溫度對(duì)再生粗骨料和再生瀝青路面強(qiáng)度的影響探討

駱強(qiáng)

（河南省濮新高速公路建設(shè)有限公司,河南 濮陽(yáng) 457000）

隨著城市改造的擴(kuò)張，混凝土得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)的環(huán)境面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于天然骨料（NA）約占混凝土混合料質(zhì)量的75%，大量建筑垃圾的產(chǎn)生對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了有害影響。研究人員探索了用再生粗骨料，以及再生瀝青路面作為混凝土替代物。大部分研究報(bào)告表明，使用RCA和RAP有不利影響，RCA中殘留的舊砂漿會(huì)導(dǎo)致表面裂縫和更高的吸水性，以及由于混凝土之間的黏結(jié)力較弱，對(duì)混凝土力學(xué)性能造成不利影響[1～3]。為了解決這個(gè)問題，一些研究通過添加劑處理RAP和RCA，提高再生混凝土的性能。最近幾十年，許多研究者更關(guān)注在高溫下使用RCA的可能性，研究了不同溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，用RCA替代NA，替代率為30%、50%、70%和100%，結(jié)果表明：隨著溫度升高力學(xué)性能降低，且RCA替代水平影響強(qiáng)度[4～6]。以往研究中較少關(guān)注RAP和RCA對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，本文采用30%、50%、70%和100%四種替代率，且考慮了RAP的影響，在4種溫度下：20℃、200℃、400℃和500℃，通過室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試了壓縮強(qiáng)度。試驗(yàn)分為四組試樣：用100%天然粗骨料制成的NCA試樣；RAP試樣；RCA試樣；RAPRCA試樣。RAP試樣用10%、20%和30%的替代率補(bǔ)償。RCA試樣以20%、40%、60%和100%的替代率補(bǔ)償。RAP-RCA試樣由10%RAP-90%RCA，20%RAP-80%RCA和30%RAP-70%RCA構(gòu)成。

一、試驗(yàn)材料設(shè)計(jì)

（一）材料

1.水泥

采用普通硅酸鹽水泥，其密度為3.15g/cm3，化學(xué)組成測(cè)試如表1所示。

表1 水泥的化學(xué)組成

2.集料

天然集料采用石灰?guī)r碎石，篩孔尺寸在5mm～20mm之間，圖1為三種集料的篩分級(jí)配。使用的RCA是通過室內(nèi)試驗(yàn)壓碎舊混凝土試樣獲得，舊的樣品混凝土的抗壓強(qiáng)度不超過30MPa，壓碎試樣的使用年限為1年～2年?；炷帘粔核榉謨蓚€(gè)階段，第一階段是粉碎，混凝土立方體和圓柱體分成大塊，在第二階段被分解成更小的部分。隨后篩分混凝土，以獲得所需粒徑在5mm～20mm的集料。所用的RAP是從瀝青路面廢料中提取的道路重建現(xiàn)場(chǎng)的碎石，碎石被壓碎后，在5mm～20mm的篩子上篩分。從圖1可以看出，所有骨料的梯度幾乎是相似的，這將確保級(jí)配不對(duì)混凝土的力學(xué)性能造成影響。NCA、RCA和RAP根據(jù)相應(yīng)規(guī)范測(cè)試物理力學(xué)性能，如表2所示。由表2可以看出，NCA的吸水率最低，為1.48%，其次是RAP，吸水率為1.9%，吸水率最高的為RCA，預(yù)期值為7.91%，對(duì)于洛杉磯磨耗值，RCA的值最高，RAP和NCA次之。

圖1 所用集料的級(jí)配

表2 集料的物理性質(zhì)

（二）混合料設(shè)計(jì)

三種試驗(yàn)混合料的水灰比分別為0.4、0.42和0.45，混合料類型分別為100%NCA、RCA和RAP。選擇這些水灰比的原因是為了獲得可接受的抗壓強(qiáng)度和良好的工作性，配合比設(shè)計(jì)和平均混凝土圓柱體的抗壓強(qiáng)度，每個(gè)w/c的100%NCA、100%RCA和100%RAP混合料比例，如表3所示。由于再生骨料在使用前沒有清洗過。強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用水灰比0.4更優(yōu)，因此相同的配合比設(shè)計(jì)了11種混凝土拌合料看，開展由再生粗骨料和再生瀝青路面材料組成的混合料的強(qiáng)度探討，如表4所示。

表3 試驗(yàn)用混合料

表4 混合料配合比

二、試樣制備及試驗(yàn)方法

（一）試樣制備

試驗(yàn)采用圓柱形試件，試件尺寸為高200 m m，直徑100mm，所有混凝土混合料均使用機(jī)械攪拌，混凝土分兩層澆筑在圓柱體中，每輪攪拌25次。成型24小時(shí)后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)護(hù)，濕養(yǎng)護(hù)28天后，在室外溫度下加熱大約4天將樣品干燥。

（二）試樣加熱

試樣被置于4個(gè)溫度水平：20℃、200℃、400℃和500℃。溫度20℃被認(rèn)為是常溫。當(dāng)溫度達(dá)到200℃、400℃和500℃是考慮到暴露在結(jié)構(gòu)中的混凝土構(gòu)件，由于實(shí)際生產(chǎn)中不同設(shè)備產(chǎn)生的特殊熱量。所有樣品都在熔爐中加熱，溫度上升速率為5℃/min，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)回火時(shí)，溫度保持恒定3h，然后樣品在不打開爐門的情況下冷卻，直到內(nèi)部溫度達(dá)到室溫，內(nèi)部爐子的溫度以數(shù)字形式顯示在外部。

（三）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)圓柱體抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)時(shí)垂直方向?yàn)榧s束，水平方向自由，分別測(cè)試11種不同替代水平的混合料，對(duì)于每一類型混合料，求3個(gè)平行試件的平均值作為測(cè)試結(jié)果。

三、試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）RAP混合料

RAP混合料的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，在相同的溫度下，隨著RAP替代量的增加，強(qiáng)度普遍降低。主要原因是舊的瀝青層覆蓋再生集料影響了骨料和新水泥之間的黏結(jié)，導(dǎo)致界面過渡區(qū)的行為減弱，使強(qiáng)度降低，這一減量隨著RAP替換率的增加，其響應(yīng)也隨之增加。

另一方面，當(dāng)溫度從20℃升高至500℃時(shí)，相同RAP替代率混凝土的強(qiáng)度降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在400℃和500℃時(shí)，對(duì)于相同RAP置換水平混凝土強(qiáng)度的降低并不顯著；200℃時(shí)，RAP替代率對(duì)強(qiáng)度影響不顯著；對(duì)于NCA混合料，與20℃時(shí)的強(qiáng)度相比，在200℃、400℃和500℃時(shí)，其強(qiáng)度降低明顯。對(duì)于10%RAP混合料、20%RAP混合料、30%RAP混合料強(qiáng)度降低明顯。眾所周知，RAP含有舊瀝青，這種材料覆蓋在RAP中的骨料上，溫度升高導(dǎo)致黏度降低，這會(huì)影響材料的顆粒嵌擠，并降低瀝青剛度。200℃下、水蒸汽產(chǎn)生的壓力削弱了瀝青涂層的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，瀝青涂層的黏度降低，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度比20℃時(shí)大幅度降低。400℃時(shí)、大多數(shù)CH晶體分解，500℃時(shí)，幾乎所有的CH晶體和一些C-S-H凝膠都會(huì)分解，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加松散，抗壓強(qiáng)度降低[7]。

圖2 不同RAP替代率下的混合料抗壓強(qiáng)度

（二）RCA混合料

RCA混合料的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，在相同溫度下，隨著RCA替代量的增加，材料的強(qiáng)度降低。

強(qiáng)度降低的主要原因是RCA的性能、砂漿基質(zhì)和界面區(qū)[7]，基體中有許多新老砂漿界面，導(dǎo)致界面黏結(jié)力較弱，而在壓縮荷載作用下更多的缺陷影響?zhàn)そY(jié)破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。還有存在再生集料中的微裂紋導(dǎo)致裂紋尖端的應(yīng)力集中，致使裂紋擴(kuò)展，并在壓縮載荷作用下造成早期破壞。

（三）RAP-RCA混合料

RA P-RCA混合料的抗壓強(qiáng)度結(jié)果，如圖4所示。與100%RCA混合料相比，強(qiáng)度隨著RAP替代率的增加而降低，在RAP-RCA混合料中RAP對(duì)強(qiáng)度起著主導(dǎo)作用。強(qiáng)度降低的主要原因是RAP和RCA集料的性質(zhì)，砂漿基質(zhì)和界面區(qū)。RAPRCA混合料包含了舊瀝青和砂漿層覆蓋在骨料上，導(dǎo)致界面區(qū)新基質(zhì)和舊基質(zhì)之間黏結(jié)更弱。

當(dāng)溫度從20℃升高至500℃時(shí)，相同替代水平的RAP-RCA的強(qiáng)度是降低的。相同替代水平的RAP-RCA，與200℃的強(qiáng)度相比，400℃和500℃下的強(qiáng)度值相差不顯著。

在20℃，RAP-RCA膠漿處于密實(shí)狀態(tài)且完全黏結(jié)在一起，但其強(qiáng)度肯定遠(yuǎn)低于100%NCA混合料。雖然RAP和RCA存在，呈現(xiàn)一些微裂紋且舊的界面性能是良好的。

隨著溫度的升高，微結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化?；w變得更松散，界面行為也更為復(fù)雜，這會(huì)導(dǎo)致黏結(jié)力減弱，抗壓強(qiáng)度降低。在200℃、水開始蒸發(fā)，這會(huì)增加細(xì)裂紋和混合物內(nèi)部的孔隙，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)開始形成，界面區(qū)性能降低，CH晶體和C-S-H凝膠仍然完好無(wú)損。

400℃時(shí)水已完全蒸發(fā)，基體中裂縫和氣孔占主導(dǎo)地位，這使得基體更松散，大量的CH晶體開始分解而數(shù)量更少，集料與結(jié)合料之間的黏結(jié)進(jìn)一步削弱。500℃時(shí)，所有的CH晶體分解，一些C-S-H凝膠也開始分解。在基體中，體積收縮和骨料膨脹是導(dǎo)致黏結(jié)減弱和裂紋在界面區(qū)擴(kuò)展的主要原因[4]。

盡管是完全由回收的骨料制成的混合料，其強(qiáng)度降低率與RAP-RCA混合料相當(dāng)，這可被視為使用此類混合料以保護(hù)環(huán)境并在高溫下獲得可接受的強(qiáng)度降低的新的老化跡象。

圖3 不同RCA摻量下的混合料強(qiáng)度

圖4 不同RCA和RAP下的混合料強(qiáng)度

四、結(jié)語(yǔ)

在相同溫度下，隨著RAP和RCA替代水平的增加，混合料的強(qiáng)度降低；RAP和RCA的替換水平相同，溫度增加，強(qiáng)度降低。當(dāng)采用少量的RAP時(shí)，強(qiáng)度的降低更顯著，同時(shí)，大量RCA的替代水平對(duì)混合料的性能影響更顯著。相同的替代水平下，400℃和500℃下的混合料強(qiáng)度值相差不顯著。