瀝青路面銑刨料再生水泥混凝土力學(xué)性能研究

何東坡 宮笑穎 于曉坤

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

我國僅干線公路大中修工程每年就產(chǎn)生瀝青路面舊料1.6×109[1]。目前回收瀝青路面銑刨料再生利用的主要用途為再生瀝青路面及路面基層。在已有針對各種混凝土再生的研究中,為拓展RAP應(yīng)用途徑、解決RAP利用率低的問題，譚憶秋[2]提出應(yīng)用Superpave體積法設(shè)計冷再生瀝青混合料，為RAP的拓展應(yīng)用提供理論思路。

在再生水泥混凝土的研究中，為提升再生水泥混凝土強度，鄒燕、曹大富[3]采用聚乙烯醇與水玻璃以1∶1比例配制成不同濃度的強化液,探究強化改性對再生骨料吸水率和壓碎值的影響；楊利香等[4]研究了骨料級配、水灰比、砂率、設(shè)計孔隙率、膠骨比等因素對再生骨料透水混凝土透水系數(shù)、抗壓強度與彎拉強度的影響，并提出建議；郭朝強[5]通過向再生骨料混凝土砌塊中添加經(jīng)不同種類硅烷偶聯(lián)劑改性的農(nóng)作物秸稈纖維,制備改性秸稈纖維增強再生骨料砌塊強度。

在解決RAP應(yīng)用于水泥混凝土再生強度下降的問題上，呂少偉等[6]提出細集料在瀝青的包裹下與水泥砂漿的接觸面積減小，可以通過破碎增加接觸面積以提升強度；Baoshan Huang[7]提出CRAP應(yīng)用于水泥混凝土，瀝青膜的存在提升了混凝土的韌性；Christos G.Papakonstantinou[8]將RAP直接破碎篩分摻入水泥混凝土充當粗細集料的一部分時，提出質(zhì)量相等的粗細集料單獨摻入，粗集料單摻的抗壓強度要大于細集料單摻；Surender Singh[9]通過應(yīng)用破碎裝置對RAP進行破碎清洗通過增加RAP集料與水泥砂漿的接觸面積從而提升強度。

本研究嘗試將RAP粗集料摻入水泥混凝土充當骨料，考慮采用RAP材料的水泥混凝土強度低，不能滿足承重要求，嘗試應(yīng)用于路緣石、邊坡防護砌塊等非承重構(gòu)件或制品中。

2 試驗原材料

本項目依托哈同高速賓縣至方正段大修工程，再生瀝青路面銑刨料原級配為AC-16，實測油石比4.3。將改建工程中廢棄瀝青路面銑刨料破碎篩分取4.75 mm以上粒徑的粗集料備用。

試驗采用P.O42.5級硅酸鹽水泥；砂為天然砂礫，細度模數(shù)為3.0；天然粗骨料為粒徑范圍于5 mm～31.5 mm間的碎石。試驗粗骨料基本物理性能試驗結(jié)果見表1。

表1 骨料基本物理性能

3 正交試驗

為找出并調(diào)整抗壓強度關(guān)鍵影響因素，本文選取水灰比、砂率、CRAP摻入方式三項因素，建立三因素三水平正交試驗。

3.1 正交試驗設(shè)計

本試驗設(shè)計強度C30，依據(jù)JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程規(guī)定，由計算得混凝土水膠比為0.54，調(diào)整出±4%水平；砂率34%，調(diào)整出±3%水平。

為確定CRAP摻入方式對混凝土強度的影響，在集料摻入方式上，設(shè)計級配曲線滿足水泥混凝土粗集料上下級配曲線的同時，使4.75 mm～9.5 mm,9.5 mm～16 mm,16 mm～19 mm三檔集料摻加比例為1∶1∶1，各自均占粗集料的15%，其余兩檔粗集料三種摻入方式一樣均采用35%粒徑19 mm～26.5 mm碎石，采用25% 26.5 mm～31.5 mm碎石，可以明確CRAP摻入方式如表2所示，為方便表述記為110，011和101，正交試驗因素水平表如表3所示。

表3 正交試驗因素水平表

表2 CRAP摻入方式表

混凝土設(shè)計坍落度(15±5)cm，以7 d及28 d抗壓強度值為正交試驗極差分析基礎(chǔ)。由粗集料粒徑范圍5 mm～31.5 mm，抗壓強度試驗試件采用標準立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)，每組6個試件，養(yǎng)護齡期為7 d和28 d。級配曲線如圖1所示，試驗方案如表2,表4所示。

表4 正交試驗方案

3.2 正交試驗結(jié)果分析

由JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程進行抗壓強度試驗，所得結(jié)果如表3所示。依據(jù)表4計算得極差分析表見表5。

表5 抗壓強度極差分析表

Ki表示任一列上水平號為i時，所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和；ki=Ki/s，其中s為任一列上各水平出現(xiàn)的次數(shù)；R(極差)在任一列上R=max{K1,K2,K3}-min{K1,K2,K3}，或R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}。

由極差R的大小可以初步比較出關(guān)鍵影響因素的次序，利用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS進一步進行三主效應(yīng)即水膠比、砂率、集料摻入方式對7 d以及28 d立方體抗壓強度單因素影響的顯著性檢驗，檢驗結(jié)果如表6，表7所示。

表6 抗壓強度7 d的主體效應(yīng)檢驗

表7 抗壓強度28 d的主體效應(yīng)檢驗

由以上顯著性檢驗F值或顯著性數(shù)值可得出結(jié)論：在以7 d抗壓強度為唯一因變量的情況下，三因素對強度影響次序為：水膠比>砂率>集料摻入方式；在以28 d抗壓強度為唯一因變量時，影響次序為：水膠比>集料摻入方式>砂率；且無論是以7 d或28 d抗壓強度為唯一因變量，水膠比對CRAP—水泥混凝土的立方體抗壓強度的影響顯著性均遠遠大于砂率和集料摻入方式，因此當CRAP摻量不大于30%時，對強度影響關(guān)鍵因素水膠比進行調(diào)整，是可以通過調(diào)整水灰比使最終抗壓強度達到設(shè)計強度的。

應(yīng)用SPSS進行顯著性檢驗已明確關(guān)鍵因素后，利用SPSS輸出以28 d立方體抗壓強度估算值的輪廓圖，如圖2所示。

由圖2可以明確每組因素圖像最上端的線即為最佳配合比。選擇最佳水灰比為0.50；最佳砂率31%，考慮設(shè)計坍落度以及實際拌合操作的和易性，砂率選定34%，正交試驗最優(yōu)組合A1B2C1。

4 力學(xué)性能試驗結(jié)果與分析

正交試驗階段，設(shè)計強度C30的CRAP—水泥混凝土的CRAP摻入量為粗集料的30%，在確定水灰比0.5、砂率34%的基礎(chǔ)上，設(shè)計強度C30的混凝土逐漸提高CRAP的摻量到60%，進行CRAP—水泥混凝土力學(xué)性能試驗，探究CRAP摻量與混凝土各項強度的關(guān)系。

參照JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程[10]，以CRAP含量30%，40%，50%，60%為唯一變量進行立方體抗壓、抗折、劈裂抗拉強度試驗。抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗試件采用標準立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)，每組12個試件，養(yǎng)護齡期為7 d和28 d；抗折強度試驗試件采用非標準立方體試件(100 mm×100 mm×400 mm)，每組6個試件，養(yǎng)護齡期為7 d和28 d。四種摻量的混凝土強度試驗結(jié)果如圖3～圖6所示。

CRAP摻量為30%時，28 d立方體抗壓強度仍能達到設(shè)計要求；當CRAP摻量增加至60%，抗壓強度只能達到設(shè)計強度的60%即24 MPa。由28 d抗壓強度圖像的二次函數(shù)趨勢線反推出滿足設(shè)計強度30 MPa的CRAP最大摻量為14.74%。

CRAP的摻量對混凝土劈裂抗拉強度的影響呈消極趨勢，但實驗結(jié)果表明CRAP摻量增加至60%，混凝土劈裂抗拉強度可以達到設(shè)計抗壓強度的1/10～1/20之間。

受表面瀝青層的存在的影響，粗細集料嵌擠結(jié)合情況不好，試件斷面有明顯的較大氣孔結(jié)構(gòu)，如圖6所示，因此混凝土的抗折強度下降明顯，當CRAP摻量達30%時，抗折強度已經(jīng)達不到標準值4.5 MPa。

5 結(jié)論

基于含CRAP 30%的CRAP—水泥混凝土配合比正交試驗下選定最佳砂率、水灰比的基礎(chǔ)上進行含CRAP 60%的CRAP—水泥混凝土力學(xué)性能試驗的結(jié)果和研究，可以得出以下結(jié)論：

1)在眾多影響CRAP—水泥混凝土強度的因素之中，水灰比與CRAP摻量對強度影響的顯著性是大于砂率以及集料摻入方式的。從實驗數(shù)據(jù)上來看，在CRAP摻量不大于30%時，通過調(diào)整水灰比使CRAP—水泥混凝土的強度達設(shè)計強度具備可操作性。2)隨著CRAP摻量的提高，混凝土的力學(xué)性能的下降是全方位的，當CRAP摻量達到40%時，混凝土的抗壓強度與抗折強度均已達不到標準值。3)CRAP的摻入對抗折性能影響尤為明顯，當摻量達到30%，抗折強度已經(jīng)達不到4.5 MPa。4)CRAP—水泥混凝土的早期強度增長緩慢，7 d立方體抗壓強度往往達不到28 d抗壓強度75%，一般在61%～70%；當CRAP摻量增加至60%，C30混凝土的最終強度只能達到設(shè)計強度的60%即24 MPa。由28 d抗壓強度圖像的二次函數(shù)趨勢線反推出滿足設(shè)計強度30 MPa的CRAP最大摻量為14.74%。