水泥处治再生沥青路面集料的回弹模量响应

苑显鹏，李江珑

(1.湖南省怀芷高速公路建设开发有限公司，湖南 怀化 418000；2.北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191)

0 引 言

截止2018年12月，我国公路总里程达到477万km，高速公路总里程突破14万km。国内沥青路面设计寿命一般为15年，从已投入运营的沥青路面使用状况来看，不少沥青路面未达到使用年限，一些甚至通车不到1～2年就已经出现了较严重的功能衰减和结构损坏。越来越多的公路己进入大、中修阶段，更多的沥青路面等待着改造升级或新建。为了减少自然资源的浪费，将回收的沥青路面材料进行再生利用，重新铺筑应用到沥青道路的面层或基层中。但是目前，再生沥青集料产品的变异性和强度、刚度特性不足往往限制了其在路面基层中的应用。

我国自20世纪90年代道路发展至今，许多通车使用的各级道路均己进入大修或中修时限，大量旧路面材料被废弃，不但造成了资源的巨大浪费，还带来了环境的污染。如果这些建筑材料能够被再生利用，将会带来可观的经济效益和环境效益。美国联邦公路局的调查统计资料表明，采用沥青路面再生利用技术可节约材料费近50%，路面工程造价则降低大约25%。当大多数再生沥青路面材料在基层应用中用作替代品天然集料的时，通常材料的刚度性能不能满足要求。为了确保再生沥青路面(RAP)材料在基层应用中可以大量地使用，通过往其掺入一定剂量的水泥，从而增强低质量再生沥青路面材料的强度和刚度特性。

Janoo(1994)通过使用再生沥青混凝土作为基础材料展开一系列研究，并最终在89号州际公路康科德附近铺筑了不同RAP材料的试验路段。在试验段进行了落锤式弯沉仪(FWD)等试验，并用弯沉仪反算了层模量。在Taha等人(2002)对不同水泥用量的RAP/原始集料混合物进行了试验研究，通过开展了击实和无侧限抗压强度试验，揭示了RAP材料弹性模量与无侧限抗压强度之间的相关性，并从无侧限抗压强度确定了模量值，但是其弹性模量研究并未在重复荷载三轴试验环境中进行。

因此，本研究为了更好地评估水泥添加剂的再生沥青路面材料，使其能够广泛应用于各种路面。本文通过开展三种不同水泥剂量(0%、2%和4%)下RAP的弹性模量特性，通常使用2%～4%的水泥用量进行基层处理，较高的水泥处理会导致基层在高温下易开裂，Hoyos等人研究了6%的水泥处理集料，在养护过程中，由于较高的水泥剂量使得基层材料具有较高的刚度特性，且易造成试件失水收缩开裂。为了更好模拟RAP材料在实际路面的受力状态，对其施加不同围压和偏应力水平，以揭示再生RAP材料弹性模量响应的变化规律。

1 RAP材料试验研究

合理的材料组成能够保证路面基层混合料具有足够的强度、刚度、稳定性、耐久性以及良好的抗疲劳性能，是再生沥青路面设计的重要环节。本研究中使用的RAP骨料是一种粘结基层和底基层的材料，通过将破碎的再生建筑和拆除的水泥板混合至满足规定的级配要求，然后将这些RAP集料与一定剂量的水泥在最佳含水量和最大干密度下进行压实成型。

1.1 水泥

试验采用兴安海螺P·C42.5级水泥，对其进行细度检测、凝结时间测试、安定性检测以及抗折强度试验，得到其各项技术性质如表1所示。

表1 42.5R普通硅酸盐水泥技术指标

1.2 级配曲线

为了确保RAP混合料应满足各级道路的技术要求，对回收的路面材料重复进行筛分试验，试验结果如图1粒度分布曲线。对RAP基层材料进行了击实试验(JTG E40 2007)，确定了最佳含水率和最大干密度关系。RAP材料水泥掺入量与最佳含水量与最大干密度的关系曲线如图2所示。击实设备参数为：击锤质量4.5 kg、落差高度为0.45 cm，试样分三层压实，每层27次，试样直径为100 mm，高度为120 mm。

图1 RAP材料的粒度分布曲线

图2显示了0%、2%和4%水泥处治后，RAP基层材料的压实干密度和含水率关系。根据击实试验结果，后续试验都以最佳含水率和最大干密度条件下成型试件。从击实试验结果可以看出，水泥处治后并未使得集料压实干密度和含水率发生明显变化。

2 RAP材料动三轴回弹模量试验研究

回弹模量是表征RAP基层材料刚度特性的重要参数，也是路面结构设计的基本参数。一般而言，与常规半刚性材料的回弹模量相比，RAP材料的回弹模量明显偏低。应力状态对RAP材料回弹模量的影响较为显著，不同受力模式下RAP材料的回弹模量亦不同，不是一固定不变的值，高应力情况下反映出较大的回弹模量，即具有较大的抵抗变形的能力。RAP材料在实际工况中的受力状态比较复杂，即处于三向受压的复杂应力状态，为了更接近实际工况情况，且能揭示材料组成与性能之间的真实规律，采用室内动三轴试验。其能同时模拟重复动荷载作用以及材料三向受压这一应力状态，与实际工况比较接近。因此，室内动三轴试验是国内外研究RAP材料动回弹模量最为简单有效的方法。

本次试验竖向应力(偏应力)采用半正弦矢波脉冲动偏应力，偏应力加载的持续时间为0.2 s，间歇时间为0.8 s，加载频率选取为1 Hz(60次/min)，在一个加载周期内，动态偏应力半正弦矢波函数表达式为(1)，荷载波形曲线如图3所示。

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P(t)=Pc+P0(1-cosωt)/2

(1)

式中：Pc为预先施加的荷载;P0为荷载振幅;ω为角频率，ω=2πt，f为加载频率，在此f=1 Hz。

图3 重复荷载动三轴试验半正弦矢波波形图

动三轴试验中施加的偏应力与围压一定程度上反映了RAP材料在路面结构中的所处的实际应力状态。根据美国AASHTO试验规程中土基与集料回弹模量测试方法，本试验共设定5种围压和3种偏压力，围压峰值分别为20.7 KPa、34.5 KPa、68.9 KPa、103.4 KPa、137.9 KPa；偏应力峰值分别为37.3 KPa、62 KPa、124.1 KPa、93.1 KPa、124.1 KPa。按照击实成型的最佳含水率进行配置，在最佳含水率条件下成型试件。为了适用于三轴压力计的测试，试件成型的高度值应当适当大于动三轴试验所要求的试件高度(200 mm)，按照高度/直径在2.1～2.2进行压实。将水泥处治后的RAP材料进行压实后，用塑料膜将试件包裹并移置标准养护室中养护7 d。

本研究采用深圳市瑞格尔仪器有限公司生产的R-8001T动三轴试验系统，如图4a所示。对于路面结构受力状态而言，变围压试验与实际工程受力状态更吻合，但是Marshall R.Thompson和John.J.Allen针对两种试验做了大量的试验，对试验结果进行了研究对比分析，结果表明两种试验所得的回弹模量差别并不明显，表明不变围压试验也是合理的，且试验过程更为简便。本文的动三轴试验采用不变围压试验。

图4 重复荷载三轴试验装置和水泥处理的RAP试样

3 试验结果分析

3.1 偏应力与围压对回弹模量的影响

本试验采用三个平行试件进行动三轴回弹模量测试，并对结果进行统计分析，图中SD表示平行试验的标准偏差。图5所示的结果表明，未掺入水泥的RAP试验结果在1.8～5.2 MPa之间，变异系数最大为1.8%，试验具有较好的重复性。对于掺入水泥的集料试验结果在4.7～30 MPa之间，变异系数最大为7.0%。

图5 围压、偏应力与回弹模量的对应关系

由图5可以看出，随着围压和偏应力的增加，两种试件的回弹模量均变大。除了高围压高偏应力组合试件的标准偏差较大，其他试验结果的标准偏差均较小，说明了该回弹模量试验程序提供了可重复性结果。回弹模量的变化与围压应力、偏压应力有着非常紧密的联系，从组合三、组合四可以看出偏应力对回弹模量的影响受围压的制约，围压对RAP材料回弹模量的变化也取决于所对应的偏压应力的大小。

3.2 围压对回弹模量的影响

为了分析偏应力与围压对动回弹模量的影响规律，对掺加水泥剂量与无掺加水泥剂量的试件进行回弹弹性模量试验，试验结果如图6、图7及图8所示。

图6 0%水泥剂量试样的回弹模量试验结果

图7 2%水泥剂量试样的回弹模量试验结果

图8 4%水泥剂量试样的回弹模量试验结果

由图7、图8可以看出，2%和4%水泥处理集料试样的弹性模量结果。如图所示，水泥处理增强了模量。在137.9 KPa的最大围压下，2%的水泥处理比未处理的集料试件模量增加了32%的回弹模量值，并且随着4%水泥的加入，回弹模量值增加了约50%。与水泥处理相关的模量的增加，在最佳情况下，可认为是中等的。然而，当使用水泥处理的集料代替未处理的集料时，这些增强使得基层厚度值显著减小。较高的水泥用量、压实密度和养护期将进一步提高模量值。然而，由于目前研究的范围有限，目前还没有对其进行研究。

3.3 偏应力对回弹模量的影响

本文分别对不同水泥剂量RAP材料进行回弹模量试验，控制围压，调整偏压应力，试验结果如图9、图10、图11所示。

图9 在围压为20.7 KPa下偏应力对弹性模量试验结果的影响

图10 在围压为68.9 KPa下偏应力对弹性模量试验结果的影响

图11 在围压为137.9 KPa下偏应力对弹性模量试验结果的影响

为了更好地说明不同应力组合对有无掺入水泥集料试件的模量测量结果的影响，本文通过固定三种围压下改变偏应力的组合对回弹模量的影响进行研究，试验结果如图9、图10和图11所示。从上图试验曲线可以看出，围压应力和偏压应力对RAP材料的模量均有较大影响。随着偏应力的增大，材料的模量随着集料试件的挤密而增大。

由图11可以看出，在高围压的条件下，随着偏应力的增大，对RAP材料回弹模量影响较小。此外，RAP材料的回弹模量随约束条件的增大而增大。在水泥含量较高的试件中，弹性模量随约束条件的增加而增加的现象并不明显。可能的原因是在较高的水泥剂量条件下，随着水泥的水化作用使得RAP材料整体刚度较大，因此不受较高约束的影响。

4 三参数弹性模量模型

根据美国AASHTO试验规程中建议使用Theta模型分析弹性模量试验结果，但是两参数模型在分离围压和偏应力对弹性模量的影响方面存在局限性，没有考虑剪切应力、剪切应变对回弹模量的影响。因此，应当通过增加偏应力来体现出剪切应力对回弹模量的影响，本文利用三参数模型对试验结果进行分析，三参数弹性模量模型如式(2)所示，该模型考虑了围压应力和偏压应力，可更好地表征材料的回弹特性。

(2)

对上式两边对数，结果如下

(3)

式中，MR表示材料回弹模量；Pa为参照应力，可取为大气压力100 KPa；σ3表示围压；σd表示偏应力；k1、k2、k3为均表示与材料有关的试验参数。

由式(2)中可知，k1、k2、k3试验参数是无量纲的，等式两边只有MR、σ3、σd三个参数，利用双对数坐标对试验数据进行处理，如图12所示。

图12 体应力与回弹模量的关系

其中体应力θ=σ1+σ2+σ3=3σ3+σd。

利用三参数模型对上述进行拟合，得到模型的拟合参数如表2所示。

表2 三参数模型的拟合参数

由表2可知，模型的拟合系数均在0.95以上，说明了该模型能够很好地拟合围压和偏应力对弹性模量的影响。试验的常数参数logk1从3.46～3.61不等，0%水泥剂量的试验参数较低，掺加水泥剂量的结果较高。k2参数接近0.19，表明了弹性模量结果呈现非线性围压依赖关系，水泥的处治对这一常数不影响。k3参数在0.09～0.15之间，无水泥处治的骨料值较低为0.09，由于k3值为正值，所以RAP材料发生应力强化的作用，骨料在外力作用下经历应力强化现象，即在相同围压下，随着偏应力的增加，弹性模量增加。由三参数模型的拟合效果可以看出，该模型对有无水泥处治的骨料在围压和偏应力作用下提供了更好的解释。

5 结 论

(1)与未处治的骨料相比，加入2%的水泥处理可使RAP材料的回弹模量值增加32%，加入4%的水泥后，回弹模量值增加约50%。未处治骨料试验结果标准偏差为1.8～5.2 MPa，处治后的标准偏差为4.7～30 MPa，而且试验的整体变异系数较小，变异系数最大为7%。

(2)未处治骨料的弹性模量随围压的增大而增大。对于水泥处治后的集料试件，表现并不明显，水泥处治后的骨料刚度较大，因此受施加围压的影响较小。

(3)利用三参数模量公式和线性回归工具对试验数据进行拟合分析，拟合效果较好，相关系数均在0.95以上。对于三参数公式，相关常数logk1在3.46～3.61之间变化，水泥处治的集料的值较高。k2参数表征了围压指数，表明弹性模量与围压呈非线性关系。水泥处治对这一常数的影响不大。k3参数即表征了偏应力指数，其值在0.09到0.15之间变化，因为k5值是正值，其解释了RAP材料发生应力强化的作用，骨料在外力作用下经历应力强化现象，即在相同围压下，随着偏应力的增加，弹性模量增加。