的混合料進行擊實試驗,獲得含水量-干密度關系曲線,確定最佳含水量與最大干密度.試驗結果如表4所示.

表4 再生混合料擊實試驗結果Tab.4 Compaction test result of regeneration mixtures

1.4 分析方法

a.無側限抗壓強度試驗.對上述各種混合料分別根據(jù)擊實結果確定最佳含水量和最大干密度,水泥劑量(質量摻量)為5%,通過靜壓法成型150 mm×150 mm的圓柱體試件,在相對濕度為96%、溫度為20 ℃的養(yǎng)護室內進行7 d養(yǎng)生.將完成養(yǎng)護后的試件浸水一天,從水中取出后用軟布吸去試件表面可見水,將試件放在WE-600B液壓式萬能試驗機升降臺上進行抗壓強度、抗拉強度試驗,加壓速度取0.1～0.2 kN/S.以3個試件測試值的平均值作為該組試件抗壓強度試驗結果代表值,按下式計算得

式中:Rc為試件的無側限抗壓強度,MPa;P為試件破壞時最大壓力,N;A為試件的截面積,mm2;D為試件的直徑,mm.

b.抗壓回彈模量試驗.試驗所用試件的成型、養(yǎng)護方法與抗壓強度試驗時相同,測試采用頂面法進行抗壓回彈模量的測定.將試件放在萬能試驗機升降臺上,千分表的表架固定在試驗臺上試件對稱的兩側.試驗時加載板上的計算單位壓力用0.5～0.7 MPa,加壓速度取0.1～0.2 kN/S.以3個試件測試值的平均值作為該組試件抗壓強度試驗結果代表值,按下式計算得

式中:E為試件的抗壓回彈模量,MPa;p為單位壓力,MPa;H為試件的高度,mm;l為試件的回彈變形量,mm.

c.干燥收縮試驗.干縮變形的測試采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的梁式試件,試件均以最佳含水量、最大干密度和98%的壓實度靜壓成型.4種配合比各成型2組,分別用于測試7 d,28 d失水率和干縮應變,每組3個平行試件的平均值作為該組試件收縮變形試驗結果代表值,干縮系數(shù)αd按下式計算

式中:αd為試件的干縮系數(shù),10-6/%;ωi,ωi+1分別為相鄰兩測點測定的試驗含水量,%;εi,εi+1分別為相鄰兩測點試件的干縮應變,10-6.

d.立式顯微鏡觀察.不同配合比成型養(yǎng)護完成后的試件放在陰涼處干燥一周,再用切割機對柱狀試件進行橫向切片,切片時盡量在RAP與RBP交接集中處切割,采用Carl Zeiss立式顯微鏡分別對切片斷面的不同部位進行觀察,觀察水泥石與不同粒徑RAP集料的界面狀態(tài).

2 試驗結果與分析

2.1 骨架密實級配的再生混合料試驗結果

2.1.1強度與模量

試驗結果見圖1～3.

從圖1～3可知,對于骨架密實級配,礦料之間以粗集料形成骨架結構,細集料起填充空隙作用[8-9].RAP替換不同粒徑RBP后的再生混合料,強度和模量相對于純水泥穩(wěn)定碎石再生混合料有不同程度降低,表明礦質集料表面裹附的瀝青阻礙了礦質集料之間的強度黏結,對再生混合料的整體強度有削弱作用.對比分析圖1～3可知:

a.與純水泥穩(wěn)定碎石再生混合料相比,用RAP替換粒徑19～31.5 mm和4.75～19 mm的RBP后,再生混合料的強度和模量明顯降低,說明RAP粗集料作為骨架結構時對混合料的整體強度和剛度不利,水泥水化產物與舊瀝青之間不能形成黏結強度,也難以穿透舊瀝青層與礦質集料形成黏結,骨料之間不能形成牢固的支撐結構.用RAP替換粒徑0～4.75 mm和4.75～9.5 mm的RBP后,再生混合料的強度和模量降低幅度較小,此時水泥水化產物可以對粒徑較小的RAP形成完全或部分裹附,從而產生強度來源,說明RAP細集料以填充形式存在對再生混合料強度影響較小.

b.對于RAP細集料,A-1的強度和模量略小于B-1,主要原因是RAP表面有舊瀝青的裹附,粒徑為0～2.36 mm的RBP集料主要以剝落的瀝青顆粒和被破碎的瀝青礦質料組成,1.18 mm以下的細料極少,混合料空隙難以被充分填充,因此,再生混合料強度和模量都有所降低.

圖1 骨架密實級配再生混合料的抗壓強度Fig.1 Compressive strength of skeleton dense gradation recycled mixture

圖2 骨架密實級配再生混合料的劈裂強度Fig.2 Splitting strength of skeleton dense gradation recycled mixture

圖3 骨架密實級配再生混合料的回彈模量Fig.3 Resilient modulus of skeleton dense gradation recycled mixture

c.RAP替代細集料的混合料A-1和B-1,與RAP替代粗集料的混合料C-1和D-1相比,A-1,B-1的強度和模量高于C-1,D-1,這主要是由骨料在混合料中的結構粒徑所決定,舊瀝青混凝土中粗集料不利于承擔再生混合料骨架結構,水泥水化產物也難以穿透瀝青膜形成強度,細集料作為填充狀態(tài)對再生混合料的強度降低幅度較小.因此,舊瀝青半剛性基層路面進行全深式再生施工時,舊瀝青混凝土以細集料形式合成再生混合料,對基層的整體強度有利.

2.1.2干縮性能

試驗結果如圖4所示.

圖4 骨架密實級配再生混合料的干縮系數(shù)Fig.4 Shrinkage coefficient of skeleton dense gradation recycled mixture

由圖4試驗結果來看,隨著RAP替代RBP粒徑的逐漸增大,水泥穩(wěn)定再生混合料的干縮系數(shù)表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢.粒徑為2.36～4.75 mm的RAP替代RBP后的再生混合料干縮系數(shù)最小,說明2.36～4.75 mm的RAP有利于降低再生混合料的干縮應變,這主要是半剛性材料內部的空隙被裹附瀝青的礦料擠占,引起干縮的作用粒的作用范圍減小,從而干縮系數(shù)減小幅度較明顯[10].當RAP替代RBP的粒徑大于4.75 mm,隨著RAP粒徑增大,再生混合料的干縮系數(shù)逐漸增大,與純水泥穩(wěn)定碎石再生混合料的干縮系數(shù)相比差異較小,此時的RAP不能對RBP的空隙形成柔性填充,因此,粒徑大于4.75 mm的RAP對再生混合料干縮性能的改善作用較弱.

從養(yǎng)護齡期來看,隨著齡期的增長,再生混合料的干縮系數(shù)都有明顯降低.當齡期超過7 d后,干縮系數(shù)隨齡期增長而降低較緩慢.這與普通水泥穩(wěn)定再生混合料的規(guī)律一致,表明基層材料成型完成后的7 d內,采取防止基層含水量過快損失的措施,對減小再生混合料的干縮應變有利.

2.2 懸浮密實級配再生混合料的試驗結果

2.2.1強度與模量

試驗結果見圖5～7.

由圖5～7可知,對于懸浮密實級配,小一檔粒徑集料將大一檔粒徑集料擠開,大顆粒集料以懸浮狀態(tài)處于較小顆粒集料之間.試驗結果表明,隨著替換的舊瀝青礦料粒徑增大,再生混合料強度和剛度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢.對比圖5～7可知:

圖5 懸浮密實級配再生混合料的抗壓強度Fig.5 Compressive strength of suspended dense gradation recycled mixture

圖6 懸浮密實級配再生混合料的劈裂強度Fig.6 Splitting strength of suspended dense gradation recycled mixture

圖7 懸浮密實級配再生混合料的回彈模量Fig.7 Resilient modulus of suspended dense gradation recycled mixture

a.采用懸浮密實級配的再生混合料,RBP集料被相同粒徑的RBP集料替代后對應的混合料,整體低于骨架密實級配的再生混合料的強度和模量.由于懸浮密實級配為逐級填充的連續(xù)型密實級配,單一粒徑的集料對再生混合料的強度影響較小.

b.隨著RAP替代RBP粒徑的逐漸增大,再生混合料的強度和模量逐漸降低.替換粒徑范圍為19～31.5 mm和9.5～19 mm的再生混合料強度和模量均較低,說明RAP粗集料對再生混合料的強度和模量影響顯著,RAP以粗集料形式存在時不利于混合料的路用性能.

c.從養(yǎng)護齡期來看,采用懸浮密實級配,RAP替換不同粒徑RBP后的再生混合料,與骨架密實級配再生混合料的強度、模量增長規(guī)律相似,隨著養(yǎng)護齡期的增加,再生混合料的強度和模量均逐漸增大.

2.2.2干縮性能

試驗結果如圖8所示.

圖8 懸浮密實級配再生混合料的干縮系數(shù)Fig.8 Shrinkage coefficient of suspended dense gradation recycled mixture

從圖8可以看出,對于懸浮密實級配,隨著RAP替代RBP粒徑的逐漸增大,再生混合料的干縮系數(shù)逐漸增加,表明RAP集料粒徑較小,有利于提高再生混合料的抗干燥收縮能力,這與骨架密實級配的干縮試驗結果相同.從養(yǎng)護齡期上看,隨著養(yǎng)護齡期的增長,RAP替代不同粒徑RBP后的再生混合料干縮系數(shù)都有減小趨勢.

2.3 RAP與RBP界面表觀分析

針對骨架密實級配對RAP替換相同粒徑范圍RBP后的再生試件,通過電子顯微鏡對不同粒徑RAP與RBP結合處進行觀察,試驗結果如圖9～12所示.

圖9 DRAP≤2.36 mm的混合料界面Fig.9 Mixture interface of DRAP≤2.36 mm

圖10 2.36 mm

圖11 4.75 mm

圖12 19 mm

從圖9～12看以看出,隨著RAP替代RBP粒徑的增大,RAP與RBP通過水泥穩(wěn)定形成再生混合料的“黑白”界面越來越明顯,黑白界線即是舊瀝青混凝土材料與半剛性基層材料的交界面,該界面部位是再生混合料強度的薄弱面[11-14].當RAP替代粒徑小于2.36 mm,RAP以細集料狀態(tài)存在被水泥水化產物全部裹附;當RAP替代粒徑在2.36～4.75 mm,RAP部分裹附或填充,RAP與RBP呈現(xiàn)混融狀態(tài);當RAP替代粒徑大于4.75 mm后,RAP與RBP的結合界面的分界逐漸明顯,此時RAP與RBP未能較好地填充結合.說明再生混合料中RAP粒徑越大,RAP與RBP結合界線越明顯,再生混合料的穩(wěn)定性越差,當RAP和RBP充分融合的狀態(tài)即是再生混合料的最佳狀態(tài).

3 結束語

基于水泥穩(wěn)定的RAP與RBP合成再生混合料,采用骨架密實級配再生混合料的強度、模量和抗干縮性能明顯優(yōu)于懸浮密實級配,特別是采用骨架密實級配,2.36～4.75 mm范圍的RBP被RAP替代后,抗干縮能力有明顯的提高,有利于緩解水泥冷再生基層板體強度過高造成的后期干縮裂縫病害.9.5～31.5 mm粒徑對于骨架密實級配和懸浮密實級配都屬于骨架結構粒徑,RAP替代RBP后的再生混合料整體強度、模量相對較低,表明當舊瀝青面層摻量一定時,再生混合料中舊瀝青集料粒徑不宜過大.

采用不同的級配類型對RAP與RBP合成的再生混合料進行設計,有研究認為舊瀝青混凝土的摻量越高,再生混合料的強度和模量越低,而通過增加水泥劑量提高水泥穩(wěn)定材料的強度,容易導致混合料后期較大的干縮變形.本文通過控制RAP在合理的摻量范圍內,同時控制RAP的粒徑在2.36～4.75 mm,允許再生混合料的強度適當降低,提高抗干燥收縮能力,是充分利用舊瀝青混凝土的柔性來減緩水泥板體剛度過大的一種理想的方法.但考慮到施工中集料粒徑難以控制,同時會提高施工成本,因此,建議在全深式再生基層施工中,采用廠拌再生施工時,可將舊瀝青面層預先進行細化篩分,降低舊瀝青集料的粒徑.采用就地再生施工時,可降低銑刨機或再生機行進速度等措施減小RAP粒徑,舊瀝青集料粒徑控制在4.75 mm以內.

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