泡沫與乳化瀝青冷再生混合料抗剪性能比較

吳 冰

泡沫瀝青及乳化瀝青混合料均屬于瀝青穩(wěn)定類材料，具有粘彈性特點(diǎn)，對(duì)溫度有一定的敏感性，其抗剪強(qiáng)度和模量都隨溫度升高而急劇下降，永久變形是該類材料的主要破壞模式之一，而抗剪性能是決定路面在重復(fù)荷載作用下能否產(chǎn)生永久變形的關(guān)鍵因素。通過對(duì)各種剪切試驗(yàn)方法的分析，并結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)條件，本文選擇了單軸貫入試驗(yàn)方法。所謂單軸貫入試驗(yàn)，就是在試件上通過一鋼壓頭進(jìn)行加壓，壓頭的直徑小于試件的直徑，利用r/R來表示兩個(gè)物體直徑的比值，r為壓頭的直徑，R為試件的直徑，如果r/R比值足夠小，則其受力狀態(tài)應(yīng)與路面的較為一致，單軸貫入是一種比較合理的瀝青混合料抗剪強(qiáng)度測試方法，一方面其受力模式與路面一致;另一方面試驗(yàn)易操作，設(shè)備簡單，適合工程應(yīng)用。

1 泡沫瀝青冷再生混合料抗剪性能研究

泡沫瀝青冷再生混合料中采用維特根公司的WLB10室內(nèi)瀝青發(fā)泡機(jī)制備泡沫瀝青，選用A，B兩種級(jí)配，A級(jí)配:73.5%RAP+25%石屑+1.5%水泥;B級(jí)配:60%RAP+38.5%石屑+1.5%水泥。瀝青為埃索 AH-70，瀝青用量分別為1.6%，2.0%，2.5%，3.0%。抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)全部采用φ100 mm×100 mm的圓柱體試件，用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀旋轉(zhuǎn)成型。乳化瀝青C級(jí)配，采用PC-55瀝青，瀝青用量分別為1%，2%，3%，4%，5%，1.5%用量的水泥成型試件，養(yǎng)生后對(duì)其進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)。

2 泡沫瀝青與乳化瀝青冷再生混合料抗剪性能的比較

2.1 抗剪強(qiáng)度的比較

選取25℃成型的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件進(jìn)行比較，詳細(xì)結(jié)果見圖1。

從圖1可知，當(dāng)混合料的拌和及成型溫度為25℃，隨著瀝青用量的增加，兩種混合料的抗剪強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯的下降趨勢，其原因在于瀝青用量的增加，導(dǎo)致混合料內(nèi)“潤滑劑”的增多，則降低了集料間的內(nèi)摩阻力，進(jìn)而使混合料的抗剪強(qiáng)度降低。從圖1中還可看出，兩種泡沫瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度均高于乳化瀝青混合料，這與兩種混合料的成型機(jī)理有關(guān)，前者通過瀝青膠漿對(duì)集料的“點(diǎn)焊作用”形成混合料的強(qiáng)度，后者則通過瀝青對(duì)集料的裹覆作用來形成強(qiáng)度，這就使得泡沫瀝青混合料內(nèi)部有更多的“石—石”接觸面，而乳化瀝青混合料中的集料基本被瀝青包裹，只有少量的“石—石”接觸面，更多的情況是在“石—石”接觸面存在著新加入的乳化瀝青膜。在較高的試驗(yàn)溫度(40℃)下，混合料內(nèi)的瀝青發(fā)生一定程度的軟化，對(duì)乳化瀝青混合料而言，集料間的內(nèi)摩阻力降低程度要高于泡沫瀝青混合料;此外，前者粘聚力的下降幅度也大于后者，這兩種作用最終導(dǎo)致乳化瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度低于泡沫瀝青混合料。

2.2 水泥用量對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度的影響

對(duì)級(jí)配A(2.5%泡沫瀝青)及級(jí)配C(4.0%乳化瀝青)混合料在不同水泥用量下的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了比較，試件的成型溫度均為25℃，結(jié)果見圖2。

從圖2可知，水泥用量對(duì)兩種混合料抗剪強(qiáng)度的影響趨勢基本是相同的，當(dāng)水泥用量從0%提高到1.0%時(shí)，混合料的抗剪強(qiáng)度得到大幅提升，當(dāng)繼續(xù)增加水泥用量時(shí)，抗剪強(qiáng)度上升幅度有所減緩。

2.3 養(yǎng)生時(shí)間對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度的影響

為了探求不同養(yǎng)生時(shí)間對(duì)兩種混合料抗剪強(qiáng)度的影響，本文選取了1 d，2 d，3 d，4 d，5 d 5 種養(yǎng)生時(shí)間，乳化瀝青混合料的瀝青用量為4%，泡沫瀝青混合料的瀝青用量為2.5%，水泥用量均為1.5%，試件的成型溫度均為25℃，養(yǎng)生溫度為40℃，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可知，隨著養(yǎng)生時(shí)間的延長，兩種混合料的抗剪強(qiáng)度明顯增大，這是因?yàn)殡S著水分的蒸發(fā)，集料間的內(nèi)摩阻力及集料與瀝青間的粘聚力逐漸增強(qiáng)，因而混合料的抗剪強(qiáng)度也得到提高。但不同的是，泡沫瀝青混合料在養(yǎng)生的第3天基本達(dá)到較高的強(qiáng)度，而乳化瀝青混合料則需要較長的時(shí)間，前者的養(yǎng)生速度要快于后者，這可能跟兩種混合料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不同有關(guān)，前者空隙數(shù)量少、體積大且易連通，后者數(shù)量多、體積小且易封閉，故前者的透水性較好，在高溫下的水分蒸發(fā)速度遠(yuǎn)快于后者，相應(yīng)地，混合料抗剪強(qiáng)度的增長速度也快于后者。

圖1 乳化瀝青與泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度比較

圖2 水泥用量對(duì)兩種混合料抗剪強(qiáng)度的影響

圖3 養(yǎng)生時(shí)間對(duì)兩種混合料抗剪強(qiáng)度的影響（室內(nèi)加速養(yǎng)生）

由于室內(nèi)試驗(yàn)往往采取加速養(yǎng)生的方法，并不能完全模擬實(shí)際施工的冷再生材料的水分散失及強(qiáng)度增長速度。本次試驗(yàn)中，試件需置于40℃鼓風(fēng)烘箱中進(jìn)行養(yǎng)生，一方面風(fēng)及烘箱的溫度加速了試件的養(yǎng)生;另一方面，由于試件較小，其上、下及側(cè)面均與烘箱中的熱空氣接觸，得到了非常充分的養(yǎng)生，這是現(xiàn)場材料完全不可能實(shí)現(xiàn)的，因而室內(nèi)養(yǎng)生并不能完全顯示兩種冷再生混合料的養(yǎng)生過程。在廣東河惠高速公路改造工程中，采用了泡沫瀝青及乳化瀝青兩種冷再生施工工藝，并現(xiàn)場對(duì)兩種材料的水分散失速度進(jìn)行實(shí)際測量，具體結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，對(duì)乳化瀝青冷再生基層而言，在施工結(jié)束第7天時(shí)，其含水量為1.5%，低于2%;對(duì)泡沫瀝青冷再生基層而言，在施工結(jié)束第3天時(shí)，其含水量已非常接近2%。蘇小萍等也認(rèn)為通常在高溫季節(jié)，經(jīng)過一周左右的養(yǎng)生，泡沫瀝青再生基層的強(qiáng)度能達(dá)到80%～90%以上，乳化瀝青的強(qiáng)度也能達(dá)到60%～70%以上。這也驗(yàn)證了上面的推測，更進(jìn)一步的說明了與乳化瀝青冷再生層相比，泡沫瀝青冷再生層在養(yǎng)生速度上具有一定的優(yōu)勢。

圖4 養(yǎng)生時(shí)間對(duì)兩種混合料抗剪強(qiáng)度的影響（現(xiàn)場實(shí)際養(yǎng)生）

2.4 試驗(yàn)溫度對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度的影響

乳化瀝青混合料選用3%，4%，5%三種瀝青用量和1.5%用量的水泥成型試件，泡沫瀝青混合料選用1.6%，2.0%，2.5%，3.0%四種瀝青用量和1.5%用量的水泥，養(yǎng)生后對(duì)其進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為40℃，60℃，具體的試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 試驗(yàn)溫度對(duì)兩種混合料抗剪強(qiáng)度的影響

從圖5可以看出，隨著試驗(yàn)溫度的升高，兩種混合料的抗剪強(qiáng)度均出現(xiàn)下降的趨勢，兩種混合料在60℃的抗剪強(qiáng)度是它們?cè)?0℃時(shí)的50%左右，兩者下降幅度基本相同。

3 結(jié)語

從以上的分析中可知，泡沫瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度要強(qiáng)于乳化瀝青混合料，這是由二者的成型機(jī)理決定的。此外，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)地測量發(fā)現(xiàn)，前者的養(yǎng)生速度也快于后者，但由于室內(nèi)試驗(yàn)采取加速養(yǎng)生的辦法，并不能完全描述二者的實(shí)際養(yǎng)生狀況。在實(shí)際的冷再生施工中，鑒于泡沫瀝青冷再生混合料的抗剪強(qiáng)度更高且增長速度更快，建議在冷再生上覆層較薄、交通量較大及重載車輛較多、要求盡早開放交通的路面結(jié)構(gòu)中優(yōu)先選用泡沫瀝青混合料。但是，必須注意的是，盡管冷再生混合料的抗剪性能受到越來越多的關(guān)注，在當(dāng)前的各種設(shè)計(jì)方法中，間接抗拉強(qiáng)度及水穩(wěn)性仍然是混合料的主要控制指標(biāo)，因此，需在混合料的抗拉強(qiáng)度及水穩(wěn)性滿足要求的前提下，盡量選擇抗剪性能更優(yōu)的混合料。

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