温度对RAP填料压缩及渗透特性的影响

朱德胜，刘凯旋，殷 杰，张静玉，汤 勇

(1. 扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127； 2. 江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013； 3. 浙江江南工程管理股份有限公司，浙江 杭州 310007)

截至2020年末，我国高速公路的总里程高达15万km，其中沥青路面占比约为90%[1].据统计，我国每年产生的废旧沥青路面材料约为2.2亿t[2]，而回收利用率不足40%.每年大量的废旧沥青路面材料被当作建筑垃圾填埋处理，不仅会占用大量的土地资源，还会造成环境污染.在我国工程实践中，主要通过将废旧沥青路面进行加热、翻挖、回收、破碎和筛分等工艺，获得再生沥青路面(recycled asphalt pavement，RAP)材料，再与新的沥青混合料搅拌后应用于沥青路面面层施工.因此，RAP材料的利用面相对较窄.为了提高其利用率，欧美国家基于RAP材料良好的级配特性，将其替代传统的砂石填料，用于填筑路基[3-5].应当指出，由于RAP材料中含有沥青成分，使其具有温度敏感性和黏滞性，需要考虑温度变化对其工程力学特性的影响.国内外已有学者开展了相关的研究工作，主要集中在温度对RAP材料强度特性[6-7]和蠕变特性[8-10]的影响.周爱兆等[7]开展了不同击实温度下，RAP试样的三轴固结排水剪切试验，表明击实温度越高，其固结排水抗剪强度越大.殷杰等[10]开展了不同击实温度下，RAP试样的直剪蠕变试验，表明击实温度越高，蠕变破坏时间越长，临界剪应力比越大.需要指出的是，除了强度及蠕变特性，压缩性和渗透性也是填料的重要特性，因此开展相关特性的研究显得非常重要，而目前考虑温度对RAP材料压缩特性和渗透特性的研究报道较少.

为了进一步分析温度变化对RAP材料压缩特性及渗透特性的影响，笔者拟开展一系列不同温度工况下RAP材料的压缩试验和常水头渗透试验，获得不同温度条件下其压缩曲线、压缩模量和渗透系数，进一步分析影响规律和作用机理，以期为实际工程提供指导.

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验材料取自镇江市某翻修的沥青公路路面.将该废旧沥青路面材料通过破碎、筛分，得到试验用RAP材料.依据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》对RAP材料开展了压缩试验和常水头渗透试验.采用比重瓶法测得其相对密度为2.24.通过筛分试验，获得RAP颗粒级配曲线如图1所示.由图1可以得到曲线曲率系数Cc=1.27，不均匀系数Cu=13.2.

图1 RAP颗粒级配曲线

通过开展击实试验，得到RAP颗粒干密度与含水率关系曲线，如图2所示.由图2可知，最大干密度为1.92 g·cm-3，对应的最优含水率为5.1%.

图2 RAP颗粒干密度与含水率关系曲线

1.2 试验方案

RAP材料因含有沥青成分使其具有温度敏感性.为探究不同季节温度下地表土体温度变化对RAP压缩特性和渗透特性的影响，笔者选取具有代表性试验温度(t=5、22、35 ℃)，进行压缩试验和常水头渗透试验,其中击实度为0.98、0.95、0.90和0.85.

根据击实试验获得最优含水率，制备不同击实度下的击实RAP试样.按照GB/T 50123—2019规定，施加不同的击实能，获得4种工况(击实度分别为0.98、0.95、0.90和0.85)下的击实样.再按照该标准，以4种工况下的RAP试样为研究对象，开展一维压缩试验和常水头渗透试验.试验中通过控制水温来控制试验温度.

2 试验结果分析

2.1 RAP材料压缩试验

2.1.1孔隙比的变化

图3为不同试验温度t下，对应4种击实度λ的RAP试样压缩曲线，其中孔隙比是根据RAP试样初始含水率和密度计算而得到.由图3可知：任何试验温度时，无论在何种击实度下，孔隙比都会随着压应力增加而逐渐减小；当试验温度一定时，击实度低的压缩曲线均位于击实度高的上方，因为击实度越高，其孔隙比越小，RAP颗粒之间密实度更高；随着压应力增加，压缩曲线变得更为平坦.

图4为在4种击实度下，对应不同试验温度的RAP试样压缩曲线.由图4可知：试验温度对其压缩特性有明显的影响；试验温度高的压缩曲线位于试验温度低的下方.一方面，当击实度一定时，在相同加载压应力下，试验温度越高，RAP试样的孔隙比越小.

图3 4种击实度下RAP试样压缩曲线

图4 不同试验温度下RAP试样压缩曲线

图4a中，当压应力为200 kPa时，在试验温度t=5、22、35 ℃时，RAP试样对应的孔隙比分别为0.356、0.316、0.289，相比于压应力为100 kPa时，RAP试样的孔隙比分别减小0.017、0.019、0.034，在t=35 ℃时减小最多.其他击实度下，也具有类似的试验结果.主要原因是RAP材料中含有沥青，该材料具有温度敏感性，随着温度的升高，沥青逐渐软化，压缩性升高，所以在相同压应力作用下，孔隙比减小越多.另一方面，不同击实度对其压缩曲线也有一定的影响.由图4可知：击实度低的RAP试样压缩曲线受温度影响高于击实度高的试样.这是由于在高击实度(λ=0.98)时，RAP填料能够得到较高的密实度，RAP材料颗粒间咬合更加密实，发生相对搓动更加困难，随着压应力增加，各个温度下孔隙比变化趋势相同，且孔隙比受温度影响不大.

2.1.2压缩模量的变化

图5为在试验温度分别为5、22和35 ℃的条件下，再生沥青路面材料试样压缩模量随压应力变化的曲线.

图5 不同试验温度下RAP试样压缩模量曲线

由图5可知：压缩模量随压应力的增加而逐渐增大.一方面，当击实度λ一定时，在相同压应力下，试验温度越高，压缩模量越小.主要原因是废旧沥青路面材料中含有沥青质材料，具有温度敏感性，随着温度升高，其延度和针入度变大，沥青变软，在压应力作用下，易被压缩.另一方面，在高击实度(λ=0.98)时，当压应力由50 kPa增加至200 kPa时，不同温度下的压缩模量曲线之间距离越来越小，压缩模量趋于一致.主要原因是在高击实度下，RAP材料的孔隙比小，颗粒间咬合更加紧密，随着压应力增加，RAP材料的压缩性较小，所以在不同温度下压缩模量曲线变化规律相同.

2.2 RAP渗透性试验

图6为通过渗透试验获得的RAP试样渗透系数随试验温度变化的曲线.

图6 渗透系数随试验温度变化的曲线

由图6可知：渗透系数随温度增加而逐渐增大，说明试验温度对渗透系数影响比较明显.例如，在λ=0.85，t=5、22、35 ℃时，RAP材料渗透系数分别为2.3×10-2、2.8×10-2、3.3×10-2cm·s-1，温度从5 ℃升高至35 ℃，渗透系数增大了1.0×10-2cm·s-1.主要原因是动力黏滞度越大，孔隙水流速越小，而动力黏滞度随着温度升高而减小，所以随着温度增加，渗透系数增大.同时，在相同温度下，击实度越高，渗透系数越小，主要原因是击实度越高，孔隙比越小，渗透系数就越小.

工程中,常见填料种类及渗透系数经验值变化范围如下：砾石为6.1×10-2～1.8×10-1cm·s-1，细砂为1.2×10-3～6.0×10-3cm·s-1，粉质黏土为1.2×10-6～6.0×10-5cm·s-1.RAP试样在λ=0.98时，其渗透系数范围为1.2×10-2～2.2×10-2cm·s-1，可见此时RAP材料的渗透系数在砾石填料渗透系数范围内，因此其渗透性类比于砾石填料.根据JTG D30—2015《公路路基设计规范》对路基填料渗透性的要求，RAP渗透系数接近级配良好的砾石，渗透系数较粉土、砂与黏土的混合物大，渗透性好，排水性能好，可以降低路基中水的滞留，减少出现路基病害的风险.而且高温天气下，渗透系数更大.因此，根据试验数据和规范要求，鉴于RAP良好的渗透性，可以将其作为较好的路基填料.

3 结 论

1) 在相同击实度下，试验温度高的RAP试样压缩曲线位于温度低的下方，表明RAP压缩性提高，试样在较高温度下更易于被压实.相同试验温度下，RAP试样在高击实度下的压缩性变化较小.

2) 在相同击实度下，RAP试样的压缩模量随温度的增加逐渐减小，其压缩性逐渐升高；相同试验温度，压应力由50 kPa增加至200 kPa时，RAP试样在高击实度下压缩模量变化规律相同.在实际工程中，通过提高温度可以减小RAP压缩模量，提高其压缩性.

3) RAP试样的渗透系数随试验温度的升高而逐渐增大，其渗透性可类比于砾石填料.实际工程中，温度的升高有利于增加RAP的渗透性.