高性能RAP料配合比设计

宋金华，姬玉平，刘志蕾，张雪松，倪东绪

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)



高性能RAP料配合比设计

宋金华，姬玉平，刘志蕾，张雪松，倪东绪

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)

对比分析了振动压实和重型击实成型方式下，级配RAP料物理、力学特性，研究表明使用振动压实的方法更能够代表实际的压实效果。采用粒子干涉理论对粗集料级配进行了优化，采用最大密度曲线理论Ⅰ法对细集料进行了优化，通过变化粗细集料比例，以最大干密度与强度双优化指标优选级配，初步提出具有优良物理力学特性的级配。在此基础上，进一步深入研究筛孔通过率对级配RAP料力学性能的影响规律，并以力学性能最优为原则，提出了基于振动成型的级配RAP料骨架密实级配。以劈裂强度为指标，提出了以长度为 2.5 cm，掺量为1‰的仿钢纤维(PPTF)作为高性能RAP料的增强纤维。

道路工程；高性能RAP料；配合比设计；粒子干涉理论；最大密度曲线理论I法

0 引 言

国内外相关人员对高性能RAP料研究较少，缺乏研究资料，现行规范也没有对高性能RAP料做出相关规定，故对高性能RAP料的研究参照级配碎石的标准执行[1]。我国现行规范对于级配碎石级配要求范围过宽，虽定性规定了控制筛孔，但没有提出合理的控制范围。级配碎石的设计标准仅在(JTG D 50—2006)《公路沥青路面设计规范》中规定，当采用重型击实标准设计时，基层压实度≥98%，CBR≥100%；底基层压实度≥96%，CBR≥80%，同时在条文说明中又提到振动压实成型符合骨架密实原则的级配碎石时，CBR值均有所提高。大量的工程实践表明此规定只是一般性的规定，易于实现，但对级配碎石的施工质量起不到实质性的指导作用。鉴于以上原因，有必要对高性能RAP料的配合比设计进行研究。笔者主要介绍了高性能RAP料在配合比设计当中成型方式的确定、矿料级配范围的确定以及路用纤维种类、尺寸及掺量的研究。

1 原材料检验

为了结合工程实践，课题组在308国道改扩建施工现场取料，并取样品进行试验。RAP料材料检验并不按照以往的冷再生进行，而是按照级配碎石的标准进行。RAP料的检测结果见表1，新加集料的检测结果见表2，本项目拟采用的仿钢纤维(PPTF)，技术指标见表1。

表1 RAP料的物理性质指标Table 1 Physical property index of RAP material

表2 碎石技术参数指标Table 2 Parameter index of the gravel technology

由表1和表2可见，RAP料的材料物理性质符合规范中对级配碎石的规定，这说明RAP料的颗粒强度、颗粒形状以及细料的性能均能满足路用需要，新集料的各项性能指标满足(JTG TF 20—2015)《公路路面基层施工技术规范》对级配碎石基层材料技术指标的有关规定。

仿钢纤维由泰安同伴纤维有限公司提供，并由该公司提供仿钢纤维的出厂合格证明。项目组将所用仿钢纤维委托河北道桥工程检测有限公司进行检测，经检测泰安同伴纤维有限公司提供的仿钢纤维技术指标符合使用要求。技术指标见表3。

表3 仿钢纤维(PPTF)技术指标Table 3 Technical index of PPTF

2 柔性基层配合比设计

高性能RAP料柔性基层配合比设计分4个步骤：① 分析试件的成型方式，对比分析级配RAP料在不同成型方式下物理力学特性；② 基于振动成型的矿料级配组成设计；③ 路用纤维的种类、尺寸及掺量的研究；④ 根据前3步的成果，制备高性能RAP料试件，并确定其最佳含水量以及最大干密度，为后续路用性能的研究打下基础。

2.1 成型方法研究

对高性能RAP料配合比设计进行研究，目的在于通过对RAP料改善级配并掺加纤维获得高质量的粒料，并通过优良的压实工艺，来提高高性能RAP料柔性基层的强度、刚度及稳定性，从而减小轴载作用下的永久变形。室内试验对于无黏结料试件的成型方法主要包括击实成型、静压成型、搓揉压实成型、振动成型以及剪切旋转压实[2-3]。根据施工现场的实际工况及室内成型条件分别采用击实成型和振动成型两种方法进行研究比较。

2.1.1 击实成型与振动成型试验参数对比

在重型击实中，可控变量为落锤高度、锤的质量以及试筒的体积，(JTG F 40—2007)《土工试验规程》中规定，对于粗粒土采用丙法击实，具体规定见表4。

表4 重型击实试验参数和击实功Table 4 Heavy compaction test parameters and compaction work

笔者使用的振动压实试验仪采用上置平板振动压实来模拟现场振动压实的情况，平板上方装置可调节转速和转动轴位置的偏心轮，通过设置这两项，为平板施加不同的力量和振动频率，模拟现场的振动压实情况[4]。振动压实法试验采用的模具与重型击实法采用的模具基本相同，但压实方式和压实功有所不同，振动压实试验参数及压实功见表5。

表5 振动压实试验参数和击实功Table 5 Vibration compaction test parameters and compaction work

无论是振动压实法还是传统的重型击实法，都是通过对材料做功使其逐步压实，故此混合料的各项性能势必受到击实功差异的影响。两种成型方式击实功对比可以得出：振动击实功大约是重型击实功的2.20倍。由此可知通过振动击实的混合料相比于重型击实成型的试件，最大干密度大、孔隙率小。

另外，振动压实与现在路面常用的振动压实施工工艺接近，都是采用偏振起振，获得一个高频的压实，采用振荡传递的方法，对需要压实的结构层进行揉捻挤实，使用振动压实的方法更能够代表实际的压实效果，获得与实际施工情况更接近的最大干密度和最佳含水量[5]。

2.1.2 不同成型方式下级配RAP料物理、力学特性

根据现有的试验条件，选择(JTJ 034—2000)《公路路面基层施工技术规范》的级配中值(编号为A)和(JTG D 50—2006)《公路沥青路面设计规范》的级配中值(编号为B)，两组级配进行重型击实成型、振动压实成型工艺的比较，并检验其不同成型方式下级配RAP料物理、力学特性和级配稳定性的影响规律。试验所选级配见表6。

表6 试验所选级配Table 6 Selected gradations in the test

1) 最大干密度和最佳含水率对比

选用表6的级配，每种级配选取5个含水量，测定其湿密度，并算出其干密度，得到含水量与干密度曲线如图1。振动击实法确定的最佳含水率及最大干密度分别为ω(z)和ρdmax(z)，重型击实法确定的最佳含水率及最大干密度分别为ω(j)和ρdmax(j)，见表7。

图1 级配A和级配B的含水量-干密度曲线Fig. 1 Moisture content and dry density relation curve of grade A and grade B

表7 最大干密度和最佳含水率对比Table 7 Comparison between the maximum dry density and the optimum moisture content

从表7可以看出，级配RAP料采用振动压实获得的最大干密度大约是重型击实获得的最大干密度的1.036～1.048倍，平均为1.042倍，而振动压实获得的最佳含水量略低于重型击实的最佳含水量。

2) 试件成型前后矿料级配变化规律

试件成型过程会造成集料破碎，为了解级配RAP料试件在成型过程中的级配变化规律，笔者按表6取两种成型方式下的最佳含水量下的成型试件，试件成型前后级配曲线见图2。从图2可以看出，无论采用何种级配，试件以振动成型时，级配在试件成型前后变化较小，而试件以重型击实成型时，级配在试件成型前后变化较大。这是由于重型击实成型和振动成型的压实机理有所不同，试件采用重型击实法成型时，混合料颗粒无法大幅度移动，部分集料破碎；而试件采用振动法成型时，在高频振动作用下混合料被液化压密，试件内的集料发生破碎较少。两种成型方法，从试件成型前后矿料级配变化规律对比可以看出，振动法成型试件更具有代表性和可靠性，与现场碾压更加相符。

图2 试件成型前后级配变化曲线Fig. 2 Gradation change curve of specimen before and after modeling

3) 最佳含水量下的CBR值对比(表8)

表8 最佳含水量下的CBR值对比Table 8 CBR contrast with the optimum moisture content %

由表8可得到，不同级配类型的RAP料振动成型试件的 CBR是重型击实法成型试件CBR的1.73～1.87倍，平均约为1.8倍。

2.2 级配组成设计研究

2.2.1 级配RAP料最大粒径的选择

级配RAP料最大粒径的选择同样参照级配碎石的标准进行。在(JTJ 034—2000)《公路路面基层施工技术规范》中以CBR为指标，对比分析了最大粒径为37.5、31.5、26.5 mm的级配碎石混合料，对比结果表明：级配最大粒径取37.5或31.5 mm，获得的CBR值都比较高，同时从施工的角度分析，最大粒径为37.5 mm的级配和最大粒径为31.5 mm的级配对比，混合料离析严重，故此实体工程中级配碎石基层混合料最大粒径通常采用31.5 mm，而最大粒径为26.5 mm的集料用在半柔性基层路面结构中比较多[6]。故此从抗变形性能和离析的角度考虑，级配RAP料所选最大粒径为31.5 mm。

2.2.2 级配RAP料级配组成设计

将铣刨料(RAP料)通过添加新集料改善级配后形成级配RAP料，其强度主要体现在材料的黏结力和内摩阻力。再生级配RAP料和传统的冷再生(水泥冷再生或泡沫沥青冷再生等)再生工艺并不相同，其内并不添加任何再生剂来增强其黏聚力，所以提高其强度的途径就只能从提高其内摩阻力入手。为了提高级配RAP料的内摩阻力，除了要求有优质原材料之外，另外还要求有良好的骨架密实型级配，即粗集料形成骨架嵌挤结构其空隙恰好由细集料填充[7]。因此，影响级配RAP料强度的一个重要因素便是其级配组成。

1) 级配RAP料级配的初步优化

级配RAP料级配优化的原则：粗骨料形成骨架，保证级配RAP料的强度以及抗变形能力，细集料数量恰好填充于粗集料骨架空隙中且不产生干涉，保证级配RAP料的密实度以及稳定性，还要从施工易于摊铺、压实以及经济性角度考虑优化级配，另外，为了最大限度模拟压实效果，试件均采用振动成型。

级配RAP料级配设计步骤：以干涉理论为基础，进行粗集料级配的设计，使用逐级填充方法使粗集料形成骨架嵌挤结构；再以最大密度曲线理论为基础，进行细集料级配的设计，运用理论计算方法—I法使细集料填充于粗集料骨架空隙之间形成较强的黏聚力；混合料中粗细集料的比例设计，粗集料级配与细集料级配设计结果，采用最大干密度与强度双优化指标优选级配，使设计级配形成强嵌挤骨架密实结构[8]。

① 粗集料级配的确定。以干涉理论为基础，分别采用振动压实法和重型击实法对粗集料进行逐级填充试验，将空隙率最小作为判别指标，来确定粗集料的级配。粗集料分为D1(19.0～31.5 mm)、D2(9.5～19 mm)、D3(4.75～9.5 mm)3种规格。

将D2集料按D1集料用量的 5%逐级递增内掺到D1集料中，进行重型击实以及振动击实试验，试验结果见图3(a)，接着将D3粒径的集料按D1和D2集料总用量的5%逐级递增内掺到D1和D2集料中，进行重型击实以及振动击实试验，试验结果见图3(b)。

图3 逐级填充曲线Fig. 3 Progressively filling curve

由图3(a)可以看出，随着D2掺量的增大，两条曲线都呈现先减小后增大的趋势，说明D2掺量刚开始时能够起到稳定骨架兼密实的作用，使结构空隙率降低，当继续增加D2掺量，D2用量过量，使得D1形成的骨架结构遭受到破坏，故空隙率增大。把空隙率最小作为指标，运用重型击实法和振动压实方法确定的D1∶D2用量比分别为65∶35、70∶30。由图3(b)可以看出，随着D3掺量的增大，两条曲线也都呈现先减小后增大的趋势。同样以空隙率最小为指标，运用重型击实法和振动压实方法确定的D1∶D2∶D3用量比分别为48∶27∶25、50∶20∶30。

② 细集料级配的确定。根据I法计算不同粒径细集料所对应的x值，取I=0.7～0.9，计算不同的I值所对应的细集料的级配，见表9。

表9 I法计算细集料比例Table 9 Fine aggregate ratio calculated by I method

细集料在级配RAP料中主要是填充粗骨料形成骨架空隙，并使粗集料形成具有一定强度的整体。假如级配RAP料粗集料骨架结构相同，那么起填充作用以及黏结作用的细集料的强度，可以间接地反映出整个级配RAP料试件的强度，故此骨架嵌挤结构的稳定性需要细集料有足够的强度来保证。级配RAP料细集料的I值-CBR、I值-抗压强度的关系曲线见图4和图5。由图4可以看出，细集料形成的级配RAP料试件CBR值随着I值的增大呈现出先增大后减小的趋势，并在0.8附近，CBR值出现峰值。由图5可以看出，细集料形成的级配RAP料试件抗压强度随着I值的增大呈抛物线变化，在I值为0.8时出现峰值。综合图4和图5两条曲线，可以得出I值在 0.75～0.85 区间时级配RAP料细集料试件呈现出较强的抗变形能力。因此，I值取 0.75～0.85较为合适。

图4 I 值-CBR 关系图Fig. 4 Relationship between I and CBR

图5 I 值-抗压强度关系图Fig. 5 Relationship between I and compressive strength

③ 粗集料与细集料的比例研究。根据确定出的粗集料级配、细集料级配及粗细集料比例(55∶45、60∶40、65∶35、70∶30、75∶25)拟定级配，并进行不同级配的振动击实试验和CBR试验，具体试验结果见表10，表11。

表10 拟定级配Table 10 Protocol gradation

表11 拟定级配的物理力学特性Table 11 Physical and mechanical properties of the protocol gradation

由表11可以看出，大多数情况下，试件的干密度和强度同步增大，这是因为粗集料在混合料中构成了骨架嵌挤结构，而细集料恰好填充到空隙中，形成了骨架密实结构。但也存在干密度大的试件对应的强度反而小的情况，这是因为混合料中粗集料被细集料包裹，粗集料悬浮于细集料中而不能形成骨架嵌挤结构，混合料空隙率小，故而导致干密度较高，强度反而较低。

④ 初选级配。通过对表11中不同级配的干密度、CBR 强度试验结果对比分析，从中选出10组干密度和CBR 强度两个优化指标均较好的级配，详见表12。

表12 10组初选级配Table 12 10 groups of primary grading

2) 基于振动成型的级配RAP料组成设计

① 集料各筛孔通过率对级配RAP料力学特性的影响规律研究

以级配23为基础研究各规格集料筛孔通过率对级配碎石力学特性的影响规律，并在此基础上，提出基于振动压实的级配RAP料骨架密实推荐级配。19、4.75、2.36、0.6、0.075 mm 筛孔通过率对力学特性的影响特性见图6。由图6(a)～图6(c)可以看出，随着19 mm筛孔通过率的增加，级配RAP料CBR值、抗压强度以及回弹模量的变化趋势均呈抛物线趋势，且峰值均出现在65%附近。综合3条曲线，19 mm 筛孔通过率推荐为60%～68%。由图6(d)～图6(f)可以看出，随着 4.75 mm 筛孔通过率的增加，级配RAP料的CBR值、抗压强度以及回弹模量的变化趋势均呈抛物线趋势，且峰值均出现在35%附近。综合3条曲线，4.75 mm 筛孔通过率推荐为 32%～40%。由图6(g)～图6(i)可以看出，随着 2.36 mm 筛孔通过率的增加，级配RAP料的CBR值呈“S”型变化、抗压强度以及回弹模量均呈抛物线趋势变化，3条曲线峰值均出现在 30%附近。综合3条曲线，2.36 mm 筛孔通过率推荐为 24%～32%。由图6(j)～图6(l)可以看出，随着0.6 mm 筛孔通过率的增加，级配RAP料的CBR值、抗压强度以及回弹模量的变化趋势均呈抛物线趋势，且峰值均出现在17%附近。综合3条曲线，0.6 mm 筛孔通过率推荐为15%～23%。由图6(m)～图6(o)可以看出，随着 0.075 mm 筛孔通过率的增加，级配RAP料的CBR值、抗压强度以及回弹模量的变化趋势均呈抛物线趋势，且峰值均出现在9%附近。综合3条曲线，0.075 mm 筛孔通过率推荐为 6%～10%。

图6 19、4.75、2.36、0.6、0.075 mm 筛孔通过率-力学特性曲线Fig. 6 Relation curve of 19、4.75、2.36、0.6、0.075 mm sieve passing rate and mechanical properties

② 提出基于振动成型的级配RAP料骨架密实级配

依据试验结果(表11、图6)和成型试件的骨架密实情况，推荐出基于振动成型的级配RAP料骨架密实级配，见表13。

表13 基于振动成型提出的骨架密实级配与规范级配对比Table 13 Comparison of standard grading and skeleton dense grading based on vibration molding

由表13可以看出，推荐级配和设计规范级配以及施工规范级配相比，具有“三多一少”的特点，即>0.075 mm的集料、<4.75 mm的集料以及>9.5 mm的集料用量多，4.75～9.5 mm的集料用量少，对比3种级配，笔者提出的骨架密实级配不仅更易于形成强嵌挤力，获得较高的强度，而且级配波动范围小，更易于级配设计的操作。

2.3 纤维种类、尺寸及掺量的研究

长期的实践经验已经证明聚酯纤维、木质素纤维、聚丙烯纤维、矿物纤维及仿钢纤维等，可以作为道路建筑材料的纤维添加剂[9]。由于级配RAP料是散体材料，其密度与纤维密度相差较大，故在路用纤维的选择上除了考虑级配RAP料力学性能的提高，同时纤维能否均匀地分散于级配RAP料中也需要我们重点考虑。

按照常规的方法制备混合料，再加水之前，首先将级配RAP料拌合均匀，然后在加入定量的路用纤维干拌，直到纤维均匀地分布，再添加水进行湿拌。对成型好的试件，无需养生，立即使用路面材料强度仪对其进行劈裂试验。

2.3.1 纤维长度与掺量的选择

试验混合料级配按照推荐级配中值统一设置，采用振动压实成型试件，以劈裂强度作为纤维优化的标准。选择劈裂强度为判别指标，是由于级配RAP料掺加纤维前后，劈裂强度的变化比较大，容易判定[10]。试验时采用的压实度为 98%，为了保证试验的可靠性，每组成型13个试件，变异系数要求不大于 20%。

1) 试验方案

① 纤维种类：本项目拟采用仿钢纤维；

② 尺寸：直径固定，长度选取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 cm，共5个尺寸；

③ 纤维的掺量(质量比)：0、1‰、2‰、3‰、 4‰，共5种掺量；

④ 评价指标：劈裂强度。

2) 纤维掺量和尺寸的确定

试验过程中，课题组首先测定的是不加纤维的级配RAP料的劈裂强度，以空白试件作为基准，然后再进行同一种级配，同一含水量下掺加不同纤维的级配RAP料劈裂强度的平行试验，试验结果见图7。

图7 掺加纤维后的劈裂强度试验结果Fig. 7 Test results of splitting strength after adding fiber

由图7可以看出，较低掺量以及适宜尺寸的纤维类型，对于改善级配RAP料劈裂强度效果良好。随着纤维掺量的增加，劈裂强度随之先增大后减小。尺寸太小或者过长，其劈裂强度提高愈小。从而得出结论，纤维长度为 2.5 cm、掺量为 0.1%的级配RAP劈裂强度增加最大，为不掺加纤维的级配RAP料的 149.6%。据此，以纤维长度2.5 cm，掺量 0.1%优化纤维种类。

2.3.2 纤维种类的确定

根据优化的纤维长度，选取4种满足要求的纤维，以掺量 0.1%进行劈裂试验。

1) 试验方案

① 纤维种类：仿钢纤维、木质素纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、常见普通纤维，一些纤维表面经过特殊处理；

② 尺寸：纤维长度 2.5 cm；

③ 掺量：0，0.1%；

④ 评价指标：劈裂强度。

2) 试验结果，见表14，图8。

表14 不同种类纤维劈裂强度试验结果Table 14 Test results of splitting strength of different kinds of fibers

图8 不同种类纤维劈裂强度对比Fig. 8 Comparison of splitting strength of different kinds of fibers

不同种类的纤维掺入级配级配RAP料后，劈裂强度均有提高，而尤以1号仿钢纤维(PPTF)劈裂强度提高最为显著，其劈裂强度提高50%左右。所以笔者选用仿钢纤维(PPTF)作为级配RAP料的增强纤维。

2.4 最佳含水量、最大干密度的确定

按照笔者提出的基于振动成型的级配RAP料组成设计，通过添加新集料来改善级配，并掺加1‰的仿钢纤维(PPTF)，采用振动成型方式，制备高性能RAP料，同时设置对比组，按照施工规范、设计规范连续级配及设计规范间断级配，制备高性能RAP料试件，确定其最大干密度及最佳含水量，为后续高性能RAP料的路用性能研究埋下伏笔。

选用表15的级配，每个级配选取5个含水量，测定其湿密度，并算出其干密度，试验结果见表16。

表15 试验所选级配Table 15 Selected grading in test

表16 不同级配最佳含水量、最大干密度对比Table 16 Comparison of the optimum water content and the maximum dry density of different gradations

从表16可以看出，笔者提出的骨架密实级配的最大干密度值均高于施工规范和设计规范级配。在最佳含水率下，按98%压实度以推荐级配成型的高性能RAP料试件的最大干密度值约为施工规范级配的1.007倍，设计规范连续级配的1.027倍，设计规范间断级配的1.002倍，表明笔者基于振动成型推荐的级配的确具有良好的密实度。

3 结 论

1) 对不同成型方式下级配RAP料物理、力学特性进行了分析，结果表明使用振动压实的方法更能够代表实际的压实效果，因此室内采用振动成型对高性能RAP料进行配合比设计更为合理。

2) 提出了基于振动成型的高性能RAP料骨架密实级配，采用该级配振动成型的高性能RAP料试件与采用施工规范级配以及设计规范级配成型的高性能RAP料试件相比，物理力学特性更加优良。

3) 对路用纤维种类、尺寸及掺量进行了分析，结果表明纤维长度为 2.5 cm，掺量为1‰的仿钢纤维作为高性能RAP料的增强纤维，劈裂强度提高最为显著。

4) 高性能RAP料作为柔性基层使用，不仅增加了改建道路基层类型，消除了反射裂缝问题，延长了沥青路面使用寿命，同时可以充分利用旧路材料，有着巨大的经济环保效益。

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(责任编辑：谭绪凯)

Mixture Proportion Design of High-Performance RAP Materials

SONG Jinhua，JI Yuping，LIU Zhilei，ZHANG Xuesong，NI Dongxu

(School of Traffic & Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，P.R.China)

Firstly，the physical and mechanical properties of gradation RAP material were compared and analyzed in the vibration compaction and heavy hammer compaction tests; and the method of vibration compaction was ensured to be more representative for the actual compaction effect.Secondly，the particle interference theory was used to optimize the coarse aggregate gradation and the maximum density curve theory I method was used to optimize the fine aggregate gradation.Thirdly，the gradations with excellent physical and mechanical properties were proposed preliminarily by changing the ratio of coarse aggregate and fine aggregate and optimizing the gradation with double optimization index，that is the maximum dry density and strength.On the above basis，the regularity for the influence of the sieve pore passing rate on the mechanical properties of gradation RAP material was further researched.Fourthly，according to the principle of the optimal mechanical properties，the skeleton dense gradation of gradation RAP material was put forward on the base of the vibration molding.Finally，taking the split strength as index，the imitated steel fiber (PPTF) with the length of 2.5 cm and the content of 1 ‰ was proposed to be the reinforcement fiber of high-performance RAP material.

highway engineering; high-performance RAP material; mixture proportion design; the particle interference theory; the maximum density curve theory I method

2016-01-24；

2016-12-26

宋金华(1960—)，男，河北衡水人，教授，主要从事路基路面方面的研究。E-mail：sjhua168@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.06

U416.21

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1674-0696(2017)06-038-10