外加材料對(duì)乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響

杜少文

（長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064）

乳化瀝青冷再生技術(shù)能最大限度利用舊瀝青路面回收材料（簡(jiǎn)稱RAP），明顯降低道路維修費(fèi)用，減少舊料廢棄，保護(hù)環(huán)境，因此在國(guó)內(nèi)外路面結(jié)構(gòu)修復(fù)中被廣泛應(yīng)用.但是，乳化瀝青冷再生混合料（以下簡(jiǎn)稱為再生混合料）早期強(qiáng)度較低，強(qiáng)度發(fā)展緩慢，再生后的路面短期容易產(chǎn)生嚴(yán)重的車轍和水損壞，大大降低了再生路面的服務(wù)壽命.相關(guān)研究［1－3］表明，采用水泥（C）或者消石灰（L）等無(wú)機(jī)膠凝材料能夠提高再生混合料早期強(qiáng)度、水穩(wěn)定性，但是這些研究較少評(píng)價(jià)不同性質(zhì)外加材料對(duì)再生混合料性能改善作用的差異，以及它們對(duì)再生混合料強(qiáng)度的改善機(jī)理.本文通過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比了水泥、消石灰和消石灰礦渣粉（LS）這3種性質(zhì)差異較大的外加材料對(duì)再生混合料強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性和疲勞性能的影響，同時(shí)采用掃描電鏡觀察摻水泥再生混合料中新舊膠漿界面的黏結(jié)和斷裂，分析外加材料對(duì)再生混合料強(qiáng)度的改善機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

RAP為某高速公路瀝青面層銑刨材料，集料為石灰?guī)r，平均瀝青含量1）文中涉及的瀝青含量、RAP級(jí)配等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).為4.0%，回收瀝青25℃針入度為0.25mm，15℃延度為2.8 mm，軟化點(diǎn)為71.6℃.RAP級(jí)配見表1，滿足JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中乳化瀝青再生混合料級(jí)配范圍.乳化瀝青為陽(yáng)離子慢裂型乳液，瀝青固含量為62%，蒸發(fā)殘留物25℃針入度為0.62 mm，15℃延度為69cm，軟化點(diǎn)為47℃.

水泥采用32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，其0.075mm篩通過(guò)率為94%，初凝時(shí)間約4.5h，終凝時(shí)間約7.0h.消石灰粉0.075mm 篩通過(guò)率為98%.礦渣粉0.075mm 篩通過(guò)率為99%，SiO2含量為35%，Al2O3含量為16%.消石灰礦渣粉中消石灰與礦渣粉質(zhì)量比為1∶3.

1.2 試驗(yàn)方案

再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)100%利用RAP，最佳外加用水量和最佳乳化瀝青用量的確定均以15℃劈裂強(qiáng)度最大值為指標(biāo).采用馬歇爾法擊實(shí)75次制作試件［4］.試件成型后先在試模中放置24h，脫模后立即置于60℃烘箱中養(yǎng)護(hù)72h，再冷卻到室溫，然后進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試.

表1 RAP級(jí)配Table 1 Gradation of RAP

依據(jù)JTG F41—2008規(guī)范，采用60℃車轍試驗(yàn)測(cè)試再生混合料高溫穩(wěn)定性能；采用15℃浸水劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試再生混合料水穩(wěn)定性能；采用15℃劈裂疲勞試驗(yàn)測(cè)試再生混合料的疲勞特性.

由于過(guò)量外加材料可能導(dǎo)致再生混合料綜合性能降低，參考已有研究［4－5］，再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)3種外加材料用量均取占集料總質(zhì)量的2.5%，并等量代替RAP中的粉料.

2 再生混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

再生混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表2.由表2可知，加入消石灰、水泥和消石灰礦渣粉后，再生混合料的最佳外加用水量和劈裂強(qiáng)度（15℃）均不同程度增加，其中消石灰對(duì)再生混合料最佳外加用水量提高很明顯，但對(duì)劈裂強(qiáng)度提高僅有31%，而水泥、消石灰礦渣粉分別能使再生混合料的劈裂強(qiáng)度提高71%和57%，提高幅度較大.這是因?yàn)橄业奈暂^強(qiáng)，僅能依靠與乳化瀝青之間的強(qiáng)吸附作用來(lái)提高乳化瀝青的勁度模量，因此它對(duì)再生混合料最佳外加用水量的影響較大，對(duì)再生混合料劈裂強(qiáng)度改善作用較小.水泥水化產(chǎn)物能與乳化瀝青形成具有特殊結(jié)構(gòu)的水泥乳化瀝青膠漿，這會(huì)大大提高膠結(jié)材料與集料的黏附性，所以水泥對(duì)再生混合料的劈裂強(qiáng)度提高較大.在消石灰存在下礦渣粉早期的水化反應(yīng)比較緩慢，此時(shí)乳化瀝青會(huì)包裹部分礦渣顆粒［5］，因此消石灰礦渣粉對(duì)再生混合料劈裂強(qiáng)度的提高作用小于水泥.

另外，加入水泥能使再生混合料的最佳乳化瀝青用量降低，這說(shuō)明水泥水化產(chǎn)物能起到與乳化瀝青相似的膠結(jié)材料的作用.但是，外加材料并未降低再生混合料中的總液體量（最佳外加用水量和最佳乳化瀝青用量之和），這說(shuō)明外加用水量對(duì)提高RAP的潤(rùn)滑效應(yīng)十分明顯，不需要依靠較多乳化瀝青來(lái)提高RAP之間的潤(rùn)滑，因此本文采用外加用水量法進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)是合理的.

3 性能評(píng)價(jià)

3.1 高溫穩(wěn)定性

3種外加材料對(duì)再生混合料高溫穩(wěn)定性的影響見表2.由表2可知，加入消石灰后，再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度僅能提高27%左右，但是加入水泥或者消石灰礦渣粉后，再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均提高了10倍以上，動(dòng)穩(wěn)定度值均超過(guò)10000次·mm－1，混合料表現(xiàn)出優(yōu)良的抗車轍性能.由此可見，水泥或者消石灰礦渣粉對(duì)再生混合料高溫穩(wěn)定性的提高作用很大，而消石灰的提高作用則小得多.

表2 再生混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果及路用性能Table 2 Proportion design result and pavement performance of recycled mixture

3.2 水穩(wěn)定性

3種外加材料對(duì)再生混合料水穩(wěn)定性的影響見表2.由表2可知，再生混合料的浸水劈裂強(qiáng)度比和凍融劈裂強(qiáng)度比均低于JTG F41—2008規(guī)范要求.加入消石灰后，再生混合料的浸水劈裂強(qiáng)度比和凍融劈裂強(qiáng)度比明顯提高，達(dá)到了JTG F41—2008規(guī)范的要求，這說(shuō)明消石灰能夠改善再生混合料的水穩(wěn)定性.當(dāng)加入水泥或消石灰礦渣粉后，再生混合料的浸水劈裂強(qiáng)度比和凍融劈裂強(qiáng)度比均達(dá)到了85%以上，這說(shuō)明再生混合料的水穩(wěn)定性增加十分明顯.另外，加入水泥后再生混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比超過(guò)了100%，這可能是凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)部分未水化的水泥顆粒受到高溫激發(fā)作用而再次水化所致.

3.3 強(qiáng)度特性

再生混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)采用短期高溫（60℃）養(yǎng)護(hù)模擬長(zhǎng)期自然養(yǎng)護(hù)，因?yàn)樽匀画h(huán)境中乳化瀝青從破乳到性能完全恢復(fù)需要較長(zhǎng)的時(shí)間.為評(píng)價(jià)不同外加材料對(duì)再生混合料強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的影響，本文對(duì)25℃自然養(yǎng)護(hù)7，28d和60℃高溫養(yǎng)護(hù)3d的再生混合料進(jìn)行了劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)（15℃），結(jié)果見圖1.由圖1可見，自然養(yǎng)護(hù)7d時(shí)，消石灰、水泥和消石灰礦渣粉對(duì)再生混合料劈裂強(qiáng)度提高幅度分別為17%，135%和39%；自然養(yǎng)護(hù)28d時(shí)，消石灰、水泥和消石灰礦渣粉對(duì)再生混合料劈裂強(qiáng)度提高幅度分別為34%，92%和75%.上述表明：自然養(yǎng)護(hù)時(shí)，消石灰對(duì)不同齡期再生混合料劈裂強(qiáng)度的提高幅度均最??；水泥對(duì)不同齡期再生混合料劈裂強(qiáng)度的提高幅度均最大；消石灰礦渣粉對(duì)再生混合料7d劈裂強(qiáng)度提高幅度較小，對(duì)28d劈裂強(qiáng)度提高幅度較大，這是因?yàn)樽匀火B(yǎng)護(hù)7d后礦渣粉的水化速度在消石灰激發(fā)作用下會(huì)加快，因而使再生混合料的劈裂強(qiáng)度提高幅度增大.另外，再生混合料高溫（60℃）養(yǎng)護(hù)3d的劈裂強(qiáng)度與自然養(yǎng)護(hù)28d的劈裂強(qiáng)度接近，這說(shuō)明本文采用的短期高溫養(yǎng)護(hù)法可以合理評(píng)價(jià)再生混合料長(zhǎng)期自然養(yǎng)護(hù)后的劈裂強(qiáng)度.

圖1 不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)再生混合料的劈裂強(qiáng)度Fig.1 ITS（15℃）of recycled mixture at different curing ages

3.4 疲勞特性

3種外加材料對(duì)再生混合料疲勞壽命的影響見圖2.由圖2可知：（1）消石灰、水泥和消石灰礦渣粉都能提高再生混合料的疲勞壽命，其中水泥的提高幅度最大，消石灰礦渣粉次之，消石灰最小.（2）應(yīng)力較小時(shí)，摻有消石灰礦渣粉的再生混合料的疲勞壽命與摻有水泥的再生混合料的疲勞壽命相差較小.隨著應(yīng)力增大，摻有消石灰礦渣粉的再生混合料的疲勞壽命快速下降，明顯小于摻有水泥的再生混合料，這說(shuō)明其疲勞壽命的應(yīng)力敏感性較高.

4 強(qiáng)度改善機(jī)理

水泥或消石灰礦渣粉與乳化瀝青之間均會(huì)形成具有特殊結(jié)構(gòu)的新膠漿，從而大大提高復(fù)合膠結(jié)材料與普通集料的界 面黏結(jié)［5－6］.為了解釋RAP 與復(fù)合膠結(jié)材料之間的黏附機(jī)理，本研究采用掃描電子顯微鏡對(duì)摻水泥再生混合料新舊膠漿界面、新膠漿與RAP界面進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖3，4所示.

圖2 外加材料對(duì)再生混合料疲勞壽命的影響Fig.2 Effect of additives on fatigue life of recycled mixture

圖3下部分為RAP，其上裹附有舊（瀝青）膠漿.圖3上部分為新瀝青裹附粒狀、柱狀的水化產(chǎn)物和未水化的水泥等形成的凹凸不平的新膠漿（水泥乳化瀝青膠漿），它牢牢裹附在舊膠漿周圍，部分凹凸不平的新膠漿甚至嵌入舊膠漿中，新舊膠漿之間的黏結(jié)較好，界面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的微裂縫.

圖4左上部分新舊膠漿端口處出現(xiàn)了針狀水化產(chǎn)物的斷裂，這表明新膠漿中的剛性水化產(chǎn)物會(huì)刺入舊膠漿之中，使新舊膠漿之間受力更加協(xié)調(diào).圖4下半部分中間位置同樣有網(wǎng)狀的水化產(chǎn)物刺入到舊膠漿中，并與舊瀝青之間產(chǎn)生了交織.因此，在新舊膠漿之間的水化產(chǎn)物具有“橋梁”作用，能改善新舊膠漿之間黏結(jié)，提高再生混合料的整體強(qiáng)度.

普通乳化瀝青再生混合料中，舊膠漿嚴(yán)重老化，黏度較大，而新膠漿水分散失少，黏度較低，因此新舊膠漿短時(shí)間內(nèi)難以發(fā)生良好的黏結(jié)；另外，新舊膠漿勁度差異較大，這使再生混合料受力時(shí)變形不協(xié)調(diào)，新舊膠漿界面容易發(fā)生斷裂，因此普通乳化瀝青再生混合料強(qiáng)度較低，路用性能較差.加入水泥或者消石灰礦渣粉后，剛性水化產(chǎn)物的生成不僅消耗了瀝青中的水，加速了乳化瀝青的恢復(fù)，而且使新膠漿勁度模量提高.當(dāng)膠漿材料配比合理時(shí)，新膠漿的勁度模量與舊膠漿勁度模量差別不大，加上剛性水化產(chǎn)物會(huì)刺入舊膠漿，在新舊膠漿中起“橋梁”作用，因此當(dāng)再生混合料受力時(shí)新舊膠漿之間變形協(xié)調(diào)性大大增加，導(dǎo)致再生混合料會(huì)表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和較好的路用性能.

消石灰粉僅能加速已破乳乳化瀝青的恢復(fù)速度，難以產(chǎn)生水化硅酸鈣凝膠，無(wú)法對(duì)瀝青起到水泥或者消石灰礦渣粉所具有的水化產(chǎn)物的“加筋”作用和“橋梁”作用，因此消石灰對(duì)混合料強(qiáng)度性能和路用性能的提高作用較小.

5 結(jié)論

（1）消石灰不具有膠結(jié)材料的作用，對(duì)再生混合料劈裂強(qiáng)度的提高幅度較小；水泥或者消石灰礦渣粉能起膠結(jié)材料的作用，使再生混合料劈裂強(qiáng)度明顯增加.

（2）水泥、消石灰和消石灰礦渣粉對(duì)再生混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能都能提高，其中水泥提高作用最大，消石灰礦渣粉次之，消石灰粉最小.實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該合理選擇外加劑.

（3）水泥或消石灰礦渣粉水化產(chǎn)物與乳化瀝青相互交織形成新膠漿.新膠漿勁度模量與嚴(yán)重老化的舊膠漿勁度模量差別不大，同時(shí)水化產(chǎn)物能在新舊膠漿之間起到“橋梁”作用，這促進(jìn)了新舊膠漿之間的受力協(xié)調(diào)，大大改善了新舊膠漿之間的黏結(jié)，從而極大地提高了再生混合料的強(qiáng)度性能和路用性能.

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