1. 引言
固废资源化利用是当前热门的研究领域，国内外学者开展了大量在混凝土中加入回收材料的可行性[1]-[7]研究。沥青路面尤其是早期修建的沥青路面存在大量的结构性失效问题，在沥青路面的翻新、改造、扩建等过程中，再生沥青及再生沥青骨料作为固废在资源化利用方面具有重大潜力。如果能够将再生沥青骨料成功替代水泥混凝土骨料，则能够解决大宗固废堆积场地、高质量天然骨料短缺、长距离运输成本增加等问题，具有显著的社会经济效益。
已有研究表明在水泥混凝土中使用再生沥青骨料代替传统骨料具有可行性[8]-[15]。用再生沥青骨料替代相对少量的骨料只会导致强度的轻微下降，而且这种替代实际上可能会增强工作性。为了最大化社会经济效益，最好使用大比例的再生沥青骨料来代替水泥混凝土中的骨料。这些研究也表明，在混凝土中添加再生沥青骨料会降低混凝土的抗压和抗拉强度以及弹性模量。这些性能随着掺入再生沥青骨料百分比的增加而降低。此外，再生沥青骨料的加入会导致混凝土和易性的降低，这可能是因为再生沥青骨料与水泥浆体之间的附着力较弱。
再生骨料本身的颗粒性能及附着的老化沥青对混凝土的力学性能和耐久性产生重要影响，相比天然骨料，再生沥青骨料的吸水率较高、密度较低，且由于沥青层的存在，再生骨料的表面特性与水泥浆体结合能力较弱，导致骨料周围一定程度上缺少水，造成水泥混凝土性能的降低[16]。由于界面过渡区受再生沥青骨料大小的影响，本文研究两种不同类型的水泥混凝土性能，一种是细骨料的替换率高达100%，另一种是细骨料和粗骨料都被替换，但替换比例较小。评价了新拌混凝土和硬化后混凝土的坍落度、含气量、比重、抗压强度、弹性模量等指标，为了使研究结果更有说服力，对11种混凝土的每一种都制作了9个样本。
2. 实验方法及材料
2.1. 材料基本指标
本文共配制了11种水泥混凝土，包括对照组。对照配合比为水泥:水:砂:粗骨料 = 1.0:0.45:1.2:2.0，平均28天抗压强度为34 MPa。采用I/II型波特兰水泥，细骨料比重为2.7，细度模量为2.8，粗集料比重为2.65，最大集料粒径为13 mm，所使用的再生沥青最大骨料粒径也为13 mm。再生沥青骨料的物理力学性能如表1所示。
Table 1. Index of recycled asphalt aggregate
表1. 再生沥青骨料指标
指标 |
|
密度 |
2150 kg/m3 |
含水率 |
5% |
沥青含量 |
5.1% |
用全再生沥青骨料(粗、细)代替全天然骨料，重量百分比分别为5%、7.5%、10%、12.5%和15%。用细再生沥青骨料(过2.36 mm筛)代替天然细骨料质量百分比为20%、40%、60%、80%和100%。在水泥混凝土中不使用外加剂。对照组水泥混凝土中使用的材料比例详见表2，粗集料的级配如图1所示。
Table 2. Components of control group
表2. 对照组组分配合比
成分 |
比例 |
水 |
0.45 |
水泥 |
1 |
粗集料 |
2 |
细集料 |
1.2 |
Figure 1. Gradation curve of coarse aggregate
图1. 粗集料级配
再生沥青骨料和天然骨料最初均通过(12.7 mm, 9.5 mm, 4.75 mm, 2.36 mm, 2.00 mm, 0.60 mm, 0.42 mm, 0.3 mm, 0.15 mm, 0.075 mm)筛子进行筛分，计算每个筛子的筛余量，再根据筛余量实现再生沥青骨料对天然骨料的替代。
在文章后续分析中，F.RAP代表只替换细骨料的实验组，W.RAP代表粗、细骨料都有被替换的实验组。
2.2. 试件制备
根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420-2020)制作并养护试件，分别为W.RAP重量百分比分别为5%、7.5%、10%、12.5%和15%，F.RAP质量百分比为20%、40%、60%、80%和100%，以及常规水泥混凝土对照组，共11种工况，每种工况制作9个试件，共99个试件，试件尺寸为100*200 mm圆柱体，制作及养生过程均按照规范执行，24小时脱模，养护7天后进行试验测试。
3. 结果及分析
3.1. 和易性
再生沥青骨料掺量对混凝土坍落度和含气量的影响见表3。
Table 3. Slump and percentage air content of cement concrete under different working conditions
表3. 不同工况条件下水泥混凝土坍落度和含气量
组别(再生沥青骨料比例) |
坍落度 |
含气量(%) |
对照组(0.0%) |
164 |
1.7 |
W.RAP (5.0%) |
128 |
2.1 |
W.RAP (7.5%) |
93 |
2.2 |
W.RAP (10.0%) |
125 |
2.0 |
W.RAP (12.5%) |
116 |
2.4 |
W.RAP (15.0%) |
143 |
2.6 |
F.RAP (20.0%) |
97 |
2.2 |
F.RAP (40.0%) |
91 |
2.6 |
F.RAP (60.0%) |
88 |
3.2 |
F.RAP (80.0%) |
86 |
4.0 |
F.RAP (100.0%) |
84 |
4.2 |
如表3所示，对照组的坍落度最大，其余10组的坍落度均小于对照组，这表明再生沥青骨料的加入会导致水泥混凝土坍落度的降低，这与其他研究人员使用其他再生产品的研究结果相似，如：钢渣粉[17]、轮胎碎片[6] [7]等。从表3中可以看出，F.RAP的混凝土坍落度随着细再生沥青骨料比例的增加而下降。W.RAP的混凝土坍落度均低于对照组混凝土，这很可能是由于沥青粘结剂的高粘度和沥青含量可能影响水泥浆体中水的均匀分散程度。
虽然统计上11个单一混凝土批次的样本不足以得出有说服力的结论，但从数据上看，细沥青再生骨料比粗骨料更倾向于降低混凝土和易性。在普通混凝土中，细骨料位于大骨料之间，从而减少摩擦，起到润滑剂的作用，同时改善和易性。从理论上讲，在添加再生沥青骨料的混凝土中也应该发生同样的情况，值得注意的是，即使使用相对少量的再生沥青骨料也会对混凝土和易性产生相当大的影响。普通混凝土的和易性取决于骨料级配和水灰比，在试验过程中，无论再生沥青骨料添加量多少，每批次的水灰比均保持不变，级配完全相同。那么造成这种现象可能的原因是由于细集料具有较高的比表面积，其沥青含量较高，导致水在再生集料附近的分布较少，从而降低了和易性。
尽管加入再生沥青骨料后混凝土坍落度降低了，但在所有试验工况下，坍落度均满足规范要求，不影响正常使用。
由表3中可以看出，在掺有再生沥青骨料的混凝土中，空气含量随再生沥青骨料用量的增加而增加，且再生沥青骨料的添加比例与空气含量之间存在一定的相关性。这一结果与已有研究所得结论类似，如橡胶颗粒增加了橡胶颗粒混凝土中的空气含量[6] [7]。在试验流程、试验设备等条件均相同的情况下，导致这一现象的原因可能是沥青再生骨料的加入影响了骨料与水泥接触区域，同时再生沥青骨料很可能是夹带空气的，导致混凝土压实能力降低，造成含气量增加。
3.2. 密度
每个硬化混凝土密度测量结果见图2，可以看出，添加再生沥青骨料对混凝土的密度没有实质性影响。当高百分比的细再生沥青骨料加入时，混凝土密度略有下降，但即使在100%的细再生沥青骨料组中，密度也只下降了4%，这种小的变化是因为天然骨料和再生沥青骨料密度之间的差异相对较小。
Figure 2. Concrete density for different content W.RAP and F.RAP mixtures
图2. 不同替换条件下混凝土密度
3.3. 弹性模量
不同替换条件下测得的混凝土弹性模量如图3所示。可以看出，当使用W.RAP替换时，弹性模量与对照组没有显著差异，但当使用F.RAP时，弹性模量则表现出较为明显的下降趋势，尤其在添加F.RAP超过60%时导致弹性模量显著下降。实际上，在100% F.RAP替换的情况下，弹性模量相比对照组下降了15%，在80% F.RAP替换时，弹性模量仅下降了12%，这一下降幅度一般不会对弹性模量指标产生质的影响。
Figure 3. Modulus of elasticity for different content W.RAP and F.RAP mixtures
图3. 不同替换条件下混凝土弹性模量
3.4. 抗压强度
所有试验组混凝土的最大抗压强度和最大破坏应变如图4所示，可以看出，无论是W.RAP组还是F.RAP组，抗压强度均随再生沥青骨料含量的增加而降低。相反，最大破坏应变表现出相反的趋势，随再生沥青骨料含量的增加而增大，与对照组混凝土相比，100% F.RAP在失效时的应变高出20%。
Figure 4. Average compressive strength and strain at failure for different mixtures
图4. 不同替换条件下混凝土抗压强度和最大应变
这一现象的原因是再生沥青骨料与水、水泥的结合程度不是非常理想，导致再生沥青骨料周围存在非常细微的孔隙，这些孔隙的存在可能会影响混凝土在受力破坏时裂纹的扩展路径，使其比正常的水泥混凝土更长。根据线弹性断裂力学理论，裂纹尖端处的应力集中是裂纹扩展的驱动力。再生沥青骨料混凝土中存在的细微孔隙会使应力集中现象加剧，从而加快裂纹的起始和传播。但由于再生沥青骨料周围孔隙和弱界面的复杂分布，裂纹的扩展路径往往不再是直线型，而是沿着孔隙和弱界面曲折前行。这种裂纹扩展的非线性路径增加了断裂过程中能量的消耗，延长了裂纹的发展过程，因此使得混凝土表现出更好的延性，同时也削弱了材料的整体刚度和抗压强度，即较长的裂纹扩展路径降低了抗压强度和弹性模量，但增加了延性。
4. 结语
对废旧沥青路面材料的回收利用具有较高的社会经济效益，本文通过对再生沥青骨料替代天然骨料的水泥混凝土进行了系列试验研究，为再生沥青骨料在水泥混凝土中的应用提供了参考。所得结论如下。
1) 使用再生沥青骨料会降低水泥混凝土的坍落度，但本研究中所有替换比例的混凝土坍落度均满足正常使用条件。
2) 含再生沥青骨料的混凝土含气量随再生沥青骨料含量的增加成比例增加。相比于W.RAP，F.RAP在这一点的表现更为明显，含气量的增加与再生沥青骨料的表面积成正比。
3) 再生沥青骨料对混凝土的密度基本无影响。
4) 再生沥青骨料会降低混凝土的弹性模量和抗压强度。当只替换细骨料时，这种下降情况更为明显，可以推断，抗压强度和弹性模量的降低与替代骨料的表面积有关。
5) 即使将100%细骨料替换为再生沥青骨料，其7天抗压强度约为24 MPa，在较小替换比例条件下，7天抗压强度高于30 MPa。