再生瀝青路面集料回彈模量與水分的相關(guān)性研究

楊柳

作者簡介：

楊 柳（1982—），助理工程師，研究方向：土木工程。

摘要：文章通過室內(nèi)三軸試驗對不同RAP含量和含水率的材料進(jìn)行彈性模量的測定，得到含水率對RAP基層材料彈性模量的影響，并與相同條件下的天然粗集料的相關(guān)性能進(jìn)行了對比分析。

關(guān)鍵詞：天然集料;最優(yōu)含水率;彈性模量;再生瀝青路面集料

中國分類號：U416.03A080274

0 引言

在工程實際中，路面材料的循環(huán)利用逐漸成為公路交通行業(yè)節(jié)能減排的工作重點，有利于提升公路交通的質(zhì)量和效率，減少能源浪費。目前天然集料的開挖和采集的難度越來越大，使用成本逐年提高，且大量廢棄的路面很大程度上造成能源的浪費。再生瀝青路面集料（RAP）作為一種新型的材料，逐漸被用于作為替代路面結(jié)構(gòu)的基層材料。為研究再生瀝青路面集料作為路面結(jié)構(gòu)天然集料替代品的適用性，研究人員進(jìn)行了大量的研究工作，對其性能進(jìn)行表征。

再生瀝青路面集料是一種經(jīng)過碾磨、篩分、粉碎后循環(huán)加工利用的材料，由涂有瀝青的高質(zhì)量、級配良好的集料組成。在實際工程中，老舊道路基礎(chǔ)設(shè)施往往需要修復(fù)或完全更換，這意味著RAP材料越來越容易獲取。加之現(xiàn)有的天然集料越來越難以獲取，施工成本也越來越高，再生瀝青路面集料作為路面結(jié)構(gòu)天然集料替代品具有極大的發(fā)展前景。RAP的使用節(jié)約了能源，降低了獲得優(yōu)質(zhì)天然集料所需的運輸成本，這些因素帶來了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，符合當(dāng)今建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型工程環(huán)境的要求。

RAP這種材料被廣泛用于路面結(jié)構(gòu)的瀝青混凝土層，其最常用來作為再生瀝青路面的集料和天然瀝青粘合劑的替代品。盡管目前這種材料已經(jīng)在瀝青混凝土中得到了廣泛的應(yīng)用，但一些地區(qū)的RAP庫存仍在不斷增長，因此，需要考慮開發(fā)其他用途，如應(yīng)用在顆?；鶎又小５壳癛AP材料僅由少數(shù)道路管理部門使用，其作為基層材料的可行性在力學(xué)性能方面與天然集料相比，仍存在較大的差異。

研究人員指出，RAP含量為100%的試件與密實級配天然集料試件相比，剛度、彈性模量較高，但抗剪強(qiáng)度較低，初步檢驗RAP在工程實際中的應(yīng)用效果后得出結(jié)論：RAP含量為100%的產(chǎn)品質(zhì)量不能得到保障[1]。隨著研究的深入，將天然集料與RAP混合，作為一種折衷方案，可以達(dá)到預(yù)期的力學(xué)性能和工程質(zhì)量。目前關(guān)于在路面基層中允許使用RAP的比例及其在基層中使用的適用性鮮有報道，對RAP材料的強(qiáng)度和其他力學(xué)性能的研究還不夠充分，缺乏翔實的試驗數(shù)據(jù)。其中RAP的彈性模量是一[JP]種能反映多方面性能的指標(biāo)，可以更全面地定義無粘結(jié)基層材料的結(jié)構(gòu)特性，為路面設(shè)計和分析提供依據(jù)，通過對RAP試件彈性模量的測試來表征基層材料的剛度和彈性響應(yīng)。影響RAP彈性模量的兩個因素包括應(yīng)力狀態(tài)和材料的含水率[2]，其中，含水率和彈性模量的關(guān)系是一個重要的研究領(lǐng)域，通過對兩者關(guān)系的研究能夠清楚了解材料在各種條件下的性能，并對其使用壽命有一個清楚的認(rèn)知。

文獻(xiàn)[3]關(guān)于RAP材料性能的試驗表明，當(dāng)試件的含水率為最優(yōu)含水率的65%時，試件強(qiáng)度比最優(yōu)含水率的試件強(qiáng)度更高。文獻(xiàn)[4]研究了在最優(yōu)含水率的情況下，含水率對RAP含量分別為50%和100%的材料的影響，并對高于和低于最優(yōu)含水率的試件進(jìn)行有限元模型分析，以確定含水率對RAP材料性能的影響。目前關(guān)于RAP彈性模量的大多數(shù)研究集中于含水率的測試上，然而，這可能導(dǎo)致對這種材料含水率變化相關(guān)性做出錯誤假設(shè)。因此，有必要對再生瀝青路面集料彈性模量與含水率的相關(guān)性進(jìn)行進(jìn)一步研究以得到更為準(zhǔn)確、翔實的數(shù)據(jù)。基于以上分析，本文旨在研究含水率對含RAP基材彈性模量的影響，同時還將RAP材料的性能與天然集料進(jìn)行對比分析，具體內(nèi)容如下。

1 試驗材料

1.1 材料類型

本次試驗研究采用三種試驗材料，分別為RAP材料、天然集料以及RAP和天然集料按照各自50%的比例摻和得到的混合材料。試驗中所用的RAP材料是從廢棄高速公路收集得到的，通過對材料進(jìn)行移除、篩分和打磨使之適用于試驗研究。同時，天然集料是沿著同一公路項目的新路段收集得到的級配良好的破碎骨料。

1.2 材料性能

試驗中對上述三種材料進(jìn)行篩分分析，級配曲線如圖1所示。RAP和天然集料按統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)歸類為級配良好的礫石，如表1所示。根據(jù)土壤分類體系，所有顆粒材料均被歸類為A-1-[HTSS]a類。

1.3 最優(yōu)含水率

為了確定上述材料的最優(yōu)含水率，對樣品采用《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2019）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擊實試驗。壓實模具尺寸為高度120 mm、直徑150 mm。錘子重量約4.5 kg，從高處落下，落下距離為457 mm。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將物料分5層分別壓實，每層分布56個錘頭。

同時，為確定材料的含水率和干密度之間的對應(yīng)關(guān)系，對三種材料分別在不同含水率下進(jìn)行壓實，各材料含水率與密度的關(guān)系如圖2所示。RAP材料的最優(yōu)含水率為4.1%，最大干密度為2 079 kg/m3;RAP和天然集料混合料的最優(yōu)含水率為5.9%，最大干密度為2 225 kg/m3;天然集料的最優(yōu)含水率為5.5%，最大干密度為2 245 kg/m3。由于在試驗過程中RAP材料的壓實比較困難，RAP的部分水分會保留在模具中，因此RAP材料獲得的干密度較小，為天然集料的93%。

2 研究方法

本文在研究時制備了40個不同含水率、不同材料的試樣，初步測試了材料類型及其含水率對材料彈性模量的影響。制備的RAP材料的最優(yōu)含水率分別為OMC-2%、OMC-1%、OMC、OMC+1%和OMC+2%。對于天然集料，分別在OMC-2%、OMC-1%、OMC、OMC+1%下制備。對于天然集料和RAP混合的材料，分別在OMC-2%、OMC-1%、OMC、OMC+1%下制備試件。對RAP材料與天然集料試件進(jìn)行彈性模量的比較，以確定材料在道路基層中的適用性。試件制備后立即進(jìn)行測試，以確保含水率的準(zhǔn)確性。

2.1 樣品制備

將待測材料干燥后，加入適量的水，使其含水率達(dá)到要求，并充分揉搓使水與材料充分混合。將混合好的材料放置12～14 h，使其固化。隨后用振動錘在模具中對材料進(jìn)行壓實。制備的樣品被包裹在模具的底部和頂部的多孔石板中。將每一個升降機(jī)壓實到計算高度后，用刮刀在升降機(jī)的上表面劃痕。制備的試件最終尺寸為直徑150 mm，高度300～305 mm。

2.2 試件測試

對RAP材料和天然集料制備的試件進(jìn)行磁共振測試。將制備好的試件從分模中取出，確保橡膠膜完好無損，然后放入三軸試驗機(jī)中。在測試過程中，在試件上放置兩個外部線性變量傳感器來測量軸向變形，彈性模量取兩個線性變量傳感器的平均值。

基層材料的初始加載圍壓為103.4 [HTSS]kPa，豎向應(yīng)力為103.4 [HTSS]kPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，測試周期的其余部分由15個負(fù)載序列組成。每個序列的負(fù)載是一個持續(xù)時間為0.1 s和0.9 s的負(fù)載脈沖。每個序列總共執(zhí)行100個循環(huán)，最后5個循環(huán)用于確定彈性模量。

3 測試結(jié)果及分析

含水率對彈性模量的影響如圖3～5所示，繪制三種材料的彈性模量與圍壓狀態(tài)的關(guān)系圖，以反映應(yīng)力狀態(tài)對彈性模量的影響。如下頁圖6所示是軸向應(yīng)力對圍壓的影響的關(guān)系圖。如表2所示給出了不同材料在OMC和68.9 [HTSS]kPa、137 [HTSS]kPa圍壓下的變異系數(shù)（COV），其中COV=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100。

從圖3可以看出，天然集料試件的含水率受圍壓增加的影響不大。在圖4中，RAP含量為100%的試件含水率受圍壓的影響更為明顯，不同含水率的試件隨著圍壓的增大存在明顯的差異。這表明，隨著含水率的增加，RAP含量為100%的試件趨于飽和，彈性模量受含水率的影響很大。在研究RAP集料彈性模量與含水率相關(guān)性時，RAP與天然集料混合時的試件與天然集料的試件在圍壓對彈性模量和含水率的影響方面結(jié)果類似。

圖3～5的結(jié)果表明，RAP材料的彈性模量值和RAP與天然集料混合的試件相比，混合試件在OMC時彈性模量增加的值是相同的。RAP材料在OMC-2%處的模量最大，最大圍壓為137.9 [HTSS]kPa時，彈性模量超過300 [HTSS]MPa。RAP材料的COV在圍壓增大時最低，且始終低于天然集料。圖6說明了在圍壓增加的情況下，增加的模量幾乎完全來自于施加在材料上的偏差（軸向）應(yīng)力的增加。隨著偏應(yīng)力的增加，試件的彈性模量逐漸增加，這是由于隨著偏壓力的增加，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，使得其剛度和彈性模量較大。同樣，對于相同的圍壓，彈性模量值隨偏應(yīng)力的增加而增加，這是由于材料受到較高的軸向載荷時，因受到擠壓而表現(xiàn)出整體硬化，使得軸向應(yīng)變較低。

4 結(jié)語

本文研究了含水率對含RAP基層材料彈性模量的影響，并與天然集料進(jìn)行了直接比較。試驗結(jié)果表明，與天然集料相比，純RAP材料在不同圍壓下的彈性模量值均偏高，RAP材料在OMC+2%時彈性模量值降低，表明彈性模量與含水率有一定的相關(guān)性，但這需要在未來的研究中與其他OMC+2%材料進(jìn)行比較。此外，在OMC-2%處，RAP材料的強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增加，這可能表明隨著材料受到更密集的約束，集料之間的粘聚力增加。在目前的研究中，RAP材料的模量值與在OMC及以下天然集料的彈性模量值相比基本一致甚至有所增加。再生瀝青路面集料能在一定程度上代替天然集料，具有廣闊的應(yīng)用前景，在工程實際中能夠帶來客觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。本研究對工程實際具有一定的指導(dǎo)和參考意義。

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