水泥用量對泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響

黃任遠(yuǎn)，黃萬坦

（1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽550008；2.招商局重慶交通科研研究院有限公司，重慶400067）

泡沫瀝青冷再生技術(shù)是一種利用專業(yè)的銑刨設(shè)備將破損的瀝青路面面層甚至基層破碎銑刨掉，然后加入適量的新集料和泡沫瀝青黏結(jié)料，最后把新拌制成的泡沫瀝青混合料攤鋪、壓實(shí)的施工過程[1]。泡沫瀝青冷再生技術(shù)應(yīng)用在道路維修改造中具有適用性強(qiáng)、環(huán)保節(jié)能、儲存性能好、成本低、早期強(qiáng)度高等特點(diǎn)[2]。國內(nèi)外對其進(jìn)行了大量研究，長安大學(xué)徐金枝博士[3]提出了泡沫瀝青冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)方法；曹翠星等人[4]研究了泡沫瀝青的發(fā)泡機(jī)理，并提出了發(fā)泡性能的衰退方程；同時(shí)我國于2008 年編寫了《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）[5]。在泡沫瀝青冷再生混合料中摻入一定量的水泥對其物理力學(xué)性能會產(chǎn)生一定影響[6]，本文將對水泥摻量變化對泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

1 原材料

1.1 瀝青

本試驗(yàn)研究選用中海70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行發(fā)泡瀝青的制備。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052—2011），通過室內(nèi)試驗(yàn)對基質(zhì)瀝青的具體指標(biāo)進(jìn)行測定和評價(jià)，具體試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

通過室內(nèi)瀝青發(fā)泡試驗(yàn)，結(jié)合膨脹率和半衰期的試驗(yàn)結(jié)果，最終確定中海70#瀝青的最優(yōu)發(fā)泡條件見表2。

表2 泡沫瀝青發(fā)泡條件

1.2 水泥

本試驗(yàn)水泥選用的是32.5#普通硅酸鹽水泥，具體技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.3 集料與礦粉

本試驗(yàn)研究依托于山西某城市道路大修工程，集料選用的是瀝青原路面面層銑刨料，新集料選用的是玄武巖。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052—2011）對集料的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測定，具體指標(biāo)參數(shù)見表4。

表4 集料技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《公路泡沫瀝青冷再生路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)程》（DB33/T 715—2008）中的級配要求，本試驗(yàn)選用的摻配比例為：面層銑刨料∶碎石∶石屑∶水泥=81%∶7%∶10%∶2%，最佳拌和用水量取6.2%，最佳泡沫瀝青用量取3.0%。

2 水泥對混合料性能的影響分析

復(fù)合設(shè)計(jì)要求的泡沫瀝青混合料應(yīng)具有良好的物理力學(xué)性能、水穩(wěn)定性以及高溫穩(wěn)定性等性能。本文在此重點(diǎn)對上述三種性能進(jìn)行研究，找出它們隨水泥用量的變化規(guī)律，為以后的工程設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)。

2.1 物理性能分析

瀝青混合料的物理性能主要包括密度和孔隙率。研究表明，泡沫瀝青混合料的密度要比普通熱拌瀝青混合料小，更難壓實(shí)，而水泥的添加能夠有效改善泡沫瀝青混合料的壓實(shí)性能。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，利用表干法測定水泥用量分別為0%、1%、2%、3%時(shí)泡沫瀝青混合料的孔隙率和密度。首先利用馬氏擊實(shí)儀將按上述配合比拌制而成的泡沫瀝青混合料成型為標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件，養(yǎng)生12h后脫模，然后利用表干法測定密度和孔隙率。具體試驗(yàn)結(jié)果見表5，密度和空隙隨水泥用量的變化規(guī)律如圖1所示。

表5 密度和孔隙率測定值

圖1 密度和孔隙率隨水泥用量的變化規(guī)律圖

從表5 和圖1 可以看出，泡沫瀝青混合料的毛體積密度和最大理論密度都隨著水泥用量的增加而增大，而毛體積密度的增大速率要比最大理論密度快，所以混合料的孔隙率隨著水泥用量的增加而減小。當(dāng)水泥用量從0%增加到3%時(shí)，毛體積密度增大了0.076g/cm3，而最大理論密度僅增大了0.052g/cm3，孔隙率則降低了1.2%。這主要是因?yàn)樗嗯c細(xì)集料相比更細(xì)，更容易填充進(jìn)粗集料間的空隙中，從而使得混合料更加密實(shí)，孔隙率更小。

2.2 水穩(wěn)定性分析

目前國內(nèi)外通常采用增加瀝青用量的方法來提高泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性[7]，因?yàn)殡S著瀝青用量的增加，孔隙率不斷減小，而且瀝青用量的增加可以增強(qiáng)集料與瀝青之間的黏附力，但這種方法會使混合料的高溫性能受到影響。部分研究表明，水泥的添加能夠?qū)旌狭系乃€(wěn)定性產(chǎn)生影響。本文在此利用間接拉伸試驗(yàn)對0%、1%、2%、3%水泥用量泡沫瀝青混合料的殘留劈裂強(qiáng)度比進(jìn)行對比分析，以評價(jià)泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性，計(jì)算公式如式（1）所示[8]。

式中： ITSret為泡沫瀝青混合料的殘留劈裂強(qiáng)度比； ITSwet為浸水養(yǎng)護(hù)后測定的間接拉伸強(qiáng)度；ITSdry為干燥條件下測定的間接拉伸強(qiáng)度。

通過室內(nèi)試驗(yàn)測定試件的ITSwet和ITSdry，具體結(jié)果見表6。間接拉伸強(qiáng)度與殘留強(qiáng)度比隨水泥用量的變化規(guī)律如圖2所示。

表6 間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖2 間接拉伸強(qiáng)度與殘留強(qiáng)度比的變化規(guī)律

從表6 和圖2 可以看出，泡沫瀝青混合料的干、濕間接拉伸強(qiáng)度和殘留強(qiáng)度比均隨著水泥用量的增加而增大，但是當(dāng)水泥用量超過2%時(shí)，殘留強(qiáng)度比的增長速度明顯減慢，當(dāng)水泥用量從0%增加到3%時(shí)，ITSdry增加了34.97kPa，ITSwet增加了138.37kPa，而殘留強(qiáng)度比則增加了22.15%。水泥之所以能夠顯著改善泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性，其主要原因是水泥這種堿性材料添加到含有弱酸性羥基及亞砜的瀝青膠結(jié)料中，能夠促進(jìn)水泥與瀝青的化學(xué)反應(yīng)，生成黏結(jié)性更強(qiáng)、更穩(wěn)定的新物質(zhì)，這種物質(zhì)具有極強(qiáng)的吸附能力，當(dāng)其牢牢吸附在瀝青集料表面時(shí)能夠使混合料黏結(jié)得更加牢固，從而有效改善泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.3 抗剪切性能分析

各黏結(jié)層間的抗剪切強(qiáng)度是評價(jià)瀝青混合料抵抗車輛水平剪切應(yīng)力破壞的關(guān)鍵指標(biāo)。由于泡沫瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度較低，通常用于基層材料，因此本文采用45°斜剪試驗(yàn)來測定混合料與面層及基層的抗剪切強(qiáng)度，以此來評價(jià)混合料的抗剪切性能及黏結(jié)性能。測定基層黏結(jié)時(shí)是以水泥穩(wěn)定碎石為下基層，泡沫瀝青混合料為上基層；測定面層黏結(jié)時(shí)，選用泡沫瀝青混合料為基層，AC—20 混合料為面層。斜剪試驗(yàn)在UTM—100試驗(yàn)機(jī)上完成，加載速度為10mm/min。具體試驗(yàn)結(jié)果見表7，抗剪切強(qiáng)度隨水泥用量的變化規(guī)律如圖3所示。

表7 斜剪試驗(yàn)結(jié)果

圖3 抗剪切強(qiáng)度隨水泥用量的變化規(guī)律

從表7 和圖3 可以看出，泡沫瀝青混合料與面層和基層的黏結(jié)強(qiáng)度都隨著水泥用量的增加而增大。水泥用量從0 增加到3%時(shí)，兩種黏結(jié)力分別增大了0.88MPa 和0.54MPa。從圖中可以看出，混合料與面層的黏結(jié)強(qiáng)度要比與基層的黏結(jié)強(qiáng)度大。水泥的添加之所以能夠提高泡沫瀝青混合料的抗剪切性能，主要是由于弱酸性的瀝青能夠與堿性的水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成黏結(jié)強(qiáng)度更高的物質(zhì)，而且水泥是一種水硬性材料，能夠提高瀝青混合料的塑性，因此對泡沫瀝青與面層及基層的黏結(jié)性能有顯著的改善作用。大量研究表明，通常在行車荷載作用下，距離瀝青路面面層5cm以下深處的剪切力均小于0.52MPa，這表明泡沫瀝青冷再生混合料既能夠用于高等級公路的基層，也可以用于低等級公路的下面層。

2.4 高溫穩(wěn)定性分析

瀝青路面在高溫下常會出現(xiàn)推移、擁抱、泛油等病害，而瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能夠較好地表征路面抵抗剪切流動變形的能力，是評價(jià)路用性能的重要指標(biāo)之一。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），本文選用車轍試驗(yàn)測定動穩(wěn)定度，作為評價(jià)泡沫瀝青混合料高溫性能的指標(biāo)。首先利用車轍板成型機(jī)成型300mm×300mm×50mm 的車轍板，然后在60℃±1℃的車轍試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)采用直徑200mm、寬50mm、輪壓0.7MPa 的實(shí)心橡膠輪胎，加載運(yùn)行速度為42±1 次/min，計(jì)算公式如式（2）[8]所示。

式中：DS 為動穩(wěn)定度；d1與d2分別為加載時(shí)間為t1與t2時(shí)所對應(yīng)的豎向變形，通常情況下t1與t2分別取45min與60min；C1與C2分別為試驗(yàn)機(jī)類型修正系數(shù)和試件系數(shù)；N為加載速率。

車轍試驗(yàn)結(jié)果見表8，車轍深度和動穩(wěn)定度隨水泥用量的變化規(guī)律如圖4所示。

表8 車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖4 車轍深度和動穩(wěn)定度隨水泥用量的變化規(guī)律

從圖4可以看出，隨著水泥用量的增加和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，泡沫瀝青混合料的動穩(wěn)定度也不斷增大，而車轍深度則不斷減小，水泥用量從0增加到3%時(shí)，養(yǎng)護(hù)7d 后的動穩(wěn)定度提高了65%左右，而車轍深度則減小了1倍左右，這說明添加水泥能夠提高泡沫瀝青混合料在高溫條件下的抗車轍能力（即高溫穩(wěn)定性）。而我國一般規(guī)范規(guī)定瀝青路面的動穩(wěn)定度不得低于3000 次/mm。由表8 可知，只要達(dá)到一定水泥用量和一定養(yǎng)護(hù)時(shí)間的泡沫瀝青混合料均能滿足設(shè)計(jì)要求。這主要由于水泥不僅是一種水硬性材料，添加到瀝青混合料中能夠增加其硬度，增強(qiáng)混合料抵抗變形的能力，而且還能與瀝青反應(yīng)生成更加牢固的物質(zhì)，因此可以有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析表明，泡沫瀝青冷再生技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的維修養(yǎng)護(hù)工藝，水泥的添加能夠有效地改善泡沫瀝青冷再生混合料的物理力學(xué)性能。本文通過試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）水泥作為細(xì)集料對泡沫瀝青混合料的空隙進(jìn)行填充，使其密度隨著水泥用量的增加而增大，而孔隙率則不斷減?。凰嘤昧繌? 增加到3%時(shí)，孔隙率降低了1.2%；

（2）由于水泥是一種水硬性材料，又可以與瀝青反應(yīng)生成黏度和強(qiáng)度更高的物質(zhì)，因此泡沫瀝青冷再生混合料的抗剪切能力、水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性均隨著水泥用量的增加而增強(qiáng)；水泥用量從0 增加到3%時(shí)，殘留強(qiáng)度比增加了22.15%，養(yǎng)護(hù)7d 后的動穩(wěn)定度也提高了65%左右，而作為黏結(jié)層時(shí)與面層及基層的黏結(jié)力分別提高了0.88MPa和0.54MPa。

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