温度对再生粗骨料和再生沥青路面强度的影响探讨

2022-04-13骆强

中国公路 2022年5期

骆强

（河南省濮新高速公路建设有限公司,河南濮阳 457000）

随着城市改造的扩张，混凝土得到了广泛应用，我国的环境面临着严峻挑战。由于天然骨料（NA）约占混凝土混合料质量的75%，大量建筑垃圾的产生对环境产生了有害影响。研究人员探索了用再生粗骨料，以及再生沥青路面作为混凝土替代物。大部分研究报告表明，使用RCA和RAP有不利影响，RCA中残留的旧砂浆会导致表面裂缝和更高的吸水性，以及由于混凝土之间的黏结力较弱，对混凝土力学性能造成不利影响[1～3]。为了解决这个问题，一些研究通过添加剂处理RAP和RCA，提高再生混凝土的性能。最近几十年，许多研究者更关注在高温下使用RCA的可能性，研究了不同温度对混凝土强度的影响，用RCA替代NA，替代率为30%、50%、70%和100%，结果表明：随着温度升高力学性能降低，且RCA替代水平影响强度[4～6]。以往研究中较少关注RAP和RCA对混凝土力学性能的影响，本文采用30%、50%、70%和100%四种替代率，且考虑了RAP的影响，在4种温度下：20℃、200℃、400℃和500℃，通过室内试验，测试了压缩强度。试验分为四组试样：用100%天然粗骨料制成的NCA试样；RAP试样；RCA试样；RAPRCA试样。RAP试样用10%、20%和30%的替代率补偿。RCA试样以20%、40%、60%和100%的替代率补偿。RAP-RCA试样由10%RAP-90%RCA，20%RAP-80%RCA和30%RAP-70%RCA构成。

一、试验材料设计

（一）材料

1.水泥

采用普通硅酸盐水泥，其密度为3.15g/cm3，化学组成测试如表1所示。

表1 水泥的化学组成

2.集料

天然集料采用石灰岩碎石，筛孔尺寸在5mm～20mm之间，图1为三种集料的筛分级配。使用的RCA是通过室内试验压碎旧混凝土试样获得，旧的样品混凝土的抗压强度不超过30MPa，压碎试样的使用年限为1年～2年。混凝土被压碎分两个阶段，第一阶段是粉碎，混凝土立方体和圆柱体分成大块，在第二阶段被分解成更小的部分。随后筛分混凝土，以获得所需粒径在5mm～20mm的集料。所用的RAP是从沥青路面废料中提取的道路重建现场的碎石，碎石被压碎后，在5mm～20mm的筛子上筛分。从图1可以看出，所有骨料的梯度几乎是相似的，这将确保级配不对混凝土的力学性能造成影响。NCA、RCA和RAP根据相应规范测试物理力学性能，如表2所示。由表2可以看出，NCA的吸水率最低，为1.48%，其次是RAP，吸水率为1.9%，吸水率最高的为RCA，预期值为7.91%，对于洛杉矶磨耗值，RCA的值最高，RAP和NCA次之。

图1 所用集料的级配

表2 集料的物理性质

（二）混合料设计

三种试验混合料的水灰比分别为0.4、0.42和0.45，混合料类型分别为100%NCA、RCA和RAP。选择这些水灰比的原因是为了获得可接受的抗压强度和良好的工作性，配合比设计和平均混凝土圆柱体的抗压强度，每个w/c的100%NCA、100%RCA和100%RAP混合料比例，如表3所示。由于再生骨料在使用前没有清洗过。强度试验结果发现采用水灰比0.4更优，因此相同的配合比设计了11种混凝土拌合料看，开展由再生粗骨料和再生沥青路面材料组成的混合料的强度探讨，如表4所示。

表3 试验用混合料

表4 混合料配合比

二、试样制备及试验方法

（一）试样制备

试验采用圆柱形试件，试件尺寸为高200 m m，直径100mm，所有混凝土混合料均使用机械搅拌，混凝土分两层浇筑在圆柱体中，每轮搅拌25次。成型24小时后，在标准养生条件下养护，湿养护28天后，在室外温度下加热大约4天将样品干燥。

（二）试样加热

试样被置于4个温度水平：20℃、200℃、400℃和500℃。温度20℃被认为是常温。当温度达到200℃、400℃和500℃是考虑到暴露在结构中的混凝土构件，由于实际生产中不同设备产生的特殊热量。所有样品都在熔炉中加热，温度上升速率为5℃/min，当温度达到目标回火时，温度保持恒定3h，然后样品在不打开炉门的情况下冷却，直到内部温度达到室温，内部炉子的温度以数字形式显示在外部。

（三）抗压强度试验

在实验室试验圆柱体抗压强度，试验时垂直方向为约束，水平方向自由，分别测试11种不同替代水平的混合料，对于每一类型混合料，求3个平行试件的平均值作为测试结果。

三、试验结果分析

（一）RAP混合料

RAP混合料的抗压强度结果如图2所示。结果表明，在相同的温度下，随着RAP替代量的增加，强度普遍降低。主要原因是旧的沥青层覆盖再生集料影响了骨料和新水泥之间的黏结，导致界面过渡区的行为减弱，使强度降低，这一减量随着RAP替换率的增加，其响应也随之增加。

另一方面，当温度从20℃升高至500℃时，相同RAP替代率混凝土的强度降低。实验结果表明，在400℃和500℃时，对于相同RAP置换水平混凝土强度的降低并不显著；200℃时，RAP替代率对强度影响不显著；对于NCA混合料，与20℃时的强度相比，在200℃、400℃和500℃时，其强度降低明显。对于10%RAP混合料、20%RAP混合料、30%RAP混合料强度降低明显。众所周知，RAP含有旧沥青，这种材料覆盖在RAP中的骨料上，温度升高导致黏度降低，这会影响材料的颗粒嵌挤，并降低沥青刚度。200℃下、水蒸汽产生的压力削弱了沥青涂层的内部微观结构，沥青涂层的黏度降低，导致抗压强度比20℃时大幅度降低。400℃时、大多数CH晶体分解，500℃时，几乎所有的CH晶体和一些C-S-H凝胶都会分解，内部结构变得更加松散，抗压强度降低[7]。

图2 不同RAP替代率下的混合料抗压强度

（二）RCA混合料

RCA混合料的抗压强度结果如图3所示。结果表明，在相同温度下，随着RCA替代量的增加，材料的强度降低。

强度降低的主要原因是RCA的性能、砂浆基质和界面区[7]，基体中有许多新老砂浆界面，导致界面黏结力较弱，而在压缩荷载作用下更多的缺陷影响黏结破坏，导致强度降低。还有存在再生集料中的微裂纹导致裂纹尖端的应力集中，致使裂纹扩展，并在压缩载荷作用下造成早期破坏。

（三）RAP-RCA混合料

RA P-RCA混合料的抗压强度结果，如图4所示。与100%RCA混合料相比，强度随着RAP替代率的增加而降低，在RAP-RCA混合料中RAP对强度起着主导作用。强度降低的主要原因是RAP和RCA集料的性质，砂浆基质和界面区。RAPRCA混合料包含了旧沥青和砂浆层覆盖在骨料上，导致界面区新基质和旧基质之间黏结更弱。

当温度从20℃升高至500℃时，相同替代水平的RAP-RCA的强度是降低的。相同替代水平的RAP-RCA，与200℃的强度相比，400℃和500℃下的强度值相差不显著。

在20℃，RAP-RCA胶浆处于密实状态且完全黏结在一起，但其强度肯定远低于100%NCA混合料。虽然RAP和RCA存在，呈现一些微裂纹且旧的界面性能是良好的。

随着温度的升高，微结构发生了变化。基体变得更松散，界面行为也更为复杂，这会导致黏结力减弱，抗压强度降低。在200℃、水开始蒸发，这会增加细裂纹和混合物内部的孔隙，导致微观结构开始形成，界面区性能降低，CH晶体和C-S-H凝胶仍然完好无损。

400℃时水已完全蒸发，基体中裂缝和气孔占主导地位，这使得基体更松散，大量的CH晶体开始分解而数量更少，集料与结合料之间的黏结进一步削弱。500℃时，所有的CH晶体分解，一些C-S-H凝胶也开始分解。在基体中，体积收缩和骨料膨胀是导致黏结减弱和裂纹在界面区扩展的主要原因[4]。

尽管是完全由回收的骨料制成的混合料，其强度降低率与RAP-RCA混合料相当，这可被视为使用此类混合料以保护环境并在高温下获得可接受的强度降低的新的老化迹象。