乳化瀝青冷再生混合料性能研究

李　寧，李 鋒

（1.江蘇沿江高速公路有限公司，江蘇 常熟 215500；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

乳化瀝青冷再生混合料性能研究

李寧1，李 鋒2

（1.江蘇沿江高速公路有限公司，江蘇 常熟 215500；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

文章對(duì)不同乳化瀝青用量和不同水泥摻量的冷再生混合料路用性能進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明，水泥可以提高乳化瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性、早期強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性；水泥用量過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致冷再生混合料變脆，降低混合料的低溫抗裂性能；低乳化瀝青用量冷再生混合料具有很好的高溫抗車(chē)轍性能，滿足我國(guó)再生技術(shù)規(guī)范中的相關(guān)要求。

乳化瀝青；冷再生混合料；水穩(wěn)定性；早期強(qiáng)度；高溫穩(wěn)定性；低溫抗裂性

隨著我國(guó)高速公路通車(chē)年限的逐漸增長(zhǎng)，瀝青路面逐漸出現(xiàn)了諸如車(chē)轍、擁包、裂縫和松散等病害，一部分高速公路將相繼達(dá)到使用壽命期限，公路交通建設(shè)將面臨著“全面養(yǎng)護(hù)”的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的瀝青路面養(yǎng)護(hù)將舊瀝青混凝土層銑刨后廢棄，造成資源的極大浪費(fèi)，且嚴(yán)重污染環(huán)境，影響到公路交通的可持續(xù)發(fā)展。結(jié)合交通部“十二五”提出的“實(shí)現(xiàn)全國(guó)公路交通廢舊瀝青路面材料的循環(huán)利用”的要求，為了處治瀝青路面病害，延長(zhǎng)路面使用壽命，降低修建費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)舊料的循環(huán)利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，乳化瀝青冷再生混合料的應(yīng)用越來(lái)越廣地受到人們關(guān)注［1-2］。然而目前對(duì)于乳化瀝青冷再生混合料性能缺乏系統(tǒng)的研究，再生規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)也相對(duì)較低，一定程度上限制了乳化瀝青冷再生混合料的發(fā)展和推廣應(yīng)用。因此，開(kāi)展乳化瀝青冷再生混合料性能研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

原材料主要包括瀝青路面回收材料（RAP）、新集料、水泥、礦粉、乳化瀝青和水。RAP主要包括0～9.5 mm的細(xì)銑刨料和9.5～26.5 mm的粗銑刨料。新添加集料粒徑為16～31.5 mm，水泥采用為P.O 42.5。乳化瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示，RAP、新集料、水泥和礦粉篩分結(jié)果如表2所示。

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

參照我國(guó)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）中關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)方法［3］進(jìn)行礦料級(jí)配設(shè)計(jì)，初選的乳化瀝青冷再生混合料配合比為：粗銑刨料∶細(xì)銑刨料∶新集料∶水泥∶礦粉=28%∶47%∶20%∶2%∶3%，合成級(jí)配結(jié)果如表3所示。

表1 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.3 最佳含水率

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007） T0131的方法，以一定的間隔變化含水率，對(duì)合成礦料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，用以確定冷再生混合料最佳含水率。試驗(yàn)時(shí)擬定乳化瀝青摻量為4.0%，按照1%的間隔變化初始含水量，分別按3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%的含水率進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制干密度與實(shí)際含水率的關(guān)系曲線，如圖1所示，根據(jù)干密度最大值確定的最佳含水量為4.2%。

1.4 乳化瀝青用量

以4%的預(yù)估瀝青用量為中值，按照0.5%的間隔變化乳化瀝青用量，在4.2%的最佳含水量基礎(chǔ)上，采用馬歇爾擊實(shí)法兩面各擊實(shí)75次成型試件，然后進(jìn)行15 ℃劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制劈裂強(qiáng)度與乳化瀝青用量之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。根據(jù)干、濕劈裂強(qiáng)度最大值確定的最佳乳化瀝青用量為4.3%。

表2　原材料篩分試驗(yàn)結(jié)果

表3　 礦料級(jí)配組成及合成級(jí)配

圖1　干密度與含水量關(guān)系曲線

圖2　劈裂強(qiáng)度與乳化瀝青用量的關(guān)系曲線

通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行了單點(diǎn)驗(yàn)證，凍融劈裂強(qiáng)度比結(jié)果為74.9%，滿足不小于70%的設(shè)計(jì)要求。

2　試驗(yàn)方案

按照上述乳化瀝青冷再生混合料目標(biāo)配合比，采取不同的水泥用量和乳化瀝青用量，評(píng)價(jià)水泥及乳化瀝青摻量對(duì)冷再生混合料性能的影響，具體試驗(yàn)方案如表4所示。根據(jù)試驗(yàn)方案分別展開(kāi)水穩(wěn)定性試驗(yàn)、早期強(qiáng)度試驗(yàn)、高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)和低溫抗裂性試驗(yàn)［4-6］。

表4　試驗(yàn)方案 %

3　水穩(wěn)定性分析

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）和《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）中的相關(guān)規(guī)定，分別進(jìn)行干濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，采用干濕劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比3項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性，按公式（1）計(jì)算。試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，壓實(shí)次數(shù)為30次，試件直徑為100 mm，高度為63.5±2.0 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

式中：TSRd-w為干濕劈裂強(qiáng)度比；RS為殘留穩(wěn)定度；TSR為凍融劈裂強(qiáng)度比；IDT1、IDT2為干、濕劈裂強(qiáng)度；MS1、MS2為浸水前后的馬歇爾穩(wěn)定度；RT1、RT2為凍融循環(huán)前后的劈裂強(qiáng)度。

圖3　水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知：

（1）各方案冷再生混合料的殘留穩(wěn)定度和干濕劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范中不小于75%的要求，凍融劈裂強(qiáng)度比滿足不小于70%的要求，表明冷再生混合料具有較好的水穩(wěn)定性；

（2）隨著水泥用量的增加，冷再生混合料的3項(xiàng)指標(biāo)均逐漸增加，表明水泥用量的增加可以提高冷再生混合料的抗水損害性能；

（3）方案B和D的3項(xiàng)指標(biāo)基本相當(dāng)，表明高、低乳化瀝青用量的冷再生混合料具有相當(dāng)?shù)目顾畵p害性能。

4　早期強(qiáng)度分析

參照ASTM D1560—81和ASTM D7196—06中的相關(guān)規(guī)定，分別進(jìn)行粘結(jié)力試驗(yàn)和抗磨耗試驗(yàn)，采用粘結(jié)力值和磨耗損失率2項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)冷再生混合料的早期強(qiáng)度性能。2種試驗(yàn)均采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，壓實(shí)次數(shù)為20次，試件直徑為150 mm，高度分別為80±3.0 mm和70±5.0 mm。其中粘結(jié)力試驗(yàn)結(jié)束條件為試件斷裂或變形超過(guò)13 mm，抗磨耗試驗(yàn)結(jié)束條件為試件發(fā)生大量松散或磨耗15 min，分別按式（2）和式（3）計(jì)算粘結(jié)力值和磨耗損失率，結(jié)果如圖4所示。式中：C為粘結(jié)力值；L為球重；W為試件直徑；H為試件高度；L為試件磨耗損失率；Wa、Wb為試件磨耗前后的質(zhì)量。

圖4　早期強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知：

（1）隨著水泥用量的增加，冷再生混合料的粘結(jié)力逐漸增加，而磨耗損失率逐漸減小，水泥有利于提高冷再生混合料的早期強(qiáng)度；

（2）方案D與A的粘結(jié)力基本相當(dāng)，與方案B的磨耗損失率基本相當(dāng)，表明降低乳化瀝青用量和水泥用量，冷再生混合料仍表現(xiàn)出較好的早期強(qiáng)度性能。

5　溫度敏感性分析

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）T0719和T0715中的相關(guān)規(guī)定，分別進(jìn)行高溫車(chē)轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)，采用動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變指標(biāo)分別評(píng)價(jià)冷再生混合料的高溫性能和低溫性能。車(chē)轍試驗(yàn)采用輪碾機(jī)碾壓成型300 mm×300 mm×50 mm的板式試件，低溫彎曲試驗(yàn)采用車(chē)轍板切割成250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁試件，分別按照公式（4）和公式（5）計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變，試驗(yàn)結(jié)果圖5所示。

式中：DS為動(dòng)穩(wěn)定度；C1、C2分別為試驗(yàn)機(jī)類(lèi)型及試件類(lèi)型系數(shù)；N為試驗(yàn)輪往返碾壓速度；εB為試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變；h為跨中斷面試件的寬度；L為試件的跨徑；d為試件破壞時(shí)的跨中撓度。

圖5　溫度敏感性的試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知：

（1）隨著水泥用量的增加，冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸提高，表明水泥用量可以有效提高冷再生混合料的高溫抗車(chē)轍性能。

（2）隨著水泥用量的增加，冷再生混合料的破壞應(yīng)變先增加后減小，表明適當(dāng)?shù)乃嗫梢蕴岣呋旌狭系牡蜏匦阅?，而水泥用量過(guò)多時(shí)，混合料逐漸表現(xiàn)出一定的脆性，因此破壞應(yīng)變減小。

（3）方案D的結(jié)果表明，減少乳化瀝青用量可以提高混合料的高溫抗車(chē)轍性能，但低溫性能相對(duì)較差。

6　結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同水泥摻量和乳化瀝青用量的冷再生混合料性能試驗(yàn)的分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）添加水泥有利于提高乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性能、早期強(qiáng)度性能和高溫穩(wěn)定性能，且隨著水泥用量的增加而逐漸增加，冷再生混合料表現(xiàn)出較好的抗水損害、高溫抗車(chē)轍等路用性能；

（2）添加少量水泥可以提高冷再生混合料的低溫抗裂性能，然而水泥用量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致混合料變脆，降低低溫性能，因此在冷再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)需嚴(yán)格控制水泥用量，建議水泥用量控制在1%～2%；

（3）低乳化瀝青用量的冷再生混合料均表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)定性和高低溫性能，且具有較好的早期強(qiáng)度，與高乳化瀝青用量冷再生混合料的性能基本相當(dāng)，推薦乳化瀝青用量控制在3%～4.5%。

綜上所述，乳化瀝青冷再生混合料的各項(xiàng)性能能夠滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）中的相關(guān)要求。從室內(nèi)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，適當(dāng)降低冷再生混合料中乳化瀝青的用量不會(huì)影響再生混合料的性能，但將低乳化瀝青冷再生混合料應(yīng)用于實(shí)體工程還需進(jìn)一步的研究。

［1］吳超凡，曾夢(mèng)瀾，鐘夢(mèng)武，等.乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)法試驗(yàn)研究［J］. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，5（8）：19-23.

［2］權(quán)登州，王磊，趙永波，等.乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)方法研究［J］.中外公路，2009，29（2）：228-231.

［3］JTG F41—2008公路瀝青路再生技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］董澤蛟，譚憶秋，曹麗萍.乳化瀝青冷再生混合料的室內(nèi)設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)研究［J］. 公路交通科技，2006，23（2）：43-47.

［5］吳曠懷，李燕楓，楊國(guó)梁，等.乳化瀝青冷再生瀝青混合料的研究［J］. 暨南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，29（3）：281-285.

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Research on the Performance of Emulsified Asphalt Cold Recycling Mixtures

Li Ning1， Li Feng2
（1.Jiangsu Yanjiang Expressway Co.， Ltd.， Changshu 215500， China; 2. JSTI Group， Nanjing 210017， China）

In this paper， road performance of cold recycling mixtures with different amount of emulsified asphalt and cement is analyzed and compared. Results show that the cement can improve water stability， early strength and high temperature stability of emulsified asphalt cold recycling mixture; while high cement content will cause mixture brittle， reduce low temperature crack resistance; cold recycled mixture with low emulsified asphalt has better high temperature anti-rutting performance which can meets specifications technical requirements.

emulsified asphalt; cold recycling mixture; water stability; early strength; high temperature stability; low-temperature crack resistance performance

U414

A

1672–9889（2015）05–0016–03

李寧（1980-），男，江蘇南通人，高級(jí)工程師，主要從事道路橋梁設(shè)計(jì)工作。

（2015-01-26）