溫度對RAP填料壓縮及滲透特性的影響

朱德勝，劉凱旋，殷 杰，張靜玉，湯 勇

(1. 揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127； 2. 江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3. 浙江江南工程管理股份有限公司，浙江 杭州 310007)

截至2020年末，我國高速公路的總里程高達15萬km，其中瀝青路面占比約為90%[1].據(jù)統(tǒng)計，我國每年產生的廢舊瀝青路面材料約為2.2億t[2]，而回收利用率不足40%.每年大量的廢舊瀝青路面材料被當作建筑垃圾填埋處理，不僅會占用大量的土地資源，還會造成環(huán)境污染.在我國工程實踐中，主要通過將廢舊瀝青路面進行加熱、翻挖、回收、破碎和篩分等工藝，獲得再生瀝青路面(recycled asphalt pavement，RAP)材料，再與新的瀝青混合料攪拌后應用于瀝青路面面層施工.因此，RAP材料的利用面相對較窄.為了提高其利用率，歐美國家基于RAP材料良好的級配特性，將其替代傳統(tǒng)的砂石填料，用于填筑路基[3-5].應當指出，由于RAP材料中含有瀝青成分，使其具有溫度敏感性和黏滯性，需要考慮溫度變化對其工程力學特性的影響.國內外已有學者開展了相關的研究工作，主要集中在溫度對RAP材料強度特性[6-7]和蠕變特性[8-10]的影響.周愛兆等[7]開展了不同擊實溫度下，RAP試樣的三軸固結排水剪切試驗，表明擊實溫度越高，其固結排水抗剪強度越大.殷杰等[10]開展了不同擊實溫度下，RAP試樣的直剪蠕變試驗，表明擊實溫度越高，蠕變破壞時間越長，臨界剪應力比越大.需要指出的是，除了強度及蠕變特性，壓縮性和滲透性也是填料的重要特性，因此開展相關特性的研究顯得非常重要，而目前考慮溫度對RAP材料壓縮特性和滲透特性的研究報道較少.

為了進一步分析溫度變化對RAP材料壓縮特性及滲透特性的影響，筆者擬開展一系列不同溫度工況下RAP材料的壓縮試驗和常水頭滲透試驗，獲得不同溫度條件下其壓縮曲線、壓縮模量和滲透系數(shù)，進一步分析影響規(guī)律和作用機理，以期為實際工程提供指導.

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗材料取自鎮(zhèn)江市某翻修的瀝青公路路面.將該廢舊瀝青路面材料通過破碎、篩分，得到試驗用RAP材料.依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》對RAP材料開展了壓縮試驗和常水頭滲透試驗.采用比重瓶法測得其相對密度為2.24.通過篩分試驗，獲得RAP顆粒級配曲線如圖1所示.由圖1可以得到曲線曲率系數(shù)Cc=1.27，不均勻系數(shù)Cu=13.2.

圖1 RAP顆粒級配曲線

通過開展擊實試驗，得到RAP顆粒干密度與含水率關系曲線，如圖2所示.由圖2可知，最大干密度為1.92 g·cm-3，對應的最優(yōu)含水率為5.1%.

圖2 RAP顆粒干密度與含水率關系曲線

1.2 試驗方案

RAP材料因含有瀝青成分使其具有溫度敏感性.為探究不同季節(jié)溫度下地表土體溫度變化對RAP壓縮特性和滲透特性的影響，筆者選取具有代表性試驗溫度(t=5、22、35 ℃)，進行壓縮試驗和常水頭滲透試驗,其中擊實度為0.98、0.95、0.90和0.85.

根據(jù)擊實試驗獲得最優(yōu)含水率，制備不同擊實度下的擊實RAP試樣.按照GB/T 50123—2019規(guī)定，施加不同的擊實能，獲得4種工況(擊實度分別為0.98、0.95、0.90和0.85)下的擊實樣.再按照該標準，以4種工況下的RAP試樣為研究對象，開展一維壓縮試驗和常水頭滲透試驗.試驗中通過控制水溫來控制試驗溫度.

2 試驗結果分析

2.1 RAP材料壓縮試驗

2.1.1孔隙比的變化

圖3為不同試驗溫度t下，對應4種擊實度λ的RAP試樣壓縮曲線，其中孔隙比是根據(jù)RAP試樣初始含水率和密度計算而得到.由圖3可知：任何試驗溫度時，無論在何種擊實度下，孔隙比都會隨著壓應力增加而逐漸減??；當試驗溫度一定時，擊實度低的壓縮曲線均位于擊實度高的上方，因為擊實度越高，其孔隙比越小，RAP顆粒之間密實度更高；隨著壓應力增加，壓縮曲線變得更為平坦.

圖4為在4種擊實度下，對應不同試驗溫度的RAP試樣壓縮曲線.由圖4可知：試驗溫度對其壓縮特性有明顯的影響；試驗溫度高的壓縮曲線位于試驗溫度低的下方.一方面，當擊實度一定時，在相同加載壓應力下，試驗溫度越高，RAP試樣的孔隙比越小.

圖3 4種擊實度下RAP試樣壓縮曲線

圖4 不同試驗溫度下RAP試樣壓縮曲線

圖4a中，當壓應力為200 kPa時，在試驗溫度t=5、22、35 ℃時，RAP試樣對應的孔隙比分別為0.356、0.316、0.289，相比于壓應力為100 kPa時，RAP試樣的孔隙比分別減小0.017、0.019、0.034，在t=35 ℃時減小最多.其他擊實度下，也具有類似的試驗結果.主要原因是RAP材料中含有瀝青，該材料具有溫度敏感性，隨著溫度的升高，瀝青逐漸軟化，壓縮性升高，所以在相同壓應力作用下，孔隙比減小越多.另一方面，不同擊實度對其壓縮曲線也有一定的影響.由圖4可知：擊實度低的RAP試樣壓縮曲線受溫度影響高于擊實度高的試樣.這是由于在高擊實度(λ=0.98)時，RAP填料能夠得到較高的密實度，RAP材料顆粒間咬合更加密實，發(fā)生相對搓動更加困難，隨著壓應力增加，各個溫度下孔隙比變化趨勢相同，且孔隙比受溫度影響不大.

2.1.2壓縮模量的變化

圖5為在試驗溫度分別為5、22和35 ℃的條件下，再生瀝青路面材料試樣壓縮模量隨壓應力變化的曲線.

圖5 不同試驗溫度下RAP試樣壓縮模量曲線

由圖5可知：壓縮模量隨壓應力的增加而逐漸增大.一方面，當擊實度λ一定時，在相同壓應力下，試驗溫度越高，壓縮模量越小.主要原因是廢舊瀝青路面材料中含有瀝青質材料，具有溫度敏感性，隨著溫度升高，其延度和針入度變大，瀝青變軟，在壓應力作用下，易被壓縮.另一方面，在高擊實度(λ=0.98)時，當壓應力由50 kPa增加至200 kPa時，不同溫度下的壓縮模量曲線之間距離越來越小，壓縮模量趨于一致.主要原因是在高擊實度下，RAP材料的孔隙比小，顆粒間咬合更加緊密，隨著壓應力增加，RAP材料的壓縮性較小，所以在不同溫度下壓縮模量曲線變化規(guī)律相同.

2.2 RAP滲透性試驗

圖6為通過滲透試驗獲得的RAP試樣滲透系數(shù)隨試驗溫度變化的曲線.

圖6 滲透系數(shù)隨試驗溫度變化的曲線

由圖6可知：滲透系數(shù)隨溫度增加而逐漸增大，說明試驗溫度對滲透系數(shù)影響比較明顯.例如，在λ=0.85，t=5、22、35 ℃時，RAP材料滲透系數(shù)分別為2.3×10-2、2.8×10-2、3.3×10-2cm·s-1，溫度從5 ℃升高至35 ℃，滲透系數(shù)增大了1.0×10-2cm·s-1.主要原因是動力黏滯度越大，孔隙水流速越小，而動力黏滯度隨著溫度升高而減小，所以隨著溫度增加，滲透系數(shù)增大.同時，在相同溫度下，擊實度越高，滲透系數(shù)越小，主要原因是擊實度越高，孔隙比越小，滲透系數(shù)就越小.

工程中,常見填料種類及滲透系數(shù)經(jīng)驗值變化范圍如下：礫石為6.1×10-2～1.8×10-1cm·s-1，細砂為1.2×10-3～6.0×10-3cm·s-1，粉質黏土為1.2×10-6～6.0×10-5cm·s-1.RAP試樣在λ=0.98時，其滲透系數(shù)范圍為1.2×10-2～2.2×10-2cm·s-1，可見此時RAP材料的滲透系數(shù)在礫石填料滲透系數(shù)范圍內，因此其滲透性類比于礫石填料.根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》對路基填料滲透性的要求，RAP滲透系數(shù)接近級配良好的礫石，滲透系數(shù)較粉土、砂與黏土的混合物大，滲透性好，排水性能好，可以降低路基中水的滯留，減少出現(xiàn)路基病害的風險.而且高溫天氣下，滲透系數(shù)更大.因此，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和規(guī)范要求，鑒于RAP良好的滲透性，可以將其作為較好的路基填料.

3 結 論

1) 在相同擊實度下，試驗溫度高的RAP試樣壓縮曲線位于溫度低的下方，表明RAP壓縮性提高，試樣在較高溫度下更易于被壓實.相同試驗溫度下，RAP試樣在高擊實度下的壓縮性變化較小.

2) 在相同擊實度下，RAP試樣的壓縮模量隨溫度的增加逐漸減小，其壓縮性逐漸升高；相同試驗溫度，壓應力由50 kPa增加至200 kPa時，RAP試樣在高擊實度下壓縮模量變化規(guī)律相同.在實際工程中，通過提高溫度可以減小RAP壓縮模量，提高其壓縮性.

3) RAP試樣的滲透系數(shù)隨試驗溫度的升高而逐漸增大，其滲透性可類比于礫石填料.實際工程中，溫度的升高有利于增加RAP的滲透性.