乳化瀝青冷再生混合料技術性能研究

劉洋，邊秀奇

（1. 同濟大學土木工程學院，上海市200092；2. 天津城建設計院有限公司，天津市300121）

乳化瀝青冷再生混合料技術性能研究

劉洋1，邊秀奇2

（1. 同濟大學土木工程學院，上海市200092；2. 天津城建設計院有限公司，天津市300121）

冷再生工藝是一種常用的環(huán)保型的道路養(yǎng)護技術，為了研究乳化瀝青冷再生混合料的力學性能，進行了無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、回彈模量三種試驗，分析了冷再生材料力學性能的變化規(guī)律。路用性能方面，對冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性進行了研究，通過車轍試驗和馬歇爾試驗發(fā)現(xiàn)水泥含量和擊實次數(shù)對高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性有一定的影響。冷再生混合料技術的應用具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

冷再生；力學性能；路用性能；效益

0　引言

隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，公路使用中早期破壞的現(xiàn)象也日益顯著，這使得人們越來越關注公路的養(yǎng)護工作。冷再生技術是指將舊瀝青路面材料進行銑刨加工后的重復利用，適當加入部分新骨料或細集料，并摻入適量的外摻劑和水，經(jīng)過拌合、攤鋪壓實成型，形成新的結(jié)構(gòu)層［1］。這種方法具有節(jié)約資金、減輕環(huán)境壓力等諸多優(yōu)點，隨著人們對環(huán)保重視度的提高，冷再生技術也越來越廣泛被應用于公路養(yǎng)護中。本文從瀝青混合料再生技術出發(fā)，對其力學性能、路用性能以及社會效益幾個方面進行了分析，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料冷再生技術可以提高路面使用性能，增加其使用壽命，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

1　力學性能和路用性能評價指標

1.1力學性能評價指標

（1）無側(cè)限抗壓強度

抗壓強度是材料性能的基本指標，從試件的制備到試驗本身都比較簡單易行。本文主要采用無側(cè)限抗壓強度試驗來評價冷再生材料的強度。

（2）劈裂強度

路面的開裂對道路的使用帶來很大的負面影響。水泥穩(wěn)定類混合料抗拉強度通常采用彎拉試驗和劈裂進行評定［2］。兩種方法相比較而言，劈裂試驗更為簡便，因此許多國家將劈裂強度作為評定混合料的抗拉強度指標，并把它應用于路面設計的應力檢驗中。本文也將采用劈裂強度作為評定冷再生混合料力學性能的一個指標［3］。

（3）回彈模量

路面結(jié)構(gòu)建立的目的就是為保護路基，路面直接接觸車輛荷載并將應力擴散到路基。在路面設計時，設計的原則是控制路基的頂面壓力和垂直位移量防止出現(xiàn)過大的沉降。在道路病害的研究中發(fā)現(xiàn)，路面損壞很大程度上是因為土基強度不足、穩(wěn)定性差引起的，因此控制土基的變形，提高土基抗變形的能力是提高路面使用性能的主要措施。土基回彈模量作為路面設計的重要指標對整個路面結(jié)構(gòu)有很大的影響，所以本文采用回彈模量作為評定其力學性能的指標之一［4］。

1.2路用性能評價指標

（1）高溫穩(wěn)定性

瀝青路面的車轍或永久變形就是瀝青及瀝青混合料粘彈特性的直接反映。瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性通常以車轍試驗來測定，以評價瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

（2）水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性主要是指瀝青混合料抵抗水損害的能力。水損害是瀝青路面的主要病害之一，本文主要采用浸水馬歇爾試驗來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

（3）干縮特性

處于自然條件下的基層材料在經(jīng)歷溫度和濕度變化時，會產(chǎn)生一定量的收縮。在收縮比較嚴重的情況下，往往基層表面會出現(xiàn)有規(guī)律的橫向裂縫，并進一步發(fā)展到面層形成反射裂縫，從而縮短道路的使用壽命，因此必須重視基層材料的干溫縮性能。本文主要采用收縮系數(shù)評價基層材料的收縮特性［5］。

2　力學性能研究

為了評價冷再生混合料的力學性能，本文對冷再生混合料的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量進行了試驗，從而更好地了解原材料對冷再生混合料性能的影響。

本文進行力學性能試驗所采用的混合料為以下三種級配方案：

（1）抽提材料+新骨料+水泥+乳化瀝青；

（2）RAP+新骨料+水泥+乳化瀝青；

（3）RAP+水泥+乳化瀝青。

其中舊瀝青混合料的級配類型為密級配AC-16（中粒式）。

2.1無側(cè)限抗壓強度

本次試驗按照無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料的無側(cè)限抗壓強度試驗方法進行。為了保證試件的溫度達到要求的試驗溫度，將試件在養(yǎng)生期的最后一天置于恒溫水槽中保溫一天。三種混合料試件的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1　三種混合料無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律

從圖1可以看出，三種混合料的抗壓強度普遍偏低。三種混合料的抗壓強度值由高到低的順序為：冷再生混合料1、冷再生混合料2、冷再生混合料3。這是因為原材料的性質(zhì)而使得結(jié)果不同，主要體現(xiàn)在以下三個方面：（1）級配的不同。混合料1是由抽提料、骨料、水泥、乳化瀝青經(jīng)過配制而成，材料之間的嵌擠比較合理?；旌狭?和混合料3中的舊瀝青含量比較多，舊混合料在長期的車輛荷載作用下，粗集料因壓碎而含量低，難以形成骨架結(jié)構(gòu)。（2）舊瀝青中較多瀝青油膜使得水泥難以進入舊瀝青的團料結(jié)構(gòu)中，從而影響水泥水化物的產(chǎn)生，進而影響了強度的提高。（3）老化的舊瀝青變得比較脆，在荷載作用下，礦料與瀝青之間可能發(fā)生了破壞。

此外，三種冷再生混合料的無側(cè)限抗壓強度隨著齡期的增長而不斷增高，但是增長的幅度不同。前期增長快，后期較慢，三種混合料3 d齡期的抗壓強度基本為28 d齡期強度值的60%，前兩種混合料7 d齡期的抗壓強度為28 d齡期強度值的78%，第三種7 d齡期的抗壓強度差不多達到28 d齡期強度值的94%。這說明冷再生混合料的早期強度值較高，這對施工和路面性能都能帶來好的影響。一方面開放交通的時間較早，有利于縮短工期；另一方面可以增強路面結(jié)構(gòu)抵抗車輛荷載的能力，延長路面的使用壽命。

2.2劈裂強度

將三種混合料成型為φ150mm×150mm的圓柱體試件，經(jīng)標準養(yǎng)生后，測其劈裂強度。具體試驗結(jié)果見圖2。

圖2　三種混合料的劈裂強度變化規(guī)律

由圖2可以看出，三種混合料的劈裂強度變化規(guī)律與無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律基本一致。三種混合料早期的劈裂強度較高，早期增長快，隨著齡期的增長強度的提高趨于緩慢。這是由于早期的強度是由材料組成的結(jié)構(gòu)形式以及原材料自身的力學性能所提供的，結(jié)合料還并未和原材料相互粘結(jié)組成整體結(jié)構(gòu)。因此，足夠的膠結(jié)物和合理的級配能夠在一定程度上提高冷再生混合料的劈裂強度。

2.3回彈模量

三種冷再生混合料的回彈模量測試結(jié)果如圖3。

由圖3可以看出，冷再生混合料的回彈模量變化趨勢與抗壓強度和劈裂強度的變化趨勢相似。冷再生混合料的力學性能基本符合一般水泥穩(wěn)定類材料的力學特征，而且性能有所提高，這是添加了穩(wěn)定劑的緣故。三種混合料的原材料級配的差異使得三種混合料在力學性能也表現(xiàn)出一定的差異性。第一種混合料的抽提料比舊瀝青材料更容易與新骨料形成骨架結(jié)構(gòu)，添加的兩種穩(wěn)定劑在一定程度上提升了混合料各方面的性能。第二種混合料盡管受到舊瀝青材料的負面影響，但是兩種添加料還是使混合料應有的性能得到了顯現(xiàn)。第三種混合料與前兩種相比較而言，力學性能稍差一些，但是它在可操作性和經(jīng)濟性方面有較明顯的優(yōu)勢。

3　路用性能研究

在進行冷再生混合料的路用性能研究時，采用的三種混合料是用RAP、水、乳化瀝青、水泥與一定的礦粉按照一定比例配置而成。其中，舊瀝青混合料的級配類型為密級配AC-16（中粒式），礦粉含量為4.6%，選用標號為325的水泥作為添加劑，三種類型混合料的水泥含量分別為1.0% 、1.5%、2.0% ，同時根據(jù)試驗確定不同水泥含量的最佳乳化瀝青用量。

3.1高溫穩(wěn)定性

三種混合料分別成型為300mm×300mm×60mm的板形試塊，在60℃的溫度條件下進行60min的反復碾壓，輪壓為0.7 MPa，測定試塊的動穩(wěn)定度，即每產(chǎn)生1mm車轍所需要的碾壓次數(shù)，以評價瀝青混合料的抗車轍能力。車轍試驗的動穩(wěn)定度結(jié)果如圖4所示。

圖4　三種類型混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可以看出，乳化瀝青冷再生混合料的動穩(wěn)定度在3 600～6 300間，表明乳化瀝青冷再生混合料具有較好的抗車轍的能力，高溫穩(wěn)定性較好，也滿足規(guī)范對瀝青混合料動穩(wěn)定度的要求。三種類型的混合料中所摻入的水泥含量是逐漸增多的，說明水泥含量對混合料的動穩(wěn)定度有一定的影響作用，水泥含量的增加在一定程度上能夠增大混合料的動穩(wěn)定度，進而提高混合料的高溫穩(wěn)定性。

3.2水穩(wěn)定性

采用馬歇爾試驗進行水穩(wěn)定性的測定，將三種混合料分別進行標準馬歇爾試驗和浸水馬歇爾試驗，每種試驗情況擊實次數(shù)分別為50次、75次，試驗結(jié)果如圖5、圖6。

由圖5和圖6可以看出，擊實50次和75次的馬歇爾穩(wěn)定度基本能滿足穩(wěn)定度要求，擊實75次的混合料試件穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度相差不大。

圖5　擊實50次的穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度

圖6　擊實75次的穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度

三種混合料類型的水泥含量是逐漸增大的，穩(wěn)定度卻沒有明顯提高，這是因為三種混合料的乳化瀝青含量不同，混合料的強度是由水泥、乳化瀝青和礦料共同起作用的，與水泥的相關性不大。

3.3收縮特性

將三種混合料成型10cm×10cm×40cm的中梁，然后用保鮮膜包裹防止水分的散失，在20℃條件下進行養(yǎng)護24 h，待梁的強度達到能夠使梁直立起來的時候小心去除保鮮膜，然后測其失水量，計算干縮系數(shù)，并與半剛性材料相比較，對比結(jié)果如表1所示。

表1　不同材料的干縮系數(shù)比較

從表1中可以看出，三種冷再生混合料的干縮系數(shù)高于幾種半剛性基層，三種混合料均滿足基層要求。冷再生混合料的干縮機理在于瀝青的存在減少了混合料內(nèi)部的毛細孔隙，甚至有一些變成了封閉孔隙，經(jīng)過穩(wěn)定劑的處置以及水化物的產(chǎn)生，進一步減少內(nèi)部孔隙，使得內(nèi)部水分難以蒸發(fā)，具有一定的抗干縮能力。

4　效益分析

4.1經(jīng)濟效益分析

本文以一實驗路段冷再生項目為例，進行費用和工期比較。實驗路段長200m，再生路面寬12m，再生方案是在原路面加鋪7cm厚乳化瀝青冷再生混合料。

（1）費用比較

冷再生方案和挖填新建方案的費用比較見表2。

表2　冷再生方案與挖填新建方案的費用比較

由表2可以看出，乳化瀝青冷再生混合料作為下面層與普通方案相比，直接省去了基層費用，冷再生技術方案與普通方案相比費用節(jié)省了將近50%，具有較好的經(jīng)濟效益。

（2）工期比較

冷再生方案和挖填新建方案的工期比較見表3。

表3　冷再生方案與挖填新建方案的工期比較

通過兩種方案的比較可以看出，冷再生工藝的施工工期是挖填新建方案的1/5，大大縮短了工期，同時也減少了中斷交通的時間，對提高綜合運輸效益和社會效益是極其有利的。

4.2社會環(huán)境效益分析

冷再生工藝充分利用舊路材料，不僅能夠減少廢料給環(huán)境帶來的污染，而且也避免了更多的開采礦物材料對環(huán)境的破壞，從環(huán)境效益方面來講，冷再生工藝產(chǎn)生的社會價值是無價的。

與此同時，冷再生工藝的施工還帶來一些其他方面的社會效益：（1）工期的大大縮短，將減少交通中斷時間，也就降低了發(fā)生交通事故的概率；（2）冷再生施工不存在瀝青煙氣，對施工人員帶來極大的切身利益，不用擔心有害物質(zhì)對人的傷害，同時也不像熱瀝青攤鋪工作給施工人員帶來惡劣的高溫作業(yè)環(huán)境，減少了改善施工環(huán)境方面的開支，也減少了因職業(yè)病而引發(fā)的社會福利方面的費用；（3）冷再生工藝基本是就地取材，減少了開山取石的需求量，能夠有效地節(jié)約資源、保護資源，同時也降低了因運輸材料向大氣中排放的貨車尾氣，從而避免了一定程度的空氣污染。

綜上所述，冷再生技術所產(chǎn)生的社會環(huán)境效益，甚至比直接的經(jīng)濟效益更大，冷再生技術將在今后的道路養(yǎng)護方面扮演更重要的角色。

5　結(jié)論

本文對乳化瀝青冷再生混合料進行了力學性能、路用性能和效益分析，得出以下結(jié)論。

（1）冷再生混合料適用于一般公路的基層、底基層或低等級公路路面。

（2）水泥含量的增大在一定程度上能夠提高冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性，適當增多擊實次數(shù)能夠提高冷再生混合料的水穩(wěn)定性，提高冷再生混合料的抗干縮能力還有待研究。

（3）冷再生混合料在社會效益方面產(chǎn)生無法衡量的社會價值。

［1］ 姚輝. 瀝青混合料冷再生技術研究［D］.西安： 長安大學， 2007.

［2］ 周斌. 瀝青路面冷再生方法研究［D］. 西安： 長安大學， 2009.

［3］ 沈金安. 瀝青及瀝青混合料路用性能研究［M］. 北京：人民交通出版社， 2001.

［4］ J.A. Epps. Co1d-Recyc1ed Bituminous Concrete Using Bituminous Materia1s［J］.NCHRP Synthesis of Highway Practice 160.TRB， 1990（7）：19-28.

［5］ 王學信， 郭大進， 李明喜，等. 乳化瀝青水泥混凝土組成及路用性能實驗研究［J］. 公路交通科技， 2003（6）：178-187.

U414

A

1009-7716（2015）01-0159-04

2014-10-16

劉洋（1980-），男，黑龍江泰來人，工程師，在職研究生，研究方向為建筑與土木工程，從事市政能源、工程管理等工作。