乳化瀝青冷再生混合料施工時間確定方法研究

趙 立 魏定邦 丁 民 曹青霞

(1 甘肅省公路管理局，甘肅 蘭州 730000；2 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司，甘肅省公路養(yǎng)護技術(shù)工程研究中心，甘肅蘭州 730020)

在較長的一段時期內(nèi)，冷再生混合料缺少規(guī)范的設(shè)計方法。隨著對混合料工程性能的要求不斷提高，很多國家和地區(qū)都提出了冷再生混合料設(shè)計方法，但是目前還沒有全球普遍認(rèn)可的設(shè)計方法，即便是在美國，各個州的冷再生混合料設(shè)計方法也不盡相同。Lee等的調(diào)研報告稱，美國有11個州使用馬歇爾混合料設(shè)計方法，3個州使用維姆設(shè)計方法，4個州使用旋轉(zhuǎn)壓實儀，7個州使用其他方法，還有4個州沒有自己的方法[1～3]。近幾年來，隨著大多數(shù)國家相繼進入公路養(yǎng)護時代，以及低碳環(huán)保的全球趨勢，再生作為一種主要的路面養(yǎng)護方式被提出來，南非、瑞典等國家相繼提出自己的混合料設(shè)計方法。南非瀝青協(xié)會于2009年修訂完成了《Technical Guideline:Betumen Stabilised Materials》對泡沫瀝青和乳化瀝青穩(wěn)定混合料的設(shè)計施工作為較為詳盡的規(guī)定[4～6]。其中的混合料設(shè)計方法是在最近大量研究工作的基礎(chǔ)上提出的，與其他國家的方法有十分明顯的不同。

此外，一些從事乳化瀝青或者公路行業(yè)的公司也提出了自己的設(shè)計方法，如SHELL、Colas、Akzon Nobel等公司，也為冷再生技術(shù)的發(fā)展做出了相應(yīng)的貢獻[7～8]。

廠拌乳化瀝青冷再生混合料從生產(chǎn)到攤鋪需要經(jīng)過運輸過程，在大多數(shù)工程中這個時間在2～4小時不等。但是由于乳化瀝青的特點，一般采用慢裂慢凝乳化劑，能夠保證一定的施工時間。但是如何確定施工時間，一般都由工程經(jīng)驗總結(jié)而來，國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、指南均無相關(guān)試驗方法。乳化瀝青破乳后會引起混合料整體粘度上升，造成無法卸車，碾壓困難或碾壓粘輪等問題，如圖1所示。因此本文針對上述問題，采用旋轉(zhuǎn)壓實后乳化瀝青冷再生混合料的體積指標(biāo)變化以及無側(cè)限抗壓強度變化來確定其施工時間[9～10]。

圖1 乳化瀝青冷再生混合料破乳造成碾壓時粘輪

1 實驗部分

1.1 材料

1.基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用殼牌90#A級瀝青制備，其所檢指標(biāo)均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》。

1.1.2 乳化劑

乳化劑采用法國阿科瑪CECA 4582M慢裂慢凝乳化劑。

1.1.3 RAP

RAP采用蘭州高養(yǎng)中心樹屏料場銑刨料，篩分結(jié)果如表1。

1.2 試件制備及測試

1.2.1 樣品拌合

1)銑刨料干拌、預(yù)摻水拌和的環(huán)境溫度宜控制在25℃±2℃的范圍內(nèi)；

2)試件成型溫度應(yīng)控制在25℃±2℃的范圍內(nèi)；

3)將稱取后的RAP材料在25℃±2℃的環(huán)境溫度下存放至少一個小時，至RAP料達到該養(yǎng)生溫度；

4)加入預(yù)摻水并開始拌和，拌和時間不少于1分鐘；

5)加入相應(yīng)質(zhì)量的乳化瀝青，將混合料充分拌和至均勻。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)壓實成型

1)將拌和均勻的混合料在室內(nèi)放置一定時間后放入旋轉(zhuǎn)壓實儀試模，并壓實成型，旋轉(zhuǎn)壓實儀的壓力設(shè)定為600kPa，內(nèi)部角控制為1.25°，設(shè)計旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)選擇為70次；

2)試件壓實成型后迅速脫模，將脫模后的試件放在60℃的養(yǎng)生條件下養(yǎng)生24小時；

3)養(yǎng)生結(jié)束后測量體積指標(biāo)。

1.2.3 無側(cè)限抗壓強度測試

1)將拌和均勻的混合料放入φ100mm的馬歇爾試模中，上面采用6.5Kg進行壓實模擬運輸過程中混合料受到的壓力，至一定時間后取出后脫模；

2)以200mm/min速度進行無側(cè)限抗壓強度測試，采集其最大壓力Fmax。

2 結(jié)果與討論

采用上述兩種方法確定乳化瀝青混合料的最佳施工時間，將拌合好的混合料在室內(nèi)分別放置1h、2h、3h、4h、5h后進行測試。

乳化瀝青冷再生混合料配合比如表2所示。

2.1 不同旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)對乳化瀝青冷再生混合料的影響

乳化瀝青冷再生混合料的破乳屬于碾壓破乳，壓實功越大，乳化瀝青破乳程度越高，混合料的早期強度越高，同時混合料的密實度越大，耐久性能越好。在上述級配下，按旋轉(zhuǎn)壓實圈數(shù)控制成型試件，測試試件的體積指標(biāo)及力學(xué)性能，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同旋轉(zhuǎn)壓實圈數(shù)對應(yīng)的試件孔隙率和劈裂強度

旋轉(zhuǎn)壓實試件孔隙率普遍較馬歇爾試件低，由圖2可以看到，隨著壓實圈數(shù)增加，冷再生混合料孔隙率逐漸降低，劈裂強度逐漸增加，當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)超過50次后，孔隙率降低至9%以下，劈裂強度增加至0.5MPa以上，旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)超過70次以后，孔隙率降低及劈裂強度增長均較為緩慢。

表1 RAP料、水泥篩分試驗結(jié)果表

表2 乳化瀝青冷再生配合比

2.2 乳化瀝青破乳對混合料旋轉(zhuǎn)壓實體積指標(biāo)的影響

采用旋轉(zhuǎn)壓實方法成型試件，隨著乳化瀝青的逐步破乳，混合料體系粘度增大，在壓實時會產(chǎn)生較大的阻力，使得最終的成型試件高度增加，試件孔隙率增大，相應(yīng)的劈裂強度也降低，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 成型時間對試件高度、劈裂強度的影響

由圖3可以看到，隨著壓實圈數(shù)的增加，試件高度從93mm左右降低至80mm左右；由于受到乳化瀝青破乳的影響，將拌合好的試樣放置4小時后再成型，試件高度從93mm急劇增加至100mm左右，說明此乳化瀝青混合料的可施工試件在4小時以內(nèi)，超過4小時，由于體系粘度增加，會影響到混合料卸車及攤鋪碾壓。

同時，隨著放置時間的增加，劈裂力值在4.5～5小時會有一個峰值，超過5小時后劈裂力值迅速下降。說明乳化瀝青冷再生混合料有一個最佳的壓實時間，在此時間壓實，會取得良好的早期力學(xué)性能。這是因為乳化瀝青冷再生混合料的早期強度取決于混合料中水的含量，水含量越少，強度越高?！豆窞r青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)中也規(guī)定，當(dāng)混合料中水含量小于2%時或者可鉆出完整芯樣時，即可進行下一步施工。化學(xué)作用和外力碾壓均可導(dǎo)致乳化瀝青破乳，使其水分散失、強度增加，選擇在乳化瀝青化學(xué)破乳時進行碾壓，可使得混合料內(nèi)部水分最大程度的散失，產(chǎn)生較高的強度。

2.3 無側(cè)限抗壓強度確定施工時間

乳化瀝青冷再生混合料在運輸過程中受到料堆壓力，乳化瀝青也會發(fā)生破乳現(xiàn)象，造成卸車?yán)щy。但是如何確定施工時間，一般都由工程經(jīng)驗總結(jié)而來，國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、指南均無相關(guān)試驗方法。本文采用乳化瀝青混合料試件無側(cè)限抗壓強度變化情況，來確定混合料的可施工時間。

配比A與配比B是兩種不同乳化劑摻量的乳化瀝青制備而成，配比A中乳化劑摻量為2.5%，配比B中乳化劑摻量為2.0%。試驗結(jié)果如圖4所示：

從圖4可以看到，乳化瀝青冷再生混合料的無側(cè)限抗壓強度力值呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，配比A的抗壓強度峰值出現(xiàn)在5小時，而配比B的抗壓強度峰值出現(xiàn)在3小時。隨著乳化瀝青的破乳，混合料粘度增加，其抗壓強度逐步增加并出現(xiàn)峰值；但是當(dāng)乳化瀝青破乳完成還未進行壓實時，混合料呈現(xiàn)散狀顆粒，無法將整體粘結(jié)起來，不具備整體強度，因此，無側(cè)限抗壓強度反而下降，部分試件由于松散甚至無法脫模。配比B中經(jīng)過6小時的放置，混合料已經(jīng)完全破乳，因此其測試強度只有不到0.1kN。

通過上述試驗，對于可施工時間，應(yīng)選取在峰值前1小時，以確保卸車過程以及攤鋪過程。因此配比A與配比B的可施工時間應(yīng)在4小時和2小時。

圖4 放置時間對無側(cè)限抗壓強度的影響

3 結(jié) 語

1)旋轉(zhuǎn)壓實可促進乳化瀝青破乳，當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)超過50次后，孔隙率降低至9%以下，劈裂強度增加至0.5MPa以上，旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)超過70次以后，孔隙率降低及劈裂強度增長均較為緩慢。

2)旋轉(zhuǎn)壓實后試件體積指標(biāo)以及定壓力放置下試件無側(cè)限抗壓強度均能夠反應(yīng)出乳化瀝青冷再生混合料的可施工時間，對于配比A，其可施工時間為4小時，配比B為2小時。

3)旋轉(zhuǎn)壓實試件以及無側(cè)限抗壓強度先升高后降低的特征表明乳化瀝青冷再生混合料的壓實有一個最佳時間，在此時間段，乳化瀝青的化學(xué)破乳及碾壓破乳可以最大限度的將混合料內(nèi)部水分排出，從而獲得較高的早期強度。

[1]AASHTO T 165-55.Effect of Water on Cohesion of Compacted Bituminous Mixtures.Standard Specifications for Transportation Materials and Methods and Sampling and Testing Part II：Tests. Washington D.C.,1997.

[2]AASHTO T 182-84.Coating and Stripping of Bitumen-Aggregate Mixtures.Standard Specifications for Transportation Materials and Methods and Sampling and Testing Part II：Tests. Washington D.C., 1997.

[3]AASHTO T 283-89.Resistance of Compacted Bituminous Mixture to Moisture-Induced Damage. Standard Specifications for Transpor tation Materials and Methods and Sampling and Testing Part II： Tests.Washington D.C.,1993.

[4]ASTM D1075,Standard Test Method for Effect of Water on Compressive Strength of Compacted Bituminous Mixtures.Annual Book of ASTM Standards 4.03.West Conshohocken,PA：ASTM International, 2004.

[5]ASTM D3497.Standard Test Method for Dynamic Modulus of Asphalt Mixtures.Annual Book of ASTM Standards 4.03. West Conshohocken,PA ： ASTM International,2003.

[6]ASTM D3625,Standard Practice for Effect of Water on Bituminous-Coated Aggregate Using Boiling Water.Annual Book of ASTM Standards 4.03.West Conshohocken,PA：ASTM International,2005.

[7]ASTM D4867.Standard Test Method for Effect of Moisture on Asphalt Concrete Paving Mixtures. Annual Book of ASTM Standards 4.03.West Conshohocken,PA： ASTM International, 2004.

[8]Witczak,M.W.,Kaloush,K.,Pellinen,T.,El-Basyouny,M.,Von Quintus,H.,Simple Performance Test for Superpave Mix Design. National Cooperative Highway Research Program (NCHRP)Report 465, 2002.

[9]Witczak,M.W.,NCHRP Report 547： Simple Performance Tests：Summary of Recommended Methods and Database.Transportation Research Board,National Highway Research Council,Washington D.C., 2005.

[10] R.Christopher Williams,Report 2010：Evaluation of Hot Mix Asphalt Moisture Sensitivity Using the Nottingham Asphalt Test Equipment.Iowa state university institute for transportation,2010.