沥青路面铣刨料再生水泥混凝土力学性能研究

何东坡 宫笑颖 于晓坤

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

1 概述

我国仅干线公路大中修工程每年就产生沥青路面旧料1.6×109[1]。目前回收沥青路面铣刨料再生利用的主要用途为再生沥青路面及路面基层。在已有针对各种混凝土再生的研究中,为拓展RAP应用途径、解决RAP利用率低的问题，谭忆秋[2]提出应用Superpave体积法设计冷再生沥青混合料，为RAP的拓展应用提供理论思路。

在再生水泥混凝土的研究中，为提升再生水泥混凝土强度，邹燕、曹大富[3]采用聚乙烯醇与水玻璃以1∶1比例配制成不同浓度的强化液,探究强化改性对再生骨料吸水率和压碎值的影响；杨利香等[4]研究了骨料级配、水灰比、砂率、设计孔隙率、胶骨比等因素对再生骨料透水混凝土透水系数、抗压强度与弯拉强度的影响，并提出建议；郭朝强[5]通过向再生骨料混凝土砌块中添加经不同种类硅烷偶联剂改性的农作物秸秆纤维,制备改性秸秆纤维增强再生骨料砌块强度。

在解决RAP应用于水泥混凝土再生强度下降的问题上，吕少伟等[6]提出细集料在沥青的包裹下与水泥砂浆的接触面积减小，可以通过破碎增加接触面积以提升强度；Baoshan Huang[7]提出CRAP应用于水泥混凝土，沥青膜的存在提升了混凝土的韧性；Christos G.Papakonstantinou[8]将RAP直接破碎筛分掺入水泥混凝土充当粗细集料的一部分时，提出质量相等的粗细集料单独掺入，粗集料单掺的抗压强度要大于细集料单掺；Surender Singh[9]通过应用破碎装置对RAP进行破碎清洗通过增加RAP集料与水泥砂浆的接触面积从而提升强度。

本研究尝试将RAP粗集料掺入水泥混凝土充当骨料，考虑采用RAP材料的水泥混凝土强度低，不能满足承重要求，尝试应用于路缘石、边坡防护砌块等非承重构件或制品中。

2 试验原材料

本项目依托哈同高速宾县至方正段大修工程，再生沥青路面铣刨料原级配为AC-16，实测油石比4.3。将改建工程中废弃沥青路面铣刨料破碎筛分取4.75 mm以上粒径的粗集料备用。

试验采用P.O42.5级硅酸盐水泥；砂为天然砂砾，细度模数为3.0；天然粗骨料为粒径范围于5 mm～31.5 mm间的碎石。试验粗骨料基本物理性能试验结果见表1。

表1 骨料基本物理性能

3 正交试验

为找出并调整抗压强度关键影响因素，本文选取水灰比、砂率、CRAP掺入方式三项因素，建立三因素三水平正交试验。

3.1 正交试验设计

本试验设计强度C30，依据JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程规定，由计算得混凝土水胶比为0.54，调整出±4%水平；砂率34%，调整出±3%水平。

为确定CRAP掺入方式对混凝土强度的影响，在集料掺入方式上，设计级配曲线满足水泥混凝土粗集料上下级配曲线的同时，使4.75 mm～9.5 mm,9.5 mm～16 mm,16 mm～19 mm三档集料掺加比例为1∶1∶1，各自均占粗集料的15%，其余两档粗集料三种掺入方式一样均采用35%粒径19 mm～26.5 mm碎石，采用25% 26.5 mm～31.5 mm碎石，可以明确CRAP掺入方式如表2所示，为方便表述记为110，011和101，正交试验因素水平表如表3所示。

表3 正交试验因素水平表

表2 CRAP掺入方式表

混凝土设计坍落度(15±5)cm，以7 d及28 d抗压强度值为正交试验极差分析基础。由粗集料粒径范围5 mm～31.5 mm，抗压强度试验试件采用标准立方体试件(150 mm×150 mm×150 mm)，每组6个试件，养护龄期为7 d和28 d。级配曲线如图1所示，试验方案如表2,表4所示。

表4 正交试验方案

3.2 正交试验结果分析

由JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程进行抗压强度试验，所得结果如表3所示。依据表4计算得极差分析表见表5。

表5 抗压强度极差分析表

Ki表示任一列上水平号为i时，所对应的试验结果之和；ki=Ki/s，其中s为任一列上各水平出现的次数；R(极差)在任一列上R=max{K1,K2,K3}-min{K1,K2,K3}，或R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}。

由极差R的大小可以初步比较出关键影响因素的次序，利用数据分析软件SPSS进一步进行三主效应即水胶比、砂率、集料掺入方式对7 d以及28 d立方体抗压强度单因素影响的显著性检验，检验结果如表6，表7所示。

表6 抗压强度7 d的主体效应检验

表7 抗压强度28 d的主体效应检验

由以上显著性检验F值或显著性数值可得出结论：在以7 d抗压强度为唯一因变量的情况下，三因素对强度影响次序为：水胶比>砂率>集料掺入方式；在以28 d抗压强度为唯一因变量时，影响次序为：水胶比>集料掺入方式>砂率；且无论是以7 d或28 d抗压强度为唯一因变量，水胶比对CRAP—水泥混凝土的立方体抗压强度的影响显著性均远远大于砂率和集料掺入方式，因此当CRAP掺量不大于30%时，对强度影响关键因素水胶比进行调整，是可以通过调整水灰比使最终抗压强度达到设计强度的。

应用SPSS进行显著性检验已明确关键因素后，利用SPSS输出以28 d立方体抗压强度估算值的轮廓图，如图2所示。

由图2可以明确每组因素图像最上端的线即为最佳配合比。选择最佳水灰比为0.50；最佳砂率31%，考虑设计坍落度以及实际拌合操作的和易性，砂率选定34%，正交试验最优组合A1B2C1。

4 力学性能试验结果与分析

正交试验阶段，设计强度C30的CRAP—水泥混凝土的CRAP掺入量为粗集料的30%，在确定水灰比0.5、砂率34%的基础上，设计强度C30的混凝土逐渐提高CRAP的掺量到60%，进行CRAP—水泥混凝土力学性能试验，探究CRAP掺量与混凝土各项强度的关系。

参照JTG E30—2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[10]，以CRAP含量30%，40%，50%，60%为唯一变量进行立方体抗压、抗折、劈裂抗拉强度试验。抗压强度和劈裂抗拉强度试验试件采用标准立方体试件(150 mm×150 mm×150 mm)，每组12个试件，养护龄期为7 d和28 d；抗折强度试验试件采用非标准立方体试件(100 mm×100 mm×400 mm)，每组6个试件，养护龄期为7 d和28 d。四种掺量的混凝土强度试验结果如图3～图6所示。

CRAP掺量为30%时，28 d立方体抗压强度仍能达到设计要求；当CRAP掺量增加至60%，抗压强度只能达到设计强度的60%即24 MPa。由28 d抗压强度图像的二次函数趋势线反推出满足设计强度30 MPa的CRAP最大掺量为14.74%。

CRAP的掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响呈消极趋势，但实验结果表明CRAP掺量增加至60%，混凝土劈裂抗拉强度可以达到设计抗压强度的1/10～1/20之间。

受表面沥青层的存在的影响，粗细集料嵌挤结合情况不好，试件断面有明显的较大气孔结构，如图6所示，因此混凝土的抗折强度下降明显，当CRAP掺量达30%时，抗折强度已经达不到标准值4.5 MPa。

5 结论

基于含CRAP 30%的CRAP—水泥混凝土配合比正交试验下选定最佳砂率、水灰比的基础上进行含CRAP 60%的CRAP—水泥混凝土力学性能试验的结果和研究，可以得出以下结论：

1)在众多影响CRAP—水泥混凝土强度的因素之中，水灰比与CRAP掺量对强度影响的显著性是大于砂率以及集料掺入方式的。从实验数据上来看，在CRAP掺量不大于30%时，通过调整水灰比使CRAP—水泥混凝土的强度达设计强度具备可操作性。2)随着CRAP掺量的提高，混凝土的力学性能的下降是全方位的，当CRAP掺量达到40%时，混凝土的抗压强度与抗折强度均已达不到标准值。3)CRAP的掺入对抗折性能影响尤为明显，当掺量达到30%，抗折强度已经达不到4.5 MPa。4)CRAP—水泥混凝土的早期强度增长缓慢，7 d立方体抗压强度往往达不到28 d抗压强度75%，一般在61%～70%；当CRAP掺量增加至60%，C30混凝土的最终强度只能达到设计强度的60%即24 MPa。由28 d抗压强度图像的二次函数趋势线反推出满足设计强度30 MPa的CRAP最大掺量为14.74%。