再生沥青路面集料透水混凝土力学性能及渗水性能研究

梁 照

(广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

再生沥青路面集料(RAP)是一种固体惰性沥青废料，其组成取决于路面修复过程。其可能是覆盖着老化沥青的旧集料的组合，或包含部分来自旧路面基层的颗粒材料，组成成分多样化。

近年来，RAP集料得到了大量研究，其主要应用于热拌沥青混合料[1]、路面基层或次基层[2]和不同类型的水泥基混凝土[3]。透水混凝土是一种环保混凝土，其孔隙体积在15%～35%，空气和水可以很容易地从表面通过相互连通的孔洞结构网络进入底层[4]。在原材料方面，透水混凝土与传统混凝土相似，但很少使用细砂，也没有较高的抗压强度，基本上在2.8～28 MPa，主要应用于城市防洪、降温、防滑等路面。

与以往的研究相比，本文研究的目的是在透水混凝土生产中用RAP代替天然骨料(10%～100%)，并探究其对RAP透水混凝土空隙率、密度及抗弯强度的影响，然后与仅使用天然骨料的透水混凝土进行了对比。此外，还对RAP透水混凝土的渗透率和孔隙堵塞情况进行了研究。

1 试验方案

1.1 试验材料

该混合物由硅酸盐水泥、天然花岗岩和/或RAP集料、水制成。硅酸盐水泥的化合物组成如表1所示。RAP废料是一种从沥青路面拆除中得到的异质材料，而RAP集料是由RAP废料机械破碎后筛分得到的。为了生产透水性能良好的透水混凝土，在混合料中不使用细骨料，仅使用2.36～19 mm的RAP骨料。两种骨料的粒径分布如图1所示，骨料的最大直径和细度模量值如表2所示。

图1 天然集料和RAP集料的粒径分布曲线图

表1 硅酸盐水泥中的主要化合物成分表

天然集料与RAP集料粒径分布相似，最大粒径均为19 mm。集料细度模数分别为6.05(天然)和6.23(RAP)。在这种情况下，RAP细度模数与天然骨料有相同的数量级。天然集料和RAP集料的密度和吸水率由巴西技术标准协会(ABNT)标准得到，如表2所示。

表2 骨料物理性质一览表

为研究低掺量和高掺量RAP骨料的效果，分别以10%、20%、50%、100%RAP骨料替代天然骨料配制4种混合料，并以天然骨料配制1种混合料作为对照。替代率用重量百分比表示。本试验使用的水泥与总集料的比例为1∶4(按质量计算)，并且在所有混合物中保持不变。总集料量定义为所有集料(自然集料和RAP集料)的总和。所有混凝土混合物的游离水/水泥率为0.37。混合物中所使用的材料的比例和数量如表3所示。表3中的配料量(kg/m3的混凝土)采用每种材料的密度(SSD)计算，不考虑空隙率。

表3 混合比例表

混合物的制备是在一个400 L的机械搅拌机中进行的。将集料与水总量的一半混合2 min，随后加入水泥，继续搅拌，直到剩余的水加入并吸收。将混合物分三层放入钢模具中，然后用钢辊手工加固。物理和力学试验中使用的样品相对湿度为100%、温度为21±1 ℃；渗透样品相对湿度为100%、温度为22±2 ℃。

1.2 实验方法

使用三个尺寸为100 mm×200 mm(直径×高度)的圆柱形样品进行3 d、7 d、14 d、28 d的压缩试验和28 d的弹性模量试验。此外，在28 d内对三个尺寸为150 mm×150 mm×500 mm的样品进行了弯曲试验。

在第28 d，测试了混凝土的空隙率和干容重。每个试验和混合物使用三个100 mm×200 mm(直径×高度)的圆柱形样品。在这个实验中，测量了样品的尺寸以确定其体积，随后，将样品放置在38±3 ℃的环境下干燥，直到重量不变，最后将其浸入水中，以确定样品中固体的体积。根据式(1)和式(2)计算试样的密度和空隙率。

(1)

式中：A——干质量(g)；

D、L——试样直径和长度(mm)；

K——一个常数，取值1 273 240。

(2)

式中：B——试件的浸水质量(g)；

ρw——水浴温度下的水密度(kg/m3)。

养护28 d后进行混凝土渗透性试验。在本研究中，采用三个600 mm×600 mm×100 mm的混凝土板试样模拟路面。试验在样品表面的中心区域进行，并在正面向上和反面向上两个方向，对每个表面进行两次渗透测量[5]。

在测试之前，样品墙被密封，以防止侧向泄漏。入渗试验是在平板表面临时密封一个直径为300 mm的密封圈，平板表面预润湿，然后向平板表面浇入3.6 L的水，测量游离水分散的时间。如果3.6 L的水分散时间<30 s，则测试需要18 L的水。在本研究中，水在所有样品中分散时间<30 s，因此使用18 L的水进行测试。

该方法也用于进行堵塞试验。在堵塞试验中，每种混合物使用一个混凝土板样本。本研究中使用的堵塞材料是一种中质砂，砂级配连续，粒度为0.075～2.36 mm，细度模数为2.56。其粒度分布具有以下特点：d10近似等于0.15 mm；中位粒径d50为0.6 mm，d90为1.18 mm。选择这种类型的沉积物是为了在施工过程中作为一种典型的铺在路面上的材料，同时也因为其有可能堵塞透水混凝土孔隙。本试验使用了500 g沙子(约1.8 kg/m2)。将砂土均匀地铺于板坯表面，在15 d内每天测量两次渗透率，模拟干湿效果。所有测试样品中使用的材料数量保持不变。在测量渗透之前，没有对样品表面进行任何清洗。

2 结果与讨论

2.1 空隙含量和密度

由下页图2(a)可知，空隙率从21.8%到25.3%的硬化混凝土适合于提高渗透性。无RAP集料(对照组)和10%和20%再生骨料(10%RAP和20%RAP样品)的空隙含量相近，约为22%，而50%RAP和100%RAP样品的空隙含量比对照样品更高(可达+13.4%)。文献[6]指出，掺有50%和100%RAP的普通混凝土的空隙率比不掺RAP的混凝土增加了20%。此外，天然集料和25%RAP的混合料具有可比性，但在50%和100%替代水平下，空隙率分别增加了71.5%和89.8%。

如下页图2(b)所示，RAP混凝土的密度值介于1.6～1.93 g/cm3。10%RAP和20%RAP的密度变化不显著，但随着RAP集料的增加(50%RAP和100%RAP)，其密度下降最多可达13%。这种减少可以解释为其有更多孔隙结构，但较低的RAP密度(2.27 g/cm3)相比天然集料密度(2.64 g/cm3)也有影响。

2.2 力学特性变化

RAP混凝土第3 d、7 d、14 d抗压强度分别为28 d强度的60%～71%(3 d)、71%～92%(7 d)、86%～97%(28 d)，如图3(a)所示。在大多数情况下，早期强度增益略高于对照混凝土(3 d 65%，7 d 85%)。

(a)平均空隙率

28 d时，本研究生产的混凝土抗压强度均在3.7～12.8 MPa之间，与其他透水混凝土的抗压强度值相似。而RAP混凝土的抗压强度低于天然骨料混凝土。随着RAP添加量的增加，其28 d抗压强度降低，即10%RAP、20%RAP、50%RAP、100%RAP试样的28 d抗压强度分别降低18%、14%、49%、71%。

通过分析弹性模量结果可以得到类似的抗压强度结果，如图3(b)所示。在这种情况下，在RAP混凝土中观察到较低的模量。然而，使用RAP对混凝土模量的负面影响比抗压强度更明显，主要是RAP水平较高时。例如，与对照混合料相比，RAP混凝土的弹性模量减少21%(10%RAP)，抗压强度降低分别为18%(10%)、14%(20%)、49%(50%)、71%(100%)。

抗弯强度试验数据如图4所示。随着混合料中RAP骨料的增加，RAP混凝土的抗弯强度降低。10%RAP、20%RAP、50%RAP、100%RAP试件的抗弯强度分别比对照混凝土降低14.2%、7.1%、16.9%、46.4%。

图4 对照组混凝土和RAP混凝土的平均抗弯强度对比柱状图

2.3 渗水试验和堵塞试验

透水混凝土的渗透率必须至少为1×10-3m/s。如图5所示的平均值表明，所有混合物的水分渗透率都有所提高(高1×10-3m/s)。标准差值用图形中的误差条表示，表示结果的离散程度。

(a)抗压强度

图5 试样的渗透率与两种不同方向的关系柱状图

渗透试验在两个方向进行：正面朝上(自上而下的方向)和反面朝上(自下而上的方向)，此方法有助于更好地了解结果。对比分析如图5所示，由于上表面封闭的孔隙比下表面更多，所有样品在倒置表面(自下而上方向)测得的渗透率均高于放置位置(自上而下方向)测得的渗透率。图5的结果还表明，10%RAP(+39.5%)和20%RAP(+44.4%)试样的渗透率方向性变化率更高，可能是由于这些试样中一些封闭的孔隙或孔隙弯曲导致流道中断。

从图5可以看出，50%RAP和100%RAP的渗透率随着空隙体积的增大而增大，而10%RAP和20%RAP试样的渗透率减小，尽管孔隙体积与对照试样相似。结果表明，RAP样品的上表面比下表面的减少更明显。以10%RAP和20%RAP为例，在顶部表面测得的渗透率分别比对照样品降低了44%和59%，在底部表面测得的渗透率分别比对照样品降低了13%和30%。在本研究中，孔隙含量与入渗的相关性如图6所示，底部表面的孔隙含量与入渗的相关性(R2∶0.91)优于顶部表面的孔隙含量与入渗的相关性(R2∶0.76)。

图6 渗透率与孔隙含量的关系拟合示意图

图7显示了堵塞试验中渗透率的变化情况。纵轴是渗透率，横轴是入渗试验的进行情况。循环0为在无阻塞试样上进行的渗透试验。在第1个循环时，只在平板表面撒一次堵塞材料，每个循环测两次渗透率。循环2～4为不添加堵塞材料的渗透试验。在渗透试验前，样品表面没有进行清洁或维护。图中各曲线有相似的发展趋势。在第一个循环中，砂土铺到样品表面后，渗透率显著降低，表明孔隙初始堵塞；在此之后，渗透速率变化较小，直到循环4。

图7 堵塞试验期间渗透率的变化曲线图

如图8所示为各试样的渗透能力与各自初始渗透值(未堵塞试样)比较的变化情况。经过四个循环的试验，对照组和RAP样品的初始渗透能力损失高达86%，表明这些样品被功能性堵塞。然而，即使在物理堵塞后，50%RAP和100%RAP样品的渗透率均等于或优于透水混凝土所需的最低渗透率(1×10-3m/s)。

图8 循环次数和损失百分比的关系柱状图

当使用10%RAP和20%RAP时，渗透能力损失更高，但这是在没有对样品表面进行清洁和维护的情况下得到的结果。在这种情况下，这些混合物表现出的渗透能力和力学性能与人行道和轻型交通路面的设计兼容。然而，必须进行额外的测试才能有效地利用这类废料。对于50%RAP和100%RAP试样，其渗透性能(包括堵塞特性)较好，但力学性能(抗压、抗弯强度和弹性模量)较差。通过处理改善RAP集料特性，可以改善其整体力学性能。

3 结语

关于RAP骨料含量对混合料性能的影响，可以得出以下结论：

(1)RAP混凝土的空隙率与天然骨料透水混凝土的空隙率相当或更高。

(2)RAP透水混凝土密度(1.68～1.90 g/cm3)低于对照混凝土密度。

(3)在所有分析内容中，RAP骨料对混凝土的力学性能均有负面影响。

(4)虽然力学性能有所降低，但RAP透水混凝土的抗弯强度在所有分析内容中都是可以接受的，适用于人行道和自然路径的透水路面设计。

(5)50%RAP和100%RAP集料混凝土的渗水效果较好。然而，这些混凝土在所有龄期的抗压强度最低。