廢舊回收瀝青路面材料的強(qiáng)度特性

周愛兆, 張靜玉, 殷 杰, 黃獻(xiàn)文

(1. 江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212000; 2. 江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

瀝青混凝土具有較好的材料特性、路面舒適性及便捷的施工性等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于公路路面建設(shè).據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)普通干線公路總里程已超過400萬km,其中瀝青路面所占比例已超過85%.同時(shí),國(guó)內(nèi)每年因?yàn)闉r青路面的翻修、重建所產(chǎn)生的廢舊回收瀝青路面(RAP)混合料高達(dá)2.2億t,遠(yuǎn)高于美國(guó)7 340萬t的年產(chǎn)量.相比于美國(guó)RAP材料80%的再利用率,我國(guó)的回收利用率不足30%[1-2],造成極大的資源浪費(fèi),給環(huán)境保護(hù)帶來很大的壓力.

RAP材料在一些國(guó)家已經(jīng)成為一種實(shí)用的路堤填筑材料,尤其是路堤填料相對(duì)匱乏的地區(qū),RAP材料的使用在避免回填料遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí),還可以降低建設(shè)成本.由于瀝青混合料中含有瀝青黏結(jié)劑,且瀝青對(duì)溫度變化非常敏感,有研究人員通過試驗(yàn)研究指出,瀝青混合料屬于典型的熱黏彈塑性材料,即瀝青混合料的應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系與時(shí)間、溫度存在一定的聯(lián)系.國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)用作公路路面材料的RAP材料的各種力學(xué)性能進(jìn)行了研究,取得了很多有益的成果[3-8].國(guó)內(nèi)對(duì)于瀝青混合料的研究,偏向于探索RAP再生技術(shù)以及RAP摻量對(duì)再生瀝青路用性能的影響,而針對(duì)RAP應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)特性的研究較少[8-9].

為此,筆者通過對(duì)RAP開展擊實(shí)試驗(yàn)和三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn),獲取RAP的擊實(shí)特性和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,分析圍壓和擊實(shí)溫度對(duì)RAP強(qiáng)度特性的影響.

1 試 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

采用的RAP材料取自鎮(zhèn)江市某翻修瀝青混凝土路面的面層廢棄塊料,RAP礦料表面裹有瀝青黏結(jié)劑,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.2%.RAP混合料照片如圖1所示.

圖1 RAP混合料

在控制RAP顆粒最大粒徑為13 mm的條件下,對(duì)一次破碎后的RAP混合料進(jìn)行篩分試驗(yàn),獲取其顆粒粒徑分布曲線.RAP粒徑分布曲線如圖2所示.混合料的不均勻系數(shù)為13.2,曲率系數(shù)為1.27,且細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%,根據(jù)GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》,采用的RAP材料可以類比為粗粒土中級(jí)配良好的礫類土.根據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)得RAP的比重為2.24 g·cm-3.

圖2 RAP粒徑分布曲線

三軸試驗(yàn)在TKA全自動(dòng)三軸儀上進(jìn)行,主要利用其數(shù)據(jù)采集、飽和固結(jié)、標(biāo)準(zhǔn)三軸試驗(yàn)及應(yīng)力路徑試驗(yàn)?zāi)K.三軸儀采用了獨(dú)立圍壓和反壓室,一方面可較好地控制試驗(yàn)中圍壓和反壓,另一方面能夠精確地量測(cè)固結(jié)過程中試樣體積的變化;三軸儀能很好地控制試驗(yàn)速率與試驗(yàn)終止條件.圖3為TKA全自動(dòng)三軸儀.圖4為直徑70 mm的RAP試樣.

圖3 TKA全自動(dòng)三軸儀

圖4 直徑70 mm的RAP試樣

1.2 試驗(yàn)原理及方案

依據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》,采用重型擊實(shí)儀對(duì)RAP材料進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn),以確定RAP材料的干密度與含水率的關(guān)系曲線.由于RAP混合料中含有瀝青黏結(jié)劑,易受溫度影響.為了探索溫度對(duì)RAP材料抗剪強(qiáng)度的影響及其體積變形特性,分別在RAP材料溫度為22,35和50 ℃時(shí)進(jìn)行擊實(shí)制樣,在室溫22 ℃下進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)(CD試驗(yàn)),CD試驗(yàn)有效圍壓分別設(shè)置為50,100和200 kPa.

制樣時(shí),首先將土樣加水調(diào)整為最優(yōu)含水率,分3層放入Φ70 mm×140 mm擊樣器中,以最大干密度的95%為控制指標(biāo)擊實(shí)試樣.進(jìn)行CD試驗(yàn)時(shí),首先將試樣反壓飽和,檢測(cè)孔隙水壓力系數(shù)B值,待B值達(dá)到95%時(shí),再進(jìn)行固結(jié),試樣的固結(jié)一般持續(xù)24 h;待固結(jié)完成后,保持圍壓不變,采用應(yīng)變控制方式,施加軸向應(yīng)力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)排水試驗(yàn),直至試樣剪切破壞,剪切速率為0.2 mm·min-1.

2 擊實(shí)特性

圖5為室溫22 ℃下,RAP材料干密度與含水率的關(guān)系曲線.由圖5可知:RAP的最優(yōu)含水率為5.1%,最大干密度為1.92 g·cm-3.該試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[10]中給出的不同RAP材料的最優(yōu)含水率及最大干密度范圍相符合.本研究中的RAP材料可以類比為級(jí)配良好的礫類土,最優(yōu)含水率低,具有較高的強(qiáng)度,因此可作為比較理想的路堤填料替代材料.

圖5 室溫下RAP材料的擊實(shí)曲線

3 三軸固結(jié)排水試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于擊實(shí)試驗(yàn)獲得的RAP材料材料最優(yōu)含水率和最大干密度結(jié)果,制備三軸固結(jié)排水試驗(yàn)(CD試驗(yàn))所需試樣,進(jìn)行CD試驗(yàn).試驗(yàn)中,保持試驗(yàn)的環(huán)境溫度為(22±2)℃.

3.1 圍壓和擊實(shí)溫度對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

不同擊實(shí)溫度(t=22,35,50 ℃)下RAP材料三軸試驗(yàn)偏應(yīng)力(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變(εa)的關(guān)系曲線如圖6所示.由圖6可知:應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈明顯的非線性性質(zhì),且表現(xiàn)為應(yīng)變硬化,符合鄧肯-張雙曲線模型函數(shù)的假定.CD試驗(yàn)中,隨著圍壓增加,RAP材料的偏應(yīng)力增大,應(yīng)變曲線的初始斜率越大,即初始切線彈性模量越高.這主要因?yàn)閲鷫害?從50 kPa增大到200 kPa時(shí),RAP材料顆粒間的咬合作用逐漸增強(qiáng),顆粒在宏觀上要發(fā)生位置變動(dòng)更加困難.圍壓相同條件下,隨著擊實(shí)溫度的提高,RAP材料的偏應(yīng)力明顯提高,初始切線模量高于室溫條件.

圖6 不同擊實(shí)溫度下RAP材料的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系

此外,在圍壓為50和100 kPa條件下,擊實(shí)溫度由22 ℃提高到50 ℃時(shí),RAP材料最大偏應(yīng)力可分別提高15%和12%左右;圍壓為200 kPa時(shí),擊實(shí)溫度由22 ℃提高到50 ℃時(shí),RAP材料最大偏應(yīng)力可提高4%左右.

圖7為不同擊實(shí)溫度(t=22,35,50 ℃)下RAP材料的體變(εv)與軸向應(yīng)變(εa)的關(guān)系曲線.由圖7可知:RAP材料試樣在剪切過程中的體變減小,表現(xiàn)出體縮的特性.圍壓越高,體變減少的越明顯.

圖7 不同擊實(shí)溫度下RAP材料的體變-軸向應(yīng)變關(guān)系

圖8為RAP試樣剪切前后變化情況.由圖8b可以看出試樣中部明顯凸出,且無剪切破壞面.該現(xiàn)象說明RAP與土的壓縮變形特性相似,剪應(yīng)力只引起RAP試樣中顆粒排列的相對(duì)位置的變動(dòng),減小了試樣顆粒間的孔隙,從而表現(xiàn)為體縮的特征.

圖8 RAP試樣剪切前后變化

按照SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》,確定破壞時(shí)的偏應(yīng)力(σ1-σ3)f,對(duì)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線無峰值點(diǎn)的情況,則以軸向應(yīng)變?chǔ)臿=15%對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力作為破壞點(diǎn).對(duì)于有峰值點(diǎn)的情況,取偏應(yīng)力的峰值作為破壞點(diǎn).圖9為(σ1-σ3)f與圍壓σ3關(guān)系曲線.由圖9可知:隨著圍壓σ3增大,3組不同擊實(shí)溫度下的RAP試樣的(σ1-σ3)f均呈現(xiàn)出線性增加的關(guān)系,符合摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則.

圖9 (σ1-σ3)f與σ3關(guān)系

3.2 擊實(shí)溫度對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

圖10為RAP的強(qiáng)度包線，即剪應(yīng)力τ與正應(yīng)力σ關(guān)系曲線.根據(jù)莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則,得出黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ值,從而得出擊實(shí)溫度對(duì)二者影響.

圖10 不同擊實(shí)溫度RAP材料的莫爾強(qiáng)度包線

圖11為黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ隨擊實(shí)溫度的變化關(guān)系曲線.由圖11可知:RAP的黏聚力隨擊實(shí)溫度的增加呈線性增加的趨勢(shì);內(nèi)摩擦角受擊實(shí)溫度影響較小.不同于新拌合的瀝青混凝土,高溫條件下,膠結(jié)材料瀝青的性質(zhì)向黏彈性轉(zhuǎn)變,溫度達(dá)到軟化點(diǎn)后,瀝青會(huì)由黏結(jié)材料變成軟化材料,從而失去抗剪強(qiáng)度[11].

這種現(xiàn)象主要是由于老化瀝青的存在使得RAP集料的活性降低,擊實(shí)溫度的升高反而激活了老化瀝青的黏結(jié)作用,礦料表面形成的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)膜內(nèi)的結(jié)構(gòu)瀝青增多,從而增強(qiáng)了瀝青與礦料之間的黏附性,RAP的黏聚力增大[12].但由于集料級(jí)配、礦料形狀及表面粗糙度等相同,擊實(shí)溫度的升高對(duì)RAP集料的嵌擠性無影響,因而內(nèi)摩擦角無明顯變化.

圖11 RAP黏聚力及內(nèi)摩擦角與擊實(shí)溫度的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

1) 廢舊瀝青路面塊料經(jīng)破碎后的RAP材料的粒徑分布曲線可以類比為級(jí)配良好的礫類土,可作為路堤填料替代料.

2) 在三軸固結(jié)排水試驗(yàn)中,RAP材料應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)為明顯的非線性性質(zhì),符合鄧肯-張雙曲線模型函數(shù)的假設(shè).剪切過程中,呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性，圍壓越大，抗剪強(qiáng)度越大;破壞后還存在較大的殘余強(qiáng)度,試樣無剪切破壞面.

3) 不同于新拌瀝青混凝土受溫度影響的力學(xué)特性,隨著擊實(shí)溫度的升高,RAP材料中老化瀝青黏結(jié)性增強(qiáng),使得黏聚力增大,內(nèi)摩擦角受擊實(shí)溫度的影響較小.