摻RAP再生水泥混凝土抗碳化性能研究

邊 偉 ，李 巖 ，賈嘉豪 ，黃 斐

（1.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032；2.山西大成高速公路有限公司，山西 忻州 034209）

0 引言

瀝青路面是我國高速公路的主要路面型式，在“以養(yǎng)護(hù)為主”時期需要及時對瀝青路面進(jìn)行預(yù)防性、經(jīng)常性和周期性養(yǎng)護(hù)。在瀝青路面養(yǎng)護(hù)過程中，必然會產(chǎn)生大量的瀝青路面銑刨料（RAP），不僅會占用大量場地，還會污染土壤和環(huán)境[1-2]。

RAP再生利用的途徑主要有現(xiàn)場冷再生、廠拌冷再生、現(xiàn)場熱再生、廠拌熱再生等[3-5]，而對于RAP堆存量較小且不適宜就地再生時，將RAP作為天然碎石的替代品用于生產(chǎn)水泥混凝土，就近用于臨建工程的硬化場地、中分帶封閉層、邊溝蓋板等附屬設(shè)施，成為實現(xiàn)RAP高效利用和緩解砂石困境的另一種有效途徑。目前，國內(nèi)外針對采用RAP配制再生水泥混凝土開展了一定的研究工作，但大多偏重于探究RAP對再生水泥混凝土力學(xué)性能的影響[6-12]，而對RAP再生水泥混凝土碳化性能、抗凍性能等耐久性能的研究鮮有報道。

鑒于此，本文擬探究RAP用于水泥混凝土的可行性，研究RAP摻量對RAP再生水泥混凝土抗壓強(qiáng)度、抗碳化性能的影響規(guī)律，從而為RAP再生水泥混凝土的科學(xué)利用提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能及化學(xué)組成如表1所示。天然粗集料采用5～20 mm的石灰石碎石，再生粗集料采用由瀝青路面銑刨料篩分得到的5～20 mm的銑刨料，粗集料主要性能如表2所示。細(xì)集料采用普通河砂，最大粒徑4.75 mm，細(xì)度模數(shù)2.97，堆積密度 1 520 kg/m3，表觀密度2 650 kg/m3。玻璃纖維采用山東浩森新材料有限公司生產(chǎn)的耐堿玻璃纖維，長度為12 mm，直徑為 12 μm，抗拉強(qiáng)度為2 000 MPa，斷裂伸長率為2.45%.減水劑采用粉末狀聚羧酸高效減水劑，減水率為26%.

表1 水泥的主要性能及化學(xué)組成

表2 粗集料的主要性能

1.2 配合比設(shè)計

為了研究RAP摻量對RAP再生水泥混凝土抗碳化性能的影響，分別設(shè)計了不同RAP摻量（20%、30%、40%、50%）的再生水泥混凝土配合比，水灰比采用0.5，耐堿玻璃纖維體積摻量為0.2%，并設(shè)置普通水泥混凝土作為對照組，具體配合比見表3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

RAP摻量對水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。從圖1可以看出，RAP20組～RAP40組再生水泥混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了37.14 MPa、36.38 MPa、32.92 MPa，均滿足C30混凝土強(qiáng)度要求；RAP50組再生水泥混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度為28.87 MPa，達(dá)到C25混凝土強(qiáng)度要求。摻入RAP再生水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于同齡期未摻RAP的普通水泥混凝土，可見摻入RAP會降低水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度，且RAP摻量越大，水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度降低越多。

圖1 RAP摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.2 碳化深度

RAP摻量對再生水泥混凝土碳化深度的影響如圖2所示?？梢钥闯?，RAP再生水泥混凝土的碳化深度隨著碳化時間的增加而增大，但碳化速率隨著碳化時間的增加而減緩。這是因為外界的CO2通過孔隙進(jìn)入RAP再生水泥混凝土內(nèi)部與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成難溶于水的CaCO3；隨著碳化時間不斷增加，碳化反應(yīng)不斷深入，生成的CaCO3將水泥混凝土內(nèi)部的一些孔隙填實，因而使得碳化的速率逐漸降低[13]。

圖2 RAP摻量對水泥混凝土碳化深度的影響

從圖2還可以看出，RAP20～RAP40組的再生水泥混凝土的碳化深度均高于普通水泥混凝土（RAP0組），可見RAP的摻入會降低水泥混凝土的抗碳化性能。隨著RAP摻量的增大，RAP再生水泥混凝土的碳化深度也隨之增大，可見其抗碳化性能隨之降低。這主要是由兩方面原因造成：a）RAP粗集料表面有一層瀝青膜，瀝青的憎水性會導(dǎo)致RAP粗集料與水泥漿體的黏結(jié)能力差，會形成薄弱的界面過渡區(qū)，CO2會通過此薄弱區(qū)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，且RAP摻量越大薄弱區(qū)界面越多，碳化越嚴(yán)重；b）在RAP粗集料中存在許多RAP集料團(tuán)，而RAP集料團(tuán)本身是由瀝青黏結(jié)小集料形成，使得其內(nèi)部存在許多細(xì)小裂縫，CO2會通過此裂隙迅速進(jìn)入混凝土內(nèi)部，且RAP摻量越大集料團(tuán)越多，碳化就越嚴(yán)重。

2.3 碳化模型

從20世紀(jì)60年代起，國內(nèi)外提出了多種混凝土碳化深度計算模型。肖建莊[14]在張譽[15]等人提出的普通混凝土碳化數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上引入廢水泥混凝土再生粗集料影響因子，并結(jié)合國內(nèi)外眾多學(xué)者的試驗數(shù)據(jù)擬合回歸得到了再生水泥混凝土的碳化數(shù)學(xué)模型，見式（1）。

式中：Xc為碳化深度，mm；gRC為廢水泥混凝土再生粗集料影響系數(shù)，摻量為0時取1，摻量為100%時取1.5，中間摻量按線性插入取值；RH為環(huán)境相對濕度，取0.7；W為單位體積混凝土的用水量，kg/m3；C為單位體積混凝土的水泥用量，kg/m3；γc為水泥品種修正系數(shù)，硅酸鹽水泥取1；γHD為水泥水化程度修正系數(shù)，28 d養(yǎng)護(hù)取0.85；n0為環(huán)境CO2體積濃度，取0.2；t為碳化時間，d。

本文采用式（1）模型計算碳化深度，并與試驗實測碳化深度進(jìn)行對比，其結(jié)果見表4所示。

表4 RAP再生水泥混凝土碳化深度測試值與計算值 mm

從表4可以看出，RAP再生水泥混凝土碳化深度的計算值均小于實測值，實測值與計算值的比值在1.00～1.14之間，部分實測值超過計算值的10%以上。上述模型是基于廢水泥混凝土類再生粗集料改進(jìn)的，而本研究采用的RAP再生粗集料與廢水泥混凝土類再生集料性能差異大，從而造成模型計算值與實測值差異大。

該項目根據(jù)碳化深度實際測試值，參考了上述模型，通過擬合回歸得到了RAP再生粗集料的影響系數(shù)gRAP，即：RAP摻量為 0時，影響系數(shù) gRAP取1；摻量為100%時影響系數(shù)gRAP取1.75，中間摻量按線性插入取值。因此，在標(biāo)準(zhǔn)碳化條件下，RAP再生水泥混凝土的碳化模型見式（2）所示。

根據(jù)式（2）重新計算RAP再生水泥混凝土碳化深度，根據(jù)實測碳化深度與碳化模型繪制RAP再生水泥混凝土碳化預(yù)估圖，如圖3所示。

圖3 RAP再生水泥混凝土碳化深度發(fā)展趨勢

從圖3可以看出采用修正的模型計算得到的碳化深度與實測碳化深度相差不大，經(jīng)計算，實測值與計算值的比值在0.95～1.05之間。根據(jù)實測碳化深度與碳化模型繪制RAP再生水泥混凝土碳化預(yù)估圖，可見改進(jìn)的碳化模型可以較好地模擬RAP再生水泥混凝土實際碳化情況，實現(xiàn)RAP再生水泥混凝土實際服役環(huán)境下碳化發(fā)展趨勢的預(yù)測。

3 結(jié)語

本文研究了RAP摻量對RAP再生水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗碳化性能的影響，得出以下結(jié)論：

a）RAP再生水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著RAP摻量的增大而降低；當(dāng)水灰比為0.5，RAP摻量不高于40%時，RAP再生水泥混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度可滿足C30混凝土強(qiáng)度要求。

b）RAP再生水泥混凝土的碳化深度隨著碳化時間的增加而增大，但碳化速率隨著碳化時間的增加而減緩。

c）RAP再生水泥混凝土的碳化深度隨著RAP摻量的增大而增大，RAP的摻入會降低水泥混凝土的抗碳化性能。