再生沥青路面集料回弹模量与水分的相关性研究

杨柳

作者简介：

杨 柳（1982—），助理工程师，研究方向：土木工程。

摘要：文章通过室内三轴试验对不同RAP含量和含水率的材料进行弹性模量的测定，得到含水率对RAP基层材料弹性模量的影响，并与相同条件下的天然粗集料的相关性能进行了对比分析。

关键词：天然集料;最优含水率;弹性模量;再生沥青路面集料

中国分类号：U416.03A080274

0 引言

在工程实际中，路面材料的循环利用逐渐成为公路交通行业节能减排的工作重点，有利于提升公路交通的质量和效率，减少能源浪费。目前天然集料的开挖和采集的难度越来越大，使用成本逐年提高，且大量废弃的路面很大程度上造成能源的浪费。再生沥青路面集料（RAP）作为一种新型的材料，逐渐被用于作为替代路面结构的基层材料。为研究再生沥青路面集料作为路面结构天然集料替代品的适用性，研究人员进行了大量的研究工作，对其性能进行表征。

再生沥青路面集料是一种经过碾磨、筛分、粉碎后循环加工利用的材料，由涂有沥青的高质量、级配良好的集料组成。在实际工程中，老旧道路基础设施往往需要修复或完全更换，这意味着RAP材料越来越容易获取。加之现有的天然集料越来越难以获取，施工成本也越来越高，再生沥青路面集料作为路面结构天然集料替代品具有极大的发展前景。RAP的使用节约了能源，降低了获得优质天然集料所需的运输成本，这些因素带来了经济效益和环境效益，符合当今建设资源节约型、环境友好型工程环境的要求。

RAP这种材料被广泛用于路面结构的沥青混凝土层，其最常用来作为再生沥青路面的集料和天然沥青粘合剂的替代品。尽管目前这种材料已经在沥青混凝土中得到了广泛的应用，但一些地区的RAP库存仍在不断增长，因此，需要考虑开发其他用途，如应用在颗粒基层中。但目前RAP材料仅由少数道路管理部门使用，其作为基层材料的可行性在力学性能方面与天然集料相比，仍存在较大的差异。

研究人员指出，RAP含量为100%的試件与密实级配天然集料试件相比，刚度、弹性模量较高，但抗剪强度较低，初步检验RAP在工程实际中的应用效果后得出结论：RAP含量为100%的产品质量不能得到保障[1]。随着研究的深入，将天然集料与RAP混合，作为一种折衷方案，可以达到预期的力学性能和工程质量。目前关于在路面基层中允许使用RAP的比例及其在基层中使用的适用性鲜有报道，对RAP材料的强度和其他力学性能的研究还不够充分，缺乏翔实的试验数据。其中RAP的弹性模量是一[JP]种能反映多方面性能的指标，可以更全面地定义无粘结基层材料的结构特性，为路面设计和分析提供依据，通过对RAP试件弹性模量的测试来表征基层材料的刚度和弹性响应。影响RAP弹性模量的两个因素包括应力状态和材料的含水率[2]，其中，含水率和弹性模量的关系是一个重要的研究领域，通过对两者关系的研究能够清楚了解材料在各种条件下的性能，并对其使用寿命有一个清楚的认知。

文献[3]关于RAP材料性能的试验表明，当试件的含水率为最优含水率的65%时，试件强度比最优含水率的试件强度更高。文献[4]研究了在最优含水率的情况下，含水率对RAP含量分别为50%和100%的材料的影响，并对高于和低于最优含水率的试件进行有限元模型分析，以确定含水率对RAP材料性能的影响。目前关于RAP弹性模量的大多数研究集中于含水率的测试上，然而，这可能导致对这种材料含水率变化相关性做出错误假设。因此，有必要对再生沥青路面集料弹性模量与含水率的相关性进行进一步研究以得到更为准确、翔实的数据。基于以上分析，本文旨在研究含水率对含RAP基材弹性模量的影响，同时还将RAP材料的性能与天然集料进行对比分析，具体内容如下。

1 试验材料

1.1 材料类型

本次试验研究采用三种试验材料，分别为RAP材料、天然集料以及RAP和天然集料按照各自50%的比例掺和得到的混合材料。试验中所用的RAP材料是从废弃高速公路收集得到的，通过对材料进行移除、筛分和打磨使之适用于试验研究。同时，天然集料是沿着同一公路项目的新路段收集得到的级配良好的破碎骨料。

1.2 材料性能

试验中对上述三种材料进行筛分分析，级配曲线如图1所示。RAP和天然集料按统一土壤分类系统归类为级配良好的砾石，如表1所示。根据土壤分类体系，所有颗粒材料均被归类为A-1-[HTSS]a类。

1.3 最优含水率

为了确定上述材料的最优含水率，对样品采用《公路土工试验规程》（JTG E40-2019）标准进行击实试验。压实模具尺寸为高度120 mm、直径150 mm。锤子重量约4.5 kg，从高处落下，落下距离为457 mm。根据相关标准，将物料分5层分别压实，每层分布56个锤头。

同时，为确定材料的含水率和干密度之间的对应关系，对三种材料分别在不同含水率下进行压实，各材料含水率与密度的关系如图2所示。RAP材料的最优含水率为4.1%，最大干密度为2 079 kg/m3;RAP和天然集料混合料的最优含水率为5.9%，最大干密度为2 225 kg/m3;天然集料的最优含水率为5.5%，最大干密度为2 245 kg/m3。由于在试验过程中RAP材料的压实比较困难，RAP的部分水分会保留在模具中，因此RAP材料获得的干密度较小，为天然集料的93%。

2 研究方法

本文在研究时制备了40个不同含水率、不同材料的试样，初步测试了材料类型及其含水率对材料弹性模量的影响。制备的RAP材料的最优含水率分别为OMC-2%、OMC-1%、OMC、OMC+1%和OMC+2%。对于天然集料，分别在OMC-2%、OMC-1%、OMC、OMC+1%下制备。对于天然集料和RAP混合的材料，分别在OMC-2%、OMC-1%、OMC、OMC+1%下制备试件。对RAP材料与天然集料试件进行弹性模量的比较，以确定材料在道路基层中的适用性。试件制备后立即进行测试，以确保含水率的准确性。

2.1 样品制备

将待测材料干燥后，加入适量的水，使其含水率达到要求，并充分揉搓使水与材料充分混合。将混合好的材料放置12～14 h，使其固化。随后用振动锤在模具中对材料进行压实。制备的样品被包裹在模具的底部和顶部的多孔石板中。将每一个升降机压实到计算高度后，用刮刀在升降机的上表面划痕。制备的试件最终尺寸为直径150 mm，高度300～305 mm。

2.2 试件测试

对RAP材料和天然集料制备的试件进行磁共振测试。将制备好的试件从分模中取出，确保橡胶膜完好无损，然后放入三轴试验机中。在测试过程中，在试件上放置两个外部线性变量传感器来测量轴向变形，弹性模量取两个线性变量传感器的平均值。

基层材料的初始加载围压为103.4 [HTSS]kPa，竖向应力为103.4 [HTSS]kPa。根据标准，测试周期的其余部分由15个负载序列组成。每个序列的负载是一个持续时间为0.1 s和0.9 s的负载脉冲。每个序列总共执行100个循环，最后5个循环用于确定弹性模量。

3 测试结果及分析

含水率对弹性模量的影响如图3～5所示，绘制三种材料的弹性模量与围压状态的关系图，以反映应力状态对弹性模量的影响。如下页图6所示是轴向应力对围压的影响的关系图。如表2所示给出了不同材料在OMC和68.9 [HTSS]kPa、137 [HTSS]kPa围压下的变异系数（COV），其中COV=标准差/平均值×100。

從图3可以看出，天然集料试件的含水率受围压增加的影响不大。在图4中，RAP含量为100%的试件含水率受围压的影响更为明显，不同含水率的试件随着围压的增大存在明显的差异。这表明，随着含水率的增加，RAP含量为100%的试件趋于饱和，弹性模量受含水率的影响很大。在研究RAP集料弹性模量与含水率相关性时，RAP与天然集料混合时的试件与天然集料的试件在围压对弹性模量和含水率的影响方面结果类似。

图3～5的结果表明，RAP材料的弹性模量值和RAP与天然集料混合的试件相比，混合试件在OMC时弹性模量增加的值是相同的。RAP材料在OMC-2%处的模量最大，最大围压为137.9 [HTSS]kPa时，弹性模量超过300 [HTSS]MPa。RAP材料的COV在围压增大时最低，且始终低于天然集料。图6说明了在围压增加的情况下，增加的模量几乎完全来自于施加在材料上的偏差（轴向）应力的增加。随着偏应力的增加，试件的弹性模量逐渐增加，这是由于随着偏压力的增加，试件内部结构更加致密，使得其刚度和弹性模量较大。同样，对于相同的围压，弹性模量值随偏应力的增加而增加，这是由于材料受到较高的轴向载荷时，因受到挤压而表现出整体硬化，使得轴向应变较低。

4 结语

本文研究了含水率对含RAP基层材料弹性模量的影响，并与天然集料进行了直接比较。试验结果表明，与天然集料相比，纯RAP材料在不同围压下的弹性模量值均偏高，RAP材料在OMC+2%时弹性模量值降低，表明弹性模量与含水率有一定的相关性，但这需要在未来的研究中与其他OMC+2%材料进行比较。此外，在OMC-2%处，RAP材料的强度随着围压的增加而增加，这可能表明随着材料受到更密集的约束，集料之间的粘聚力增加。在目前的研究中，RAP材料的模量值与在OMC及以下天然集料的弹性模量值相比基本一致甚至有所增加。再生沥青路面集料能在一定程度上代替天然集料，具有广阔的应用前景，在工程实际中能够带来客观的经济效益和环境效益。本研究对工程实际具有一定的指导和参考意义。

参考文献：

[1]仇银吉.沥青路面再生技术的研究与应用[D].济南：山东大学，2013.

[2]郑其华，晏 杉.水泥稳定就地冷再生工艺在公路养护中的应用研究[J].公路交通科技（应用技术版），2010，68（8）：48-51.

[3]范春娇.沥青路面就地冷再生技术研究[D].西安：长安大学，2008.

[4]王学文，徐志祥.高速公路就地热再生沥青路面抗滑性能衰减规律及原因分析[J].福建交通科技，2020（6）：42-45.

[5]马 辉，茅 荃，李 宁.沥青路面厂拌热再生RAP料掺量影响因素分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2020，39（9）：97-104.

[6]王俊华.高速公路沥青路面冷再生技术应用[J].中国公路，2020（12）：102-103.

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