乳化瀝青冷再生混合料和易性指標及影響因素

汪德才，郝培文，劉　娜，張海偉，李志剛

乳化瀝青冷再生混合料和易性指標及影響因素

汪德才1，2，郝培文1，劉娜2，張海偉1，李志剛1

（1.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點試驗室，西安710064；2.河南省交通科學技術(shù)研究院有限公司，鄭州450006）

為了研究乳化瀝青冷再生混合料和易性，采用自主研發(fā)的和易性測試設(shè)備，以扭矩值作為乳化瀝青冷再生混合料和易性表征指標，研究了不同特性的乳化瀝青、回收瀝青路面材料（reclaimed asphalt pavement，RAP）摻量及拌和用水量對乳化瀝青冷再生混合料和易性的影響規(guī)律，分析了乳化瀝青冷再生混合料和易性影響因素的顯著性，并通過反算水泥初凝時間以及旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的體積參數(shù)是否在規(guī)范范圍驗證了測試方法及指標的合理性.結(jié)果表明:再生混合料和易性隨著RAP摻量的增加而變差，合適的拌和用水量能顯著改善再生混合料和易性；RAP摻量和拌和用水量對再生混合料和易性有顯著影響，而乳化瀝青特性的影響不明顯；乳化瀝青冷再生混合料在拌和后存在一個最佳壓實時機，推薦扭矩閾值為20 N·m.

道路工程；乳化瀝青冷再生混合料；和易性；測試方法；扭矩閾值

乳化瀝青冷再生技術(shù)可最大限度地循環(huán)利用路面舊料，具有節(jié)能環(huán)保、降低工程造價等優(yōu)點，在當前國家大力推進生態(tài)文明建設(shè)的背景下，越來越受廣大公路工作者的青睞.隨著乳化瀝青冷再生技術(shù)用于道路大中修養(yǎng)護項目的不斷增加，如何有效確保再生路面的施工質(zhì)量是一個重要問題.而乳化瀝青冷再生混合料的和易性是施工特性的一個重要指標，用來描述混合料鋪筑與壓實性能的基本特征，直接關(guān)系到路面的壓實度與平整度.乳化瀝青冷再生混合料拌和后，為確保再生混合料的和易性，從拌和前場運至施工現(xiàn)場后需要在乳化瀝青破乳之前完成攤鋪作業(yè).但由于在施工過程中可能存在機械故障或交通狀況等原因?qū)е略偕旌狭鲜スぷ餍裕ǚ胖脮r間過長）而延誤攤鋪作業(yè)，不能確保再生混合料的整體性和壓實質(zhì)量，因此，拌和后的乳化瀝青冷再生混合料和易性在施工過程中有必要予以明確［1-5］.

目前，國內(nèi)規(guī)范［6］關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料的和易性并未提出明確要求，在應(yīng)用過程中再生混合料的和易性主要根據(jù)目測再生混合料是否變黑、卸車是否困難等現(xiàn)象進行主觀判斷，沒有統(tǒng)一的方法和評價指標對其進行表征，一定程度上影響著乳化瀝青冷再生混合料的壓實質(zhì)量，并制約著乳化瀝青冷再生技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用.因此，正確、合理反映乳化瀝青冷再生混合料拌和、攤鋪過程中的和易性測試方法與指標等方面的研究具有重要現(xiàn)實意義.

1　材料與試驗方法

1.1試驗材料

1）回收瀝青路面材料（RAP）

采用某高速面層的銑刨料，通過阿布森法從RAP中回收瀝青，回收瀝青質(zhì)量分數(shù)為4.9%，其技術(shù)指標測試結(jié)果見表1，RAP抽提前后的篩分結(jié)果見表2.

表1　RAP技術(shù)指標Table 1　Technology properties of recycled asphalt pavement

表2　RAP抽提前后級配組成Table 2　Gradation of RAP before and after extraction test

2）乳化瀝青

基質(zhì)瀝青采用鎮(zhèn)海70號道路石油瀝青，選用工程中常用的3種陽離子慢裂快凝型乳化劑，室內(nèi)采用德國RINK乳化瀝青實驗小磨制備乳化瀝青，記為E1、E2、E3.試驗結(jié)果見表3.

3）級配設(shè)計

根據(jù)JTG F41乳化瀝青冷再生混合料中粒式級配要求進行設(shè)計，RAP摻量分別為70%、80%、90%，添加相應(yīng)的石屑摻量為30%、20%、10%.外摻水泥為普通硅酸鹽水泥，強度等級為32.5，用量均采用1.5%.水為西安地區(qū)的自來水，所有材料檢測指標都符合規(guī)范要求.合成級配分別記為G1、G2、G3，見圖1.

1.2試驗方法

為了能真實合理地反映乳化瀝青冷再生混合料拌和與攤鋪時的和易性，探索初期筆者曾借鑒水泥混凝土坍落度試驗方法測試乳化瀝青冷再生混合料的和易性，但隨著時間的變化混合料坍落度幾乎沒有變化，證明該方法不適于乳化瀝青冷再生混合料.本文中乳化瀝青冷再生混合料和易性測試借助于自主研發(fā)的混合料和易性測試設(shè)備，見圖2，該設(shè)備模擬乳化瀝青冷再生混合料拌和攤鋪過程，利用扭力扳手，測定攪拌葉片在恒定速率下拌和混合料時所受的扭矩值，以扭矩值來表征乳化瀝青冷再生混合料的和易性，扭矩值越大，刀片受到的攪拌阻力越大，說明和易性越差［7-11］.

根據(jù)文獻［12］中關(guān)于使用該和易性測試儀器的方法，試驗步驟如下:

步驟1試驗在常溫下進行，首先在拌鍋中拌和15 kg乳化瀝青冷再生混合料，將再生混合料裝入和易性設(shè)備中，每次裝的方式相同，確保松裝密度基本一致，以減小試驗誤差.

表3　乳化瀝青技術(shù)指標Table 3　Technology properties of emulsified asphalt

步驟2采用相同的轉(zhuǎn)速（3 r/s）勻速轉(zhuǎn)動扭力扳手并記錄數(shù)據(jù)，重復試驗8次，測試過程參見圖3.

2　試驗結(jié)果與討論

2.1和易性與測試時間的關(guān)系

放置時間是影響乳化瀝青冷再生混合料和易性的關(guān)鍵因素，為研究再生混合料和易性隨時間的變化規(guī)律，本文選用 G2（級配類型）與 E2（乳化瀝青），在最佳乳化瀝青用量4.0%、拌和用水量3.6%下進行試驗，測試不同放置時間下乳化瀝青冷再生混合料的和易性，試驗結(jié)果見圖4.

由圖4可知，隨著乳化瀝青冷再生混合料放置時間的增加，再生混合料扭矩變大，并且與放置時間呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.990.分析原因主要是由于乳化劑物理化學的作用，瀝青微珠逐步形成，水分被乳化劑分子間的作用力擠出并開始揮發(fā)，于是瀝青微珠間的相互吸附、擴散、凝結(jié)形成薄膜裹覆于舊料表面，乳化瀝青冷再生混合料逐漸失去工作性，從而引起再生混合料和易性變差；另外，水泥初期強度也會逐漸形成，再生混合料整體強度增加，扭矩變大，致使其和易性逐漸變差，這些都會影響再生混合料難以壓實而無法有效地形成板體結(jié)構(gòu).

在施工過程中，考慮到冷再生用乳化瀝青材料特性、工程運距、交通組織等因素影響，再生混合料設(shè)計通常要求在2 h內(nèi)運至現(xiàn)場進行攤鋪作業(yè)，故本文采用再生混合料拌和后2 h為基準進行測試.

2.2和易性影響因素

影響乳化瀝青冷再生混合料的和易性因素很多，包括再生混合料級配、乳化瀝青特性、拌和用水量、拌和時間與環(huán)境溫度等.本文主要研究RAP摻量、乳化瀝青特性及拌和用水量對乳化瀝青冷再生混合料和易性的影響規(guī)律，具體試驗方案見表4.

2.2.1RAP摻量對和易性的影響

根據(jù)表4中的方案1，采用自主研發(fā)的和易性設(shè)備研究3種不同RAP摻量對再生混合料和易性的影響，試驗結(jié)果見圖5.

表4　試驗方案設(shè)計Table 4　Experiment scheme design

由圖可知，隨RAP摻量的增加乳化瀝青冷再生混合料的所受扭矩增大，再生混合料和易性逐漸變差.當RAP摻量為70%時再生混合料所受扭矩為18.1 N·m，RAP摻量為80%時再生混合料扭矩相比RAP摻量為70%時增加6.6%，RAP摻量為90%時再生混合料扭矩相比 RAP摻量為70%時增加11%.其原因可能是由于新舊料所產(chǎn)生的摩阻力不一樣，RAP摻量為70%時添加新石屑相對較多，適量的細集料在混合料施工過程中能起一定的潤滑作用，因此，RAP摻量為70%的混合料和易性相對較好；RAP摻量為90%時，再生混合料中添加的石屑較少，而且粗集料表面紋理粗糙，集料間摩阻力較大，會降低和易性；這也說明新舊料及粗細料的搭配比例會對再生混合料和易性有影響，因此，在級配設(shè)計中應(yīng)考慮合成級配的均勻性，保證再生混合料具有較好的和易性和較高的強度.

2.2.2拌和用水量對和易性的影響

根據(jù)表4中的方案2，采用自主研發(fā)的和易性設(shè)備研究乳化瀝青冷再生混合料在3種不同拌和用水量下對再生混合料和易性的影響，試驗結(jié)果見圖6.由圖可知，隨著乳化瀝青冷再生拌和用水量的增加，扭矩先減小后增大，當拌和用水量為3.6%時，再生混合料所受扭矩為19.3 N·m，拌和用水量為3.1%時，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量為3.6%時增加了5.7%；拌和用水量為4.1%時，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量為3.6%時增加了3.1%，這說明合適的拌和用水量能改善再生混合料和易性.當拌和用水量較小時，乳化瀝青難以分散均勻，集料顆粒之間潤滑不足，摩阻力較大，再生混合料和易性表現(xiàn)較差；當拌和用水量較多時，再生混合料中細料聚集、粗細料出現(xiàn)離析現(xiàn)象，同樣也導致再生混合料和易性較差.

2.2.3乳化瀝青特性對和易性的影響

選用試驗方案3，在最佳拌和用水量下拌制乳化瀝青冷再生混合料，研究3種不同特性的乳化瀝青對再生混合料和易性的影響，結(jié)果見圖7.分析數(shù)據(jù)可知，不同乳化瀝青冷再生混合料所受扭矩有一定的差異，乳化瀝青E2相比于E1、E3具有較好的和易性，即不同乳化瀝青冷再生混合料表現(xiàn)的和易性也不同，但差別不明顯.一般而言，乳化瀝青粒徑越細，其裹覆RAP后形成的潤滑作用越明顯［13］，再生混合料和易性相應(yīng)越好；另外，用不同乳化劑制備的乳化瀝青，其化學活性、物化性質(zhì)不同，則與舊料的裹覆均勻性、和易性不同［14］.

2.2.4統(tǒng)計分析

對不同RAP摻量、拌和用水量及乳化瀝青特性下乳化瀝青冷再生混合料和易性的扭矩進行統(tǒng)計分析［15］，分析結(jié)果見表5、6.由表5方差分析結(jié)果可知:RAP摻量、拌和用水量對再生混合料和易性有顯著影響，而乳化瀝青特性對再生混合料和易性影響不顯著.由表6統(tǒng)計結(jié)果可知:95%的置信區(qū)間為19.3～20 N·m，其中極大值為20.6 N·m，極小值為17.8 N·m，因此，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果初步建議乳化瀝青冷再生混合料扭矩閾值（和易性指標的臨界值）定為20 N·m.結(jié)合乳化瀝青冷再生混合料和易性與放置時間的關(guān)系（見圖4擬合的線性關(guān)系），可以反算出乳化瀝青冷再生混合料放置時間不宜超過2.5 h，這也與乳化瀝青冷再生混合料中規(guī)定的水泥初凝時間要求基本一致.

表5　方差分析Table 5　Multivariate analysis of variance

表6　和易性扭矩統(tǒng)計結(jié)果Table 6　Statistical result of torque value

2.3驗證和易性指標

據(jù)有關(guān)資料顯示［16］，由于壓實性與和易性之間有一定的聯(lián)系，再生混合料在不同階段的壓實性試驗可以作為其和易性的一個度量，因此，本文基于旋轉(zhuǎn)壓實成型試件方法，試件直徑100 cm，旋轉(zhuǎn)角1.25°，壓力為600 kPa，通過測試不同扭矩值條件下試件的體積參數(shù)是否在合理范圍，進一步探究再生混合料和易性指標的合理性，結(jié)果見圖8.

由圖8分析可知，旋轉(zhuǎn)壓實成型試件空隙率隨放置時間的增加呈現(xiàn)先減小后增大，最后趨于平緩的趨勢，且最低點出現(xiàn)在閾值內(nèi)，這說明再生混合料在確保良好和易性下存在一個最佳的壓實時機.當扭矩值小于20 N·m時，所測空隙率符合目前國內(nèi)規(guī)范標準中關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料空隙率9%～14%的要求.當扭矩測試值大于20 N·m時，空隙率逐漸增大并趨于平緩，最后大于規(guī)范要求的上限值，因此，從壓實試件體積參數(shù)方面也反映出推薦乳化瀝青冷再生混合料和易性閾值為20 N·m合理可行.

3　結(jié)論

1）探討了一種乳化瀝青冷再生混合料和易性的測試方法及指標，提出采用扭矩表征乳化瀝青冷再生混合料的和易性，施工前應(yīng)對乳化瀝青冷再生混合料進行扭矩測定，確保其混合料和易性，提高路面壓實質(zhì)量.

2）乳化瀝青冷再生混合料和易性隨著RAP摻量的增加而變差，當RAP摻量為70%時再生混合料所受扭矩為18.1 N·m，RAP摻量為80%時再生混合料扭矩相比RAP摻量為70%時增加6.6%，RAP摻量為90%時再生混合料扭矩相比RAP摻量為70%時增加11%；隨著乳化瀝青冷再生拌和用水量的增加，扭矩先減小后增大，當拌和用水量為3.6%時，再生混合料所受扭矩為19.3 N·m，當拌和用水量為3.1%時，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量為3.6%時增加了5.7%；拌和用水量為4.1%時，再生混合料所受扭矩相比拌和用水量為3.6%時增加了3.1%，這說明合適的拌和用水量能改善再生混合料和易性；不同特性乳化瀝青冷再生混合料表現(xiàn)的和易性不一致，但差別不明顯.一般而言，乳化瀝青粒徑越細，其裹覆RAP后形成的潤滑作用越明顯，再生混合料和易性相應(yīng)越好.

3）對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，計算得出RAP摻量和拌和用水量對再生混合料和易性有顯著影響，而乳化瀝青特性對再生混合料和易性影響不顯著.根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果推薦了再生混合料和易性閾值為20 N·m，并通過反算水泥初凝時間與旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的體積參數(shù)證明了該測試方法及指標的合理性，也表明乳化瀝青冷再生混合料拌和后存在一個最佳的壓實時機.

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（責任編輯鄭筱梅）

Workability Indicator for Emulsified Asphalt Recycled Mixture and Influence Factors

WANG Decai1，2，HAO Peiwen1，LIU Na2，ZHANG Haiwei1，LI Zhigang1
（1.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710064，China；2.Henan Transportation Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 450006，China）

In order to study the workability of emulsified asphalt cold recycled mixture（ECRM），the different characteristics of emulsified asphalt，reclaimed asphalt pavement（RAP）content and the influence laws of mixing water content were researched with the self-developed workability test equipment.Moreover，the significance level of influence factors was analyzed by statistic methods. Finally，the rationality of this method and the indicator was verified by back-calculating the jelling time and the volume parameter of superpave gyratory compactor（SGC）molding method.The result shows that the workability of ECRM become worse with increasing RAP content，which can be siginificantly improved by proper mixing water content.RAP content and mixing water content have a significantly impacts on the workability，while the emulsified asphalt has no such effects.ECRM has the optimal timing of the compaction after mixing，when the torque threshold is recommended for 20 N·m.

highway engineering；emulsified asphalt recycled mixture；workability；test method；torque threshold

U 416.26

A

0254-0037（2016）06-0919-07

10.11936/bjutxb2015090044

2015-09-17

國家自然科學基金資助項目（51408050）；交通運輸部西部項目中心資助項目（2014316T12050）

汪德才（1983—），男，博士研究生，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究，E-mail:decaiww@126.com