摻RAP 水泥穩(wěn)定碎石柔化抗裂技術研究

劉 明，李 昊

（1.青島市交通科學研究院，山東 青島 266075；2.青島市交通規(guī)劃設計院有限公司，山東 青島 266102）

引言

水泥穩(wěn)定碎石作為典型的半剛性基層材料，具有較高的強度和承載力以及較好的穩(wěn)定性，被廣泛用于高等級路面的修筑材料。但由于自身剛度較大而抗拉強度太低，使其對交通荷載特別敏感,且難以承受重載交通所產(chǎn)生的彎拉應力以及重復交通荷載作用下產(chǎn)生的彎拉疲勞應力，從而在使用過程中不可避免地發(fā)生開裂現(xiàn)象，導致瀝青路面的早期損壞。采用廢舊瀝青混合料對水泥穩(wěn)定碎石基層材料進行柔化改性，可以提高水泥穩(wěn)定碎石基層的柔韌性和抗變形能力，減緩或阻止水泥穩(wěn)定碎石基層的開裂，有效降低瀝青路面的早期損壞，改善瀝青路面的性能，延長使用壽命。

1 抗裂機理研究

1.1 彈性一骨架聯(lián)合作用機理

RAP 是一種帶有骨架的彈性介質(zhì)，能發(fā)揮彈性一骨架的聯(lián)合作用，摻入水泥穩(wěn)定碎石中可以緩沖來自各方面應力而產(chǎn)生的應變。當材料受到的應力很小時，如溫縮和干縮引起材料內(nèi)部的擠壓力，細廢舊料外層包裹的瀝青可以變形，發(fā)揮了緩沖的作用，使得材料抗溫縮和干縮開裂的能力增強。當材料受到較大力的作用時，顆粒內(nèi)部的集料能夠發(fā)揮骨架作用，抑制顆粒的較大變形，因此，使材料具有較高強度的同時，又能提高材料的抗裂性能。

1.2 致密機理

研究過程中采用掃描電子電鏡（SEM）來觀察摻細廢舊料的水泥穩(wěn)定碎石微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化。該方法是利用熱陰極電子槍發(fā)射出的電子在電場的作用下加速，經(jīng)過電磁透鏡的作用，在樣品表面聚焦成極細的電子束，再與樣品室中的樣品相互作用，激發(fā)產(chǎn)生各種物理信號，被按順序、成比例地轉(zhuǎn)換成視頻信號，經(jīng)過處理完成樣品表面特征的掃描圖像。

圖1為水泥冷再生材料中舊集料表面水化物，圖2 為水泥再生混凝土舊集料表面水泥水化物形態(tài)。舊集料表面的掃描電鏡照片顯示，大量取向排列的晶體富集于舊集料表面，這是舊集料與水泥石之間界面孔隙率大、結(jié)構(gòu)疏松且黏結(jié)力較弱的主要原因。由此可以看到新舊界面對水泥穩(wěn)定類材料的強度的影響[2]。

圖1 再生材料中舊集料表面水化物形態(tài)

圖2 再生混凝土舊集料表面水化物形態(tài)

由于水泥穩(wěn)定碎石中摻入細廢舊料后，材料變得更加密實致使水泥穩(wěn)定碎石的抗收縮能力增強的機理，稱為致密機理。從水泥穩(wěn)定碎石的干燥收縮機理可知，水泥穩(wěn)定碎石干燥收縮過程的主要原因在于材料內(nèi)部存在毛細孔隙和材料分子之間的孔隙大量存在，而通過向水泥穩(wěn)定碎石中摻入細廢舊料使得水泥穩(wěn)定碎石更加密實，材料內(nèi)部的各種孔隙都會減少，從而增強了水泥穩(wěn)定碎石的抗干縮能力。此外，水泥穩(wěn)定碎石更密實也降低了材料自身的收縮能力，增強了抗收縮性能，從而增強了水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能。

2 力學性能研究

根據(jù)配合比設計，水泥劑量選取4.0%～5.0%，RAP 摻量為0%～50%制作試件，測試無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和回彈模量。在50%摻量內(nèi)的水泥穩(wěn)定碎石強度均滿足要求，且摻RAP 水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強度隨齡期的增加而增大、隨水泥用量的增大而增加，隨RAP 摻量的增加而減少。見圖3、圖4。

圖3 7 d 無側(cè)限抗壓強度與水泥用量關系

圖4 水泥穩(wěn)定碎石抗壓強度與RAP 摻量關系

摻RAP 水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強度與抗壓強度具有很好的線性關系，劈裂強度隨水泥用量、養(yǎng)生齡期和RAP 摻量的變化規(guī)律與抗壓強度的變化規(guī)律基本一致。見圖5。

圖5 劈裂強度與抗壓強度的回歸關系

摻RAP 的水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量與抗壓強度具有很好的線性關系。摻RAP 的水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量在900 ～1 700 MPa 之間，較普通的水泥穩(wěn)定碎石小。因此，摻RAP 水泥穩(wěn)定碎石在獲得較大強度的同時，改善了剛性和脆性，提高了彈性，有利于抑制裂縫的產(chǎn)生。見圖6。

圖6 回彈模量與抗壓強度的回歸關系

3 收縮特性及抗裂性能研究

水泥用量的增加會導致水泥穩(wěn)定碎石與摻RAP水泥穩(wěn)定碎石的溫縮應變與干縮應變增加，降低水泥穩(wěn)定碎石的抗裂能力，因此，在實際工程中應盡可能降低水泥用量。齡期的增長會導致水泥穩(wěn)定碎石與摻RAP 水泥穩(wěn)定碎石的溫縮應變與干縮應變增加，而對于干縮應變影響較大的是7 d 內(nèi)，在此期間應采取措施防止水量損失過快，減少干縮裂縫的產(chǎn)生。見圖7、圖8。

圖 7 水泥用量與平均干縮系數(shù)的關系

圖8 7 d 養(yǎng)生齡期下水泥用量與平均溫縮系數(shù)的關系

采用收縮強度指數(shù)對水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能進行評價，結(jié)果表明，隨著細廢舊料摻量的增大，水泥穩(wěn)定碎石抗收縮能力增強。見圖9、圖10。

圖 9 干縮強度指數(shù)

圖 10 溫縮強度指數(shù)

4 耐久性能研究

對比28 d 養(yǎng)生齡期4%水泥用量和4.5%水泥用量在不同RAP 摻量下的沖刷結(jié)果，RAP 摻量越大，沖刷量越大，同時試件的強度對水泥穩(wěn)定碎石具有一定的影響，試件強度值越大而沖刷量越少。見表1。

表1 沖刷試驗結(jié)果

對比28 d 養(yǎng)生齡期4%水泥用量和4.5%水泥用量在不同RAP 摻量下的抗凍性能，隨RAP 摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石凍融前后的抗壓強度比率逐漸增大，質(zhì)量損失率逐漸減少，說明RAP 的摻入有利于提高水泥穩(wěn)定碎石的抗凍性能。見圖11。

圖11 RAP 摻量與抗壓強度比率和質(zhì)量損失率的關系

隨著RAP 摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命整體有下降趨勢。在基層中摻入30%RAP 后疲勞壽命僅降低了1.4%，加入50%RAP 后疲勞壽命降低了3.8%，說明RAP 的摻入并不會破壞基層的疲勞性能。見圖12。

圖12 疲勞壽命與RAP 摻量間的關系

5 結(jié)語

（1）采用掃描電子電鏡（SEM）觀察摻細廢舊料的水泥穩(wěn)定碎石微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，驗證了摻加RAP水泥穩(wěn)定碎石的彈性一骨架聯(lián)合作用機理和致密機理，說明RAP 柔化技術可以增強水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能。（2）通過對加入RAP（廢舊瀝青混合料）后水泥穩(wěn)定碎石材料的力學性能、收縮性能、耐久性等方面的研究，可以看出通過RAP 柔化后的水泥穩(wěn)定碎石可以有效減少裂縫病害的發(fā)生。（3）水泥用量的增加會導致水泥穩(wěn)定碎石與摻RAP 水泥穩(wěn)定碎石的溫縮應變與干縮應變增加，降低水泥穩(wěn)定碎石的抗裂能力。因此，在實際工程中應盡可能降低水泥用量。（4）齡期的增長會導致水泥穩(wěn)定碎石與摻RAP 水泥穩(wěn)定碎石的溫縮應變與干縮應變增加，而對于干縮應變影響較大的是7 d 內(nèi)，在此期間應采取措施防止水量損失過快，減少干縮裂縫的產(chǎn)生。