楊柳

作者簡介：

楊 柳（1982—），助理工程師，研究方向：土木工程。

摘要：文章通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)對(duì)不同RAP含量和含水率的材料進(jìn)行彈性模量的測定，得到含水率對(duì)RAP基層材料彈性模量的影響，并與相同條件下的天然粗集料的相關(guān)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：天然集料;最優(yōu)含水率;彈性模量;再生瀝青路面集料

中國分類號(hào)：U416.03A080274

0 引言

在工程實(shí)際中，路面材料的循環(huán)利用逐漸成為公路交通行業(yè)節(jié)能減排的工作重點(diǎn)，有利于提升公路交通的質(zhì)量和效率，減少能源浪費(fèi)。目前天然集料的開挖和采集的難度越來越大，使用成本逐年提高，且大量廢棄的路面很大程度上造成能源的浪費(fèi)。再生瀝青路面集料（RAP）作為一種新型的材料，逐漸被用于作為替代路面結(jié)構(gòu)的基層材料。為研究再生瀝青路面集料作為路面結(jié)構(gòu)天然集料替代品的適用性，研究人員進(jìn)行了大量的研究工作，對(duì)其性能進(jìn)行表征。

再生瀝青路面集料是一種經(jīng)過碾磨、篩分、粉碎后循環(huán)加工利用的材料，由涂有瀝青的高質(zhì)量、級(jí)配良好的集料組成。在實(shí)際工程中，老舊道路基礎(chǔ)設(shè)施往往需要修復(fù)或完全更換，這意味著RAP材料越來越容易獲取。加之現(xiàn)有的天然集料越來越難以獲取，施工成本也越來越高，再生瀝青路面集料作為路面結(jié)構(gòu)天然集料替代品具有極大的發(fā)展前景。RAP的使用節(jié)約了能源，降低了獲得優(yōu)質(zhì)天然集料所需的運(yùn)輸成本，這些因素帶來了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，符合當(dāng)今建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型工程環(huán)境的要求。

RAP這種材料被廣泛用于路面結(jié)構(gòu)的瀝青混凝土層，其最常用來作為再生瀝青路面的集料和天然瀝青粘合劑的替代品。盡管目前這種材料已經(jīng)在瀝青混凝土中得到了廣泛的應(yīng)用，但一些地區(qū)的RAP庫存仍在不斷增長，因此，需要考慮開發(fā)其他用途，如應(yīng)用在顆?；鶎又?。但目前RAP材料僅由少數(shù)道路管理部門使用，其作為基層材料的可行性在力學(xué)性能方面與天然集料相比，仍存在較大的差異。

研究人員指出，RAP含量為100%的試件與密實(shí)級(jí)配天然集料試件相比，剛度、彈性模量較高，但抗剪強(qiáng)度較低，初步檢驗(yàn)RAP在工程實(shí)際中的應(yīng)用效果后得出結(jié)論：RAP含量為100%的產(chǎn)品質(zhì)量不能得到保障[1]。隨著研究的深入，將天然集料與RAP混合，作為一種折衷方案，可以達(dá)到預(yù)期的力學(xué)性能和工程質(zhì)量。目前關(guān)于在路面基層中允許使用RAP的比例及其在基層中使用的適用性鮮有報(bào)道，對(duì)RAP材料的強(qiáng)度和其他力學(xué)性能的研究還不夠充分，缺乏翔實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中RAP的彈性模量是一[JP]種能反映多方面性能的指標(biāo)，可以更全面地定義無粘結(jié)基層材料的結(jié)構(gòu)特性，為路面設(shè)計(jì)和分析提供依據(jù)，通過對(duì)RAP試件彈性模量的測試來表征基層材料的剛度和彈性響應(yīng)。影響RAP彈性模量的兩個(gè)因素包括應(yīng)力狀態(tài)和材料的含水率[2]，其中，含水率和彈性模量的關(guān)系是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，通過對(duì)兩者關(guān)系的研究能夠清楚了解材料在各種條件下的性能，并對(duì)其使用壽命有一個(gè)清楚的認(rèn)知。

文獻(xiàn)[3]關(guān)于RAP材料性能的試驗(yàn)表明，當(dāng)試件的含水率為最優(yōu)含水率的65%時(shí)，試件強(qiáng)度比最優(yōu)含水率的試件強(qiáng)度更高。文獻(xiàn)[4]研究了在最優(yōu)含水率的情況下，含水率對(duì)RAP含量分別為50%和100%的材料的影響，并對(duì)高于和低于最優(yōu)含水率的試件進(jìn)行有限元模型分析，以確定含水率對(duì)RAP材料性能的影響。目前關(guān)于RAP彈性模量的大多數(shù)研究集中于含水率的測試上，然而，這可能導(dǎo)致對(duì)這種材料含水率變化相關(guān)性做出錯(cuò)誤假設(shè)。因此，有必要對(duì)再生瀝青路面集料彈性模量與含水率的相關(guān)性進(jìn)行進(jìn)一步研究以得到更為準(zhǔn)確、翔實(shí)的數(shù)據(jù)?；谝陨戏治?，本文旨在研究含水率對(duì)含RAP基材彈性模量的影響，同時(shí)還將RAP材料的性能與天然集料進(jìn)行對(duì)比分析，具體內(nèi)容如下。

1 試驗(yàn)材料

1.1 材料類型

本次試驗(yàn)研究采用三種試驗(yàn)材料，分別為RAP材料、天然集料以及RAP和天然集料按照各自50%的比例摻和得到的混合材料。試驗(yàn)中所用的RAP材料是從廢棄高速公路收集得到的，通過對(duì)材料進(jìn)行移除、篩分和打磨使之適用于試驗(yàn)研究。同時(shí)，天然集料是沿著同一公路項(xiàng)目的新路段收集得到的級(jí)配良好的破碎骨料。

1.2 材料性能

試驗(yàn)中對(duì)上述三種材料進(jìn)行篩分分析，級(jí)配曲線如圖1所示。RAP和天然集料按統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)歸類為級(jí)配良好的礫石，如表1所示。根據(jù)土壤分類體系，所有顆粒材料均被歸類為A-1-[HTSS]a類。

1.3 最優(yōu)含水率

為了確定上述材料的最優(yōu)含水率，對(duì)樣品采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2019）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。壓實(shí)模具尺寸為高度120 mm、直徑150 mm。錘子重量約4.5 kg，從高處落下，落下距離為457 mm。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將物料分5層分別壓實(shí)，每層分布56個(gè)錘頭。

同時(shí)，為確定材料的含水率和干密度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)三種材料分別在不同含水率下進(jìn)行壓實(shí)，各材料含水率與密度的關(guān)系如圖2所示。RAP材料的最優(yōu)含水率為4.1%，最大干密度為2 079 kg/m3;RAP和天然集料混合料的最優(yōu)含水率為5.9%，最大干密度為2 225 kg/m3;天然集料的最優(yōu)含水率為5.5%，最大干密度為2 245 kg/m3。由于在試驗(yàn)過程中RAP材料的壓實(shí)比較困難，RAP的部分水分會(huì)保留在模具中，因此RAP材料獲得的干密度較小，為天然集料的93%。

2 研究方法

本文在研究時(shí)制備了40個(gè)不同含水率、不同材料的試樣，初步測試了材料類型及其含水率對(duì)材料彈性模量的影響。制備的RAP材料的最優(yōu)含水率分別為OMC-2%、OMC-1%、OMC、OMC+1%和OMC+2%。對(duì)于天然集料，分別在OMC-2%、OMC-1%、OMC、OMC+1%下制備。對(duì)于天然集料和RAP混合的材料，分別在OMC-2%、OMC-1%、OMC、OMC+1%下制備試件。對(duì)RAP材料與天然集料試件進(jìn)行彈性模量的比較，以確定材料在道路基層中的適用性。試件制備后立即進(jìn)行測試，以確保含水率的準(zhǔn)確性。

2.1 樣品制備

將待測材料干燥后，加入適量的水，使其含水率達(dá)到要求，并充分揉搓使水與材料充分混合。將混合好的材料放置12～14 h，使其固化。隨后用振動(dòng)錘在模具中對(duì)材料進(jìn)行壓實(shí)。制備的樣品被包裹在模具的底部和頂部的多孔石板中。將每一個(gè)升降機(jī)壓實(shí)到計(jì)算高度后，用刮刀在升降機(jī)的上表面劃痕。制備的試件最終尺寸為直徑150 mm，高度300～305 mm。

2.2 試件測試

對(duì)RAP材料和天然集料制備的試件進(jìn)行磁共振測試。將制備好的試件從分模中取出，確保橡膠膜完好無損，然后放入三軸試驗(yàn)機(jī)中。在測試過程中，在試件上放置兩個(gè)外部線性變量傳感器來測量軸向變形，彈性模量取兩個(gè)線性變量傳感器的平均值。

基層材料的初始加載圍壓為103.4 [HTSS]kPa，豎向應(yīng)力為103.4 [HTSS]kPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，測試周期的其余部分由15個(gè)負(fù)載序列組成。每個(gè)序列的負(fù)載是一個(gè)持續(xù)時(shí)間為0.1 s和0.9 s的負(fù)載脈沖。每個(gè)序列總共執(zhí)行100個(gè)循環(huán)，最后5個(gè)循環(huán)用于確定彈性模量。

3 測試結(jié)果及分析

含水率對(duì)彈性模量的影響如圖3～5所示，繪制三種材料的彈性模量與圍壓狀態(tài)的關(guān)系圖，以反映應(yīng)力狀態(tài)對(duì)彈性模量的影響。如下頁圖6所示是軸向應(yīng)力對(duì)圍壓的影響的關(guān)系圖。如表2所示給出了不同材料在OMC和68.9 [HTSS]kPa、137 [HTSS]kPa圍壓下的變異系數(shù)（COV），其中COV=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100。

從圖3可以看出，天然集料試件的含水率受圍壓增加的影響不大。在圖4中，RAP含量為100%的試件含水率受圍壓的影響更為明顯，不同含水率的試件隨著圍壓的增大存在明顯的差異。這表明，隨著含水率的增加，RAP含量為100%的試件趨于飽和，彈性模量受含水率的影響很大。在研究RAP集料彈性模量與含水率相關(guān)性時(shí)，RAP與天然集料混合時(shí)的試件與天然集料的試件在圍壓對(duì)彈性模量和含水率的影響方面結(jié)果類似。

圖3～5的結(jié)果表明，RAP材料的彈性模量值和RAP與天然集料混合的試件相比，混合試件在OMC時(shí)彈性模量增加的值是相同的。RAP材料在OMC-2%處的模量最大，最大圍壓為137.9 [HTSS]kPa時(shí)，彈性模量超過300 [HTSS]MPa。RAP材料的COV在圍壓增大時(shí)最低，且始終低于天然集料。圖6說明了在圍壓增加的情況下，增加的模量幾乎完全來自于施加在材料上的偏差（軸向）應(yīng)力的增加。隨著偏應(yīng)力的增加，試件的彈性模量逐漸增加，這是由于隨著偏壓力的增加，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，使得其剛度和彈性模量較大。同樣，對(duì)于相同的圍壓，彈性模量值隨偏應(yīng)力的增加而增加，這是由于材料受到較高的軸向載荷時(shí)，因受到擠壓而表現(xiàn)出整體硬化，使得軸向應(yīng)變較低。

4 結(jié)語

本文研究了含水率對(duì)含RAP基層材料彈性模量的影響，并與天然集料進(jìn)行了直接比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，與天然集料相比，純RAP材料在不同圍壓下的彈性模量值均偏高，RAP材料在OMC+2%時(shí)彈性模量值降低，表明彈性模量與含水率有一定的相關(guān)性，但這需要在未來的研究中與其他OMC+2%材料進(jìn)行比較。此外，在OMC-2%處，RAP材料的強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增加，這可能表明隨著材料受到更密集的約束，集料之間的粘聚力增加。在目前的研究中，RAP材料的模量值與在OMC及以下天然集料的彈性模量值相比基本一致甚至有所增加。再生瀝青路面集料能在一定程度上代替天然集料，具有廣闊的應(yīng)用前景，在工程實(shí)際中能夠帶來客觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。本研究對(duì)工程實(shí)際具有一定的指導(dǎo)和參考意義。

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