水泥稳定RAP 材料劈裂应力－应变特性

冯德成，赵 银，陈 剑

(1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，150090 哈尔滨;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，430056 武汉)

随着再生废旧沥青路面材料(Reclaimed asphalt pavement，RAP)越来越多地利用于路面半刚性基层中，世界各国研究者对掺RAP 水泥稳定碎石材料的相关力学性能开展了研究，Huang 的研究显示，掺加RAP 能够提高水泥混凝土的韧性，但抗拉压强度均有所降低［1］.Miró 等研究发现掺RAP 对高模量沥青混合料的力学特性和开裂行为能力几乎没有影响，但随着RAP 掺量的增加，混合料的劲度模量、密度、抗水损害和抗车辙的能力等逐渐降低，动态模量逐渐增强［2］.Taha和Ashley 开展了不同水泥剂量下掺RAP 基层混合料的抗压强度特性研究.研究表明，无侧限抗压强度随着RAP 掺量的降低而增大，弹性模量随着RAP 掺量的增大而减小［3－4］.Benner 等发现随着RAP 掺量的增加，基层、底基层材料的CBR 值和抗剪强度等性能均降低，而弹性模量增加［5］.美国数个州交通管理部门均对RAP 在路面中的应用作出了要求，基层中RAP 的推荐掺量为20%，最大允许掺量为50%［6］.吴晓春研究了冷再生水泥稳定基层的路用性能，结果表明，将适宜用量的RAP 加入水稳基层中可以改善基层的抗冻性能和收缩性能［7］.李强的研究表明，在高应力水平下，再生混合料具有比水泥稳定土更高的疲劳寿命，再生混合料的疲劳阻抗随应力水平降低而减小，其疲劳寿命对应力水平的敏感性比一般水泥稳定材料小［8］.抗拉强度低是导致半刚性基层产生开裂的主要因素，而国内外对掺RAP 水泥稳定材料抗拉性能的研究较少.因此，研究RAP 对水泥稳定级配碎石材料抗拉性能的影响，对于全面认识RAP 在半刚性基层中应用的适用性具有积极意义.

掺RAP 水泥稳定碎石材料是一种黏弹塑性材料，应力－应变全曲线反映了材料在受拉劈裂过程中裂缝扩张、贯通、损伤累积、极限强度及变形性能等一系列变化过程，是研究材料本构关系和结构承载能力的重要基础［9－12］.因此，本文从材料劈裂应力－应变全曲线角度出发开展劈裂试验研究，以劈裂强度、劈裂回弹模量、峰值应变、能密度和脆性指数等为指标，分析不同的试验温度和RAP 掺量对水泥稳定材料抗拉性能的影响规律，以期为RAP 在半刚性基层中应用的适用性提供新的评价方法.

1 试验设计

1.1 原材料

RAP 为北安至黑河高速公路扩建产生的废旧料，其中，旧沥青质量分数为4.4%，针入度为2.8 mm，延度为44 cm.水泥为PC32.5 普通硅酸盐水泥，其80 μm 筛余为1.4%，密度为3.041 g/cm3，初凝时间为1.6 h，终凝时间为4.0 h.试验采用的新集料为玄武岩碎石，其技术指标见表1.

表1 试验用集料技术指标

1.2 配合比设计

根据骨架密实型水泥稳定集料级配范围［13］，设计4 种不同RAP 掺量和水泥剂量的混合料，见表2.

表2 劈裂试验混合料类别

级配设计的原则是尽量使各混合料关键筛孔通过率接近，以减小级配对试验结果的影响.试验级配曲线如图1 所示.

图1 试验所用混合料级配曲线

1.3 试验方法

劈裂应力－应变试验依据文献［14］方法进行.首先分别按照各类型混合料的最佳含水量和最大干密度静压成型，试件为直径为150 mm，高度为150 mm 的圆柱体;成型后在标准养生室养护28 d，其中温度为(20 ±2)℃，湿度≥95%.而后将试件分别置于(－15 ± 2)、(5 ± 2)、(20 ±2)℃和(35 ±2)℃的恒温恒湿箱中，养护16 h后放入MTS 中进行劈裂试验.采用位移控制模式加载，速率1.0 mm/min，并实时记录试件在劈裂过程中的竖向荷载－竖向变形曲线，采集频率为5 Hz.试验过程如图2 所示.

图2 劈裂试验

依据采集的竖向荷载和竖向变形，按式(1)～(3)换算劈裂拉伸应力和应变［15－16］.

式中:σ 为间接拉伸应力，MPa;P 为试验荷载，N;h 为试验时试件的高度，mm.

劈裂拉伸应变的计算式为

式中:εX为劈裂拉伸应变;μ 为泊松比，取0.25;lX为试件水平方向变形，mm，按下式进行计算.

式中:lY为试件竖向变形，mm.

劈裂回弹模量为

式中:Ei为劈裂回弹模量，MPa;p 为各级荷载，N;p0为初荷载，N.

2 结果与分析

2.1 对劈裂强度的影响

劈裂强度Ri与RAP 掺量和试验温度θ 的关系如图3 所示.从中可见，随着温度由－15℃升高到35℃，各类型混合料的劈裂强度均持续降低，35℃时4 种混合料劈裂强度相对－15℃时降低幅度分别为25.3%、30.0%、42.6%和35.4%，可见RAP 掺量越大，强度减小越明显.

在－15℃条件下，Ⅰ号混合料的强度最高，其他3 种分别比Ⅰ号降低了2.2%、19.7% 和3.3%，说明在负温下RAP 的掺入将会导致水泥稳定材料劈裂强度降低，降低幅度随RAP 掺量增加而增大.当温度升高时，Ⅱ号强度相比Ⅰ号有较明显提高，提高幅度约为24.5%，而Ⅲ号有所降低，35℃时降低幅度达到29.8%.说明RAP 掺量对材料劈裂强度的影响比较明显，且适量的RAP能够提高劈裂强度，而RAP 掺量过大时强度反而降低.另外Ⅳ号的强度较Ⅲ号的强度高19.5%以上，可见增大水泥剂量能够提高材料的劈裂强度.

图3 劈裂强度与RAP 掺量和试验温度的关系

2.2 对劈裂模量的影响

劈裂回弹模量E 与RAP 掺量和试验温度的关系如图4 所示.

图4 劈裂模量与RAP 掺量和试验温度的关系

由图可见，总体上混合料劈裂回弹模量随温度升高而降低.相对Ⅰ号混合料而言，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号混合料模量在不同温度下均有不同程度的降低，20℃时降低幅度分别为6.1%、12.8%和0.5%，说明RAP 能够使水泥稳定碎石材料的模量减小，且降幅随RAP 掺量增加而增大，但总体降低效果不明显.另外由于Ⅲ号模量比Ⅳ号模量略有提高，但最大不超过10.0%，也说明水泥剂量对模量影响较小.

2.3 对峰值应变的影响

将应力－应变曲线上应力峰值点(劈裂强度)对应的应变定义为峰值应变ε0.材料劈裂峰值应变ε0与RAP 掺量和试验温度的关系见图5所示.由图可见，在－15℃条件下，峰值应变随RAP 掺量增大而减小(其他3 类种混合料相对比Ⅰ号的分别减小6.9%、13.5%和5.5%).这主要与RAP 中旧沥青性质有关，在－15℃下旧沥青处于玻璃态，变形能力差，RAP 含量越大，对材料整体的影响也越大.

在正温下，随RAP 掺量增加，峰值应变先增大后减小，相对Ⅰ号峰值应变ε0，Ⅱ号提高幅度大于6.0%，Ⅲ号降低幅度甚至达到14.3%.这主要由两方面原因导致，一方面是RAP 通过影响峰值应力而导致峰值应变呈现相似的变化趋势，另一方面则是RAP 自身较强的塑性变形能力促进了混合料的变形能力，前者占主导.

图5 峰值应变与RAP 掺量和试验温度的关系

温度对峰值应变的影响较小，随温度升高，峰值应力逐渐减小，相应的峰值应变也趋于减小，与此同时旧沥青的变形能力逐渐增强，材料塑性变形增大，试验结果是两方面综合作用的表现.

2.4 对曲线能密度的影响

应力－应变全曲线所包围的面积为劈裂中材料消耗的总能密度U，曲线上升段即应变由0 增加到峰值应变ε0，σ－ε 曲线所包围的面积为材料在劈裂试验加载段吸收的能密度U1(临界能密度).U 表征了材料从加载至完全丧失承载力全过程中所消耗的能量，U1是从零应力状态达到极限强度的过程中材料所需要能量的表征.图6、7 分别为材料U 和U1与RAP 掺量和试验温度的关系.

图6 全曲线能密度与RAP 掺量和试验温度的关系

图7 临界能密度与RAP 掺量和试验温度的关系

由图可见，RAP 掺量和试验温度对曲线能密度的影响规律亦与劈裂强度相似.20℃时Ⅱ号的曲线能密度U 和U1相对基准配合比Ⅰ号增幅分别达到了13.0%、10.3%，Ⅳ号的曲线能密度U和U1相对基准配合比Ⅰ号增幅分别达到了23.9%、11.2%，而Ⅲ号的降幅分别为11.1%和17.5%.可见适宜的RAP 掺量能够使曲线应变能密度有所提高，掺RAP 水泥稳定材料在荷载作用下，从损伤的产生、发展直至破坏失去承载力的过程中需要耗散更多的能量.

2.5 对脆性指数的影响

将应力－应变曲线上升段面积与下降段面积的比值定义为材料脆性指数Bc，即

Bc越大，则材料韧性更小，在破坏后释放能量越剧烈，越趋于脆性破坏.材料脆性指数与RAP 掺量和试验温度的关系见图8 所示.

图8 脆性指数与RAP 掺量和试验温度的关系

由图可见，在－15℃，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ号配合比的脆性指数比Ⅰ号基准配合比的分别提高了4.2%、13.1%和9.1%，RAP 的掺入会导致材料的脆性指数增大，这是由于在－15℃环境下，RAP 中的沥青已处于玻璃态，表现出明显的脆性性质，RAP 掺量越大，脆性性质越明显.

在正温条件下，RAP 的掺入能够在一定程度上降低水泥稳定碎石材料的脆性指数.20℃时，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ号配合比的脆性指数比Ⅰ号基准配合比的分别降低了3.9%、11.1% 和15.5%，35℃时，降低的幅度分别达到了24.6%、33.6% 和19.8%.说明RAP 掺量越大、温度越高，脆性指数降低的幅度越大，材料的脆性减弱，韧性增加.这与材料的损伤发展有关，当荷载引起的应力达到材料的极限强度后，试件内部出现可见裂纹，并不断贯穿形成主要贯通裂缝，导致承载力衰减丧失.材料模量越大，裂缝发展过程中越容易产生应力集中现象，使得试件破坏速度加快.当掺入回弹模量较低的RAP 后，在一定程度上消除了应力集中，从而延缓了材料裂缝的扩展和贯通.

2.6 各评价指标间的关系

以上分析可见，掺RAP 水泥稳定碎石材料的劈裂强度Ri与其他劈裂行为评价指标有一定的关系.对各项指标与劈裂强度间的关系进行回归分析，如图9 所示.可见，劈裂强度与其他指标呈现简单的线性正相关关系.由于劈裂强度随RAP掺量增加先增大后减小，为使材料的劈裂行为趋于改善，推荐RAP 适宜掺量(质量分数)为15%～20%.

图9 指标间的相关关系

3 结论

1)通过不同的RAP 掺量和水泥剂量，设计了4 种水泥稳定碎石混合料，采用劈裂试验研究RAP 掺量和试验温度对材料劈裂强度、劈裂回弹模量、峰值应变、能密度和脆性指数等指标的影响，发现各类材料的劈裂强度、劈裂回弹模量和脆性指数均随温度升高而趋于降低，降低幅度随RAP 掺量增加而增大.

2)在－15℃，随RAP 掺量的增加，劈裂强度和峰值应变持续减小，脆性指数增大.正温条件下随RAP 掺量增加，劈裂强度、峰值应变和能密度先增大后减小，劈裂模量和脆性指数趋于降低.

3)回归分析表明，劈裂模量、峰值应变、能密度和脆性指数与材料劈裂强度之间均呈现简单的线性正相关，使各评价指标趋于改善的RAP 推荐掺量(质量分数)为15%～20%.

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