再生瀝青路面集料透水混凝土力學性能及滲水性能研究

梁 照

(廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

再生瀝青路面集料(RAP)是一種固體惰性瀝青廢料，其組成取決于路面修復(fù)過程。其可能是覆蓋著老化瀝青的舊集料的組合，或包含部分來自舊路面基層的顆粒材料，組成成分多樣化。

近年來，RAP集料得到了大量研究，其主要應(yīng)用于熱拌瀝青混合料[1]、路面基層或次基層[2]和不同類型的水泥基混凝土[3]。透水混凝土是一種環(huán)?；炷?，其孔隙體積在15%～35%，空氣和水可以很容易地從表面通過相互連通的孔洞結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進入底層[4]。在原材料方面，透水混凝土與傳統(tǒng)混凝土相似，但很少使用細砂，也沒有較高的抗壓強度，基本上在2.8～28 MPa，主要應(yīng)用于城市防洪、降溫、防滑等路面。

與以往的研究相比，本文研究的目的是在透水混凝土生產(chǎn)中用RAP代替天然骨料(10%～100%)，并探究其對RAP透水混凝土空隙率、密度及抗彎強度的影響，然后與僅使用天然骨料的透水混凝土進行了對比。此外，還對RAP透水混凝土的滲透率和孔隙堵塞情況進行了研究。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

該混合物由硅酸鹽水泥、天然花崗巖和/或RAP集料、水制成。硅酸鹽水泥的化合物組成如表1所示。RAP廢料是一種從瀝青路面拆除中得到的異質(zhì)材料，而RAP集料是由RAP廢料機械破碎后篩分得到的。為了生產(chǎn)透水性能良好的透水混凝土，在混合料中不使用細骨料，僅使用2.36～19 mm的RAP骨料。兩種骨料的粒徑分布如圖1所示，骨料的最大直徑和細度模量值如表2所示。

圖1 天然集料和RAP集料的粒徑分布曲線圖

表1 硅酸鹽水泥中的主要化合物成分表

天然集料與RAP集料粒徑分布相似，最大粒徑均為19 mm。集料細度模數(shù)分別為6.05(天然)和6.23(RAP)。在這種情況下，RAP細度模數(shù)與天然骨料有相同的數(shù)量級。天然集料和RAP集料的密度和吸水率由巴西技術(shù)標準協(xié)會(ABNT)標準得到，如表2所示。

表2 骨料物理性質(zhì)一覽表

為研究低摻量和高摻量RAP骨料的效果，分別以10%、20%、50%、100%RAP骨料替代天然骨料配制4種混合料，并以天然骨料配制1種混合料作為對照。替代率用重量百分比表示。本試驗使用的水泥與總集料的比例為1∶4(按質(zhì)量計算)，并且在所有混合物中保持不變?？偧狭慷x為所有集料(自然集料和RAP集料)的總和。所有混凝土混合物的游離水/水泥率為0.37?；旌衔镏兴褂玫牟牧系谋壤蛿?shù)量如表3所示。表3中的配料量(kg/m3的混凝土)采用每種材料的密度(SSD)計算，不考慮空隙率。

表3 混合比例表

混合物的制備是在一個400 L的機械攪拌機中進行的。將集料與水總量的一半混合2 min，隨后加入水泥，繼續(xù)攪拌，直到剩余的水加入并吸收。將混合物分三層放入鋼模具中，然后用鋼輥手工加固。物理和力學試驗中使用的樣品相對濕度為100%、溫度為21±1 ℃；滲透樣品相對濕度為100%、溫度為22±2 ℃。

1.2 實驗方法

使用三個尺寸為100 mm×200 mm(直徑×高度)的圓柱形樣品進行3 d、7 d、14 d、28 d的壓縮試驗和28 d的彈性模量試驗。此外，在28 d內(nèi)對三個尺寸為150 mm×150 mm×500 mm的樣品進行了彎曲試驗。

在第28 d，測試了混凝土的空隙率和干容重。每個試驗和混合物使用三個100 mm×200 mm(直徑×高度)的圓柱形樣品。在這個實驗中，測量了樣品的尺寸以確定其體積，隨后，將樣品放置在38±3 ℃的環(huán)境下干燥，直到重量不變，最后將其浸入水中，以確定樣品中固體的體積。根據(jù)式(1)和式(2)計算試樣的密度和空隙率。

(1)

式中：A——干質(zhì)量(g)；

D、L——試樣直徑和長度(mm)；

K——一個常數(shù)，取值1 273 240。

(2)

式中：B——試件的浸水質(zhì)量(g)；

ρw——水浴溫度下的水密度(kg/m3)。

養(yǎng)護28 d后進行混凝土滲透性試驗。在本研究中，采用三個600 mm×600 mm×100 mm的混凝土板試樣模擬路面。試驗在樣品表面的中心區(qū)域進行，并在正面向上和反面向上兩個方向，對每個表面進行兩次滲透測量[5]。

在測試之前，樣品墻被密封，以防止側(cè)向泄漏。入滲試驗是在平板表面臨時密封一個直徑為300 mm的密封圈，平板表面預(yù)潤濕，然后向平板表面澆入3.6 L的水，測量游離水分散的時間。如果3.6 L的水分散時間<30 s，則測試需要18 L的水。在本研究中，水在所有樣品中分散時間<30 s，因此使用18 L的水進行測試。

該方法也用于進行堵塞試驗。在堵塞試驗中，每種混合物使用一個混凝土板樣本。本研究中使用的堵塞材料是一種中質(zhì)砂，砂級配連續(xù)，粒度為0.075～2.36 mm，細度模數(shù)為2.56。其粒度分布具有以下特點：d10近似等于0.15 mm；中位粒徑d50為0.6 mm，d90為1.18 mm。選擇這種類型的沉積物是為了在施工過程中作為一種典型的鋪在路面上的材料，同時也因為其有可能堵塞透水混凝土孔隙。本試驗使用了500 g沙子(約1.8 kg/m2)。將砂土均勻地鋪于板坯表面，在15 d內(nèi)每天測量兩次滲透率，模擬干濕效果。所有測試樣品中使用的材料數(shù)量保持不變。在測量滲透之前，沒有對樣品表面進行任何清洗。

2 結(jié)果與討論

2.1 空隙含量和密度

由下頁圖2(a)可知，空隙率從21.8%到25.3%的硬化混凝土適合于提高滲透性。無RAP集料(對照組)和10%和20%再生骨料(10%RAP和20%RAP樣品)的空隙含量相近，約為22%，而50%RAP和100%RAP樣品的空隙含量比對照樣品更高(可達+13.4%)。文獻[6]指出，摻有50%和100%RAP的普通混凝土的空隙率比不摻RAP的混凝土增加了20%。此外，天然集料和25%RAP的混合料具有可比性，但在50%和100%替代水平下，空隙率分別增加了71.5%和89.8%。

如下頁圖2(b)所示，RAP混凝土的密度值介于1.6～1.93 g/cm3。10%RAP和20%RAP的密度變化不顯著，但隨著RAP集料的增加(50%RAP和100%RAP)，其密度下降最多可達13%。這種減少可以解釋為其有更多孔隙結(jié)構(gòu)，但較低的RAP密度(2.27 g/cm3)相比天然集料密度(2.64 g/cm3)也有影響。

2.2 力學特性變化

RAP混凝土第3 d、7 d、14 d抗壓強度分別為28 d強度的60%～71%(3 d)、71%～92%(7 d)、86%～97%(28 d)，如圖3(a)所示。在大多數(shù)情況下，早期強度增益略高于對照混凝土(3 d 65%，7 d 85%)。

(a)平均空隙率

28 d時，本研究生產(chǎn)的混凝土抗壓強度均在3.7～12.8 MPa之間，與其他透水混凝土的抗壓強度值相似。而RAP混凝土的抗壓強度低于天然骨料混凝土。隨著RAP添加量的增加，其28 d抗壓強度降低，即10%RAP、20%RAP、50%RAP、100%RAP試樣的28 d抗壓強度分別降低18%、14%、49%、71%。

通過分析彈性模量結(jié)果可以得到類似的抗壓強度結(jié)果，如圖3(b)所示。在這種情況下，在RAP混凝土中觀察到較低的模量。然而，使用RAP對混凝土模量的負面影響比抗壓強度更明顯，主要是RAP水平較高時。例如，與對照混合料相比，RAP混凝土的彈性模量減少21%(10%RAP)，抗壓強度降低分別為18%(10%)、14%(20%)、49%(50%)、71%(100%)。

抗彎強度試驗數(shù)據(jù)如圖4所示。隨著混合料中RAP骨料的增加，RAP混凝土的抗彎強度降低。10%RAP、20%RAP、50%RAP、100%RAP試件的抗彎強度分別比對照混凝土降低14.2%、7.1%、16.9%、46.4%。

圖4 對照組混凝土和RAP混凝土的平均抗彎強度對比柱狀圖

2.3 滲水試驗和堵塞試驗

透水混凝土的滲透率必須至少為1×10-3m/s。如圖5所示的平均值表明，所有混合物的水分滲透率都有所提高(高1×10-3m/s)。標準差值用圖形中的誤差條表示，表示結(jié)果的離散程度。

(a)抗壓強度

圖5 試樣的滲透率與兩種不同方向的關(guān)系柱狀圖

滲透試驗在兩個方向進行：正面朝上(自上而下的方向)和反面朝上(自下而上的方向)，此方法有助于更好地了解結(jié)果。對比分析如圖5所示，由于上表面封閉的孔隙比下表面更多，所有樣品在倒置表面(自下而上方向)測得的滲透率均高于放置位置(自上而下方向)測得的滲透率。圖5的結(jié)果還表明，10%RAP(+39.5%)和20%RAP(+44.4%)試樣的滲透率方向性變化率更高，可能是由于這些試樣中一些封閉的孔隙或孔隙彎曲導(dǎo)致流道中斷。

從圖5可以看出，50%RAP和100%RAP的滲透率隨著空隙體積的增大而增大，而10%RAP和20%RAP試樣的滲透率減小，盡管孔隙體積與對照試樣相似。結(jié)果表明，RAP樣品的上表面比下表面的減少更明顯。以10%RAP和20%RAP為例，在頂部表面測得的滲透率分別比對照樣品降低了44%和59%，在底部表面測得的滲透率分別比對照樣品降低了13%和30%。在本研究中，孔隙含量與入滲的相關(guān)性如圖6所示，底部表面的孔隙含量與入滲的相關(guān)性(R2∶0.91)優(yōu)于頂部表面的孔隙含量與入滲的相關(guān)性(R2∶0.76)。

圖6 滲透率與孔隙含量的關(guān)系擬合示意圖

圖7顯示了堵塞試驗中滲透率的變化情況?？v軸是滲透率，橫軸是入滲試驗的進行情況。循環(huán)0為在無阻塞試樣上進行的滲透試驗。在第1個循環(huán)時，只在平板表面撒一次堵塞材料，每個循環(huán)測兩次滲透率。循環(huán)2～4為不添加堵塞材料的滲透試驗。在滲透試驗前，樣品表面沒有進行清潔或維護。圖中各曲線有相似的發(fā)展趨勢。在第一個循環(huán)中，砂土鋪到樣品表面后，滲透率顯著降低，表明孔隙初始堵塞；在此之后，滲透速率變化較小，直到循環(huán)4。

圖7 堵塞試驗期間滲透率的變化曲線圖

如圖8所示為各試樣的滲透能力與各自初始滲透值(未堵塞試樣)比較的變化情況。經(jīng)過四個循環(huán)的試驗，對照組和RAP樣品的初始滲透能力損失高達86%，表明這些樣品被功能性堵塞。然而，即使在物理堵塞后，50%RAP和100%RAP樣品的滲透率均等于或優(yōu)于透水混凝土所需的最低滲透率(1×10-3m/s)。

圖8 循環(huán)次數(shù)和損失百分比的關(guān)系柱狀圖

當使用10%RAP和20%RAP時，滲透能力損失更高，但這是在沒有對樣品表面進行清潔和維護的情況下得到的結(jié)果。在這種情況下，這些混合物表現(xiàn)出的滲透能力和力學性能與人行道和輕型交通路面的設(shè)計兼容。然而，必須進行額外的測試才能有效地利用這類廢料。對于50%RAP和100%RAP試樣，其滲透性能(包括堵塞特性)較好，但力學性能(抗壓、抗彎強度和彈性模量)較差。通過處理改善RAP集料特性，可以改善其整體力學性能。

3 結(jié)語

關(guān)于RAP骨料含量對混合料性能的影響，可以得出以下結(jié)論：

(1)RAP混凝土的空隙率與天然骨料透水混凝土的空隙率相當或更高。

(2)RAP透水混凝土密度(1.68～1.90 g/cm3)低于對照混凝土密度。

(3)在所有分析內(nèi)容中，RAP骨料對混凝土的力學性能均有負面影響。

(4)雖然力學性能有所降低，但RAP透水混凝土的抗彎強度在所有分析內(nèi)容中都是可以接受的，適用于人行道和自然路徑的透水路面設(shè)計。

(5)50%RAP和100%RAP集料混凝土的滲水效果較好。然而，這些混凝土在所有齡期的抗壓強度最低。