掺RAP再生水泥混凝土抗碳化性能研究

边 伟 ，李 岩 ，贾嘉豪 ，黄 斐

（1.山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032；2.山西大成高速公路有限公司，山西 忻州 034209）

0 引言

沥青路面是我国高速公路的主要路面型式，在“以养护为主”时期需要及时对沥青路面进行预防性、经常性和周期性养护。在沥青路面养护过程中，必然会产生大量的沥青路面铣刨料（RAP），不仅会占用大量场地，还会污染土壤和环境[1-2]。

RAP再生利用的途径主要有现场冷再生、厂拌冷再生、现场热再生、厂拌热再生等[3-5]，而对于RAP堆存量较小且不适宜就地再生时，将RAP作为天然碎石的替代品用于生产水泥混凝土，就近用于临建工程的硬化场地、中分带封闭层、边沟盖板等附属设施，成为实现RAP高效利用和缓解砂石困境的另一种有效途径。目前，国内外针对采用RAP配制再生水泥混凝土开展了一定的研究工作，但大多偏重于探究RAP对再生水泥混凝土力学性能的影响[6-12]，而对RAP再生水泥混凝土碳化性能、抗冻性能等耐久性能的研究鲜有报道。

鉴于此，本文拟探究RAP用于水泥混凝土的可行性，研究RAP掺量对RAP再生水泥混凝土抗压强度、抗碳化性能的影响规律，从而为RAP再生水泥混凝土的科学利用提供理论依据。

1 试验

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，主要性能及化学组成如表1所示。天然粗集料采用5～20 mm的石灰石碎石，再生粗集料采用由沥青路面铣刨料筛分得到的5～20 mm的铣刨料，粗集料主要性能如表2所示。细集料采用普通河砂，最大粒径4.75 mm，细度模数2.97，堆积密度 1 520 kg/m3，表观密度2 650 kg/m3。玻璃纤维采用山东浩森新材料有限公司生产的耐碱玻璃纤维，长度为12 mm，直径为 12 μm，抗拉强度为2 000 MPa，断裂伸长率为2.45%.减水剂采用粉末状聚羧酸高效减水剂，减水率为26%.

表1 水泥的主要性能及化学组成

表2 粗集料的主要性能

1.2 配合比设计

为了研究RAP掺量对RAP再生水泥混凝土抗碳化性能的影响，分别设计了不同RAP掺量（20%、30%、40%、50%）的再生水泥混凝土配合比，水灰比采用0.5，耐碱玻璃纤维体积掺量为0.2%，并设置普通水泥混凝土作为对照组，具体配合比见表3所示。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

RAP掺量对水泥混凝土抗压强度的影响如图1所示。从图1可以看出，RAP20组～RAP40组再生水泥混凝土的28 d抗压强度分别达到了37.14 MPa、36.38 MPa、32.92 MPa，均满足C30混凝土强度要求；RAP50组再生水泥混凝土的28 d抗压强度为28.87 MPa，达到C25混凝土强度要求。掺入RAP再生水泥混凝土的抗压强度均低于同龄期未掺RAP的普通水泥混凝土，可见掺入RAP会降低水泥混凝土的抗压强度，且RAP掺量越大，水泥混凝土的抗压强度降低越多。

图1 RAP掺量与抗压强度的关系

2.2 碳化深度

RAP掺量对再生水泥混凝土碳化深度的影响如图2所示。可以看出，RAP再生水泥混凝土的碳化深度随着碳化时间的增加而增大，但碳化速率随着碳化时间的增加而减缓。这是因为外界的CO2通过孔隙进入RAP再生水泥混凝土内部与Ca(OH)2发生反应，生成难溶于水的CaCO3；随着碳化时间不断增加，碳化反应不断深入，生成的CaCO3将水泥混凝土内部的一些孔隙填实，因而使得碳化的速率逐渐降低[13]。

图2 RAP掺量对水泥混凝土碳化深度的影响

从图2还可以看出，RAP20～RAP40组的再生水泥混凝土的碳化深度均高于普通水泥混凝土（RAP0组），可见RAP的掺入会降低水泥混凝土的抗碳化性能。随着RAP掺量的增大，RAP再生水泥混凝土的碳化深度也随之增大，可见其抗碳化性能随之降低。这主要是由两方面原因造成：a）RAP粗集料表面有一层沥青膜，沥青的憎水性会导致RAP粗集料与水泥浆体的黏结能力差，会形成薄弱的界面过渡区，CO2会通过此薄弱区进入混凝土内部，且RAP掺量越大薄弱区界面越多，碳化越严重；b）在RAP粗集料中存在许多RAP集料团，而RAP集料团本身是由沥青黏结小集料形成，使得其内部存在许多细小裂缝，CO2会通过此裂隙迅速进入混凝土内部，且RAP掺量越大集料团越多，碳化就越严重。

2.3 碳化模型

从20世纪60年代起，国内外提出了多种混凝土碳化深度计算模型。肖建庄[14]在张誉[15]等人提出的普通混凝土碳化数学模型的基础上引入废水泥混凝土再生粗集料影响因子，并结合国内外众多学者的试验数据拟合回归得到了再生水泥混凝土的碳化数学模型，见式（1）。

式中：Xc为碳化深度，mm；gRC为废水泥混凝土再生粗集料影响系数，掺量为0时取1，掺量为100%时取1.5，中间掺量按线性插入取值；RH为环境相对湿度，取0.7；W为单位体积混凝土的用水量，kg/m3；C为单位体积混凝土的水泥用量，kg/m3；γc为水泥品种修正系数，硅酸盐水泥取1；γHD为水泥水化程度修正系数，28 d养护取0.85；n0为环境CO2体积浓度，取0.2；t为碳化时间，d。

本文采用式（1）模型计算碳化深度，并与试验实测碳化深度进行对比，其结果见表4所示。

表4 RAP再生水泥混凝土碳化深度测试值与计算值 mm

从表4可以看出，RAP再生水泥混凝土碳化深度的计算值均小于实测值，实测值与计算值的比值在1.00～1.14之间，部分实测值超过计算值的10%以上。上述模型是基于废水泥混凝土类再生粗集料改进的，而本研究采用的RAP再生粗集料与废水泥混凝土类再生集料性能差异大，从而造成模型计算值与实测值差异大。

该项目根据碳化深度实际测试值，参考了上述模型，通过拟合回归得到了RAP再生粗集料的影响系数gRAP，即：RAP掺量为 0时，影响系数 gRAP取1；掺量为100%时影响系数gRAP取1.75，中间掺量按线性插入取值。因此，在标准碳化条件下，RAP再生水泥混凝土的碳化模型见式（2）所示。

根据式（2）重新计算RAP再生水泥混凝土碳化深度，根据实测碳化深度与碳化模型绘制RAP再生水泥混凝土碳化预估图，如图3所示。

图3 RAP再生水泥混凝土碳化深度发展趋势

从图3可以看出采用修正的模型计算得到的碳化深度与实测碳化深度相差不大，经计算，实测值与计算值的比值在0.95～1.05之间。根据实测碳化深度与碳化模型绘制RAP再生水泥混凝土碳化预估图，可见改进的碳化模型可以较好地模拟RAP再生水泥混凝土实际碳化情况，实现RAP再生水泥混凝土实际服役环境下碳化发展趋势的预测。

3 结语

本文研究了RAP掺量对RAP再生水泥混凝土的抗压强度和抗碳化性能的影响，得出以下结论：

a）RAP再生水泥混凝土的抗压强度随着RAP掺量的增大而降低；当水灰比为0.5，RAP掺量不高于40%时，RAP再生水泥混凝土的28 d抗压强度可满足C30混凝土强度要求。

b）RAP再生水泥混凝土的碳化深度随着碳化时间的增加而增大，但碳化速率随着碳化时间的增加而减缓。

c）RAP再生水泥混凝土的碳化深度随着RAP掺量的增大而增大，RAP的掺入会降低水泥混凝土的抗碳化性能。