瀝青穩(wěn)定類冷再生混合料抗剪特性研究

史永青

(青海省交通投資有限公司， 西寧 810000)

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瀝青穩(wěn)定類冷再生混合料抗剪特性研究

史永青

(青海省交通投資有限公司， 西寧 810000)

采用乳化瀝青和泡沫瀝青作為冷再生瀝青混合料的穩(wěn)定劑，研究冷再生混合料的三軸抗剪特性。研究表明：乳化瀝青冷再生混合料比泡沫瀝青冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度略高；水泥的摻加能顯著增加冷再生混合料的內(nèi)摩擦角及粘聚力；而粘聚力隨著瀝青穩(wěn)定劑用量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角則隨瀝青用量增大而降低，且影響內(nèi)摩擦角的主要因素為集料顆粒組成而非瀝青穩(wěn)定劑的類型。

冷混合；三軸試驗(yàn)；剪切；粘聚力；內(nèi)摩擦角

近年來，隨著我國國家高速公路網(wǎng)的基本建成，我國早期建成的高等級(jí)公路陸續(xù)進(jìn)入大中修期，而因維修養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的路面廢舊材料也越來越多。在此背景下，泡沫瀝青冷再生技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，且得到了較為廣泛的研究與應(yīng)用[1]。

許多學(xué)者通過大量室內(nèi)試驗(yàn)，從宏觀力學(xué)性能上揭示水泥對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料的性能影響，并研究了水泥對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，增加水泥用量可提高泡沫瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，且其作為活性填料，可明顯改善泡沫瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性[2-3]。Pouliot.N及Sadd.M. H等研究了膠漿-集料界面的微觀結(jié)構(gòu)和模擬乳化瀝青水泥混凝土的微觀結(jié)構(gòu)特性[4-5]。Jenkins等對(duì)運(yùn)營多年的再生實(shí)體工程進(jìn)行了抗剪性能追蹤評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)冷再生路面的抗剪性能在運(yùn)營2～5年內(nèi)呈增長趨勢(shì)，而5年后其抗剪性能基本趨于穩(wěn)定[6]。李秀君[7]采用貫入剪切試驗(yàn)研究了泡沫瀝青冷再生混合料的高溫抗剪切性能，結(jié)果表明，在泡沫瀝青冷再生混合料中添加水泥可提高混合料的早期強(qiáng)度及水穩(wěn)定性，增加水泥摻量可明顯提高混合料的抗剪強(qiáng)度。掃描電鏡研究表明水泥水化產(chǎn)物和冷再生混合料膠漿在混合料內(nèi)交織形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在提高混合料抗剪強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)混合料內(nèi)部不同體積的空隙數(shù)量也會(huì)產(chǎn)生影響[8]。

目前，國內(nèi)外研究者對(duì)冷再生混合料性能進(jìn)行了相關(guān)研究，但對(duì)泡沫瀝青及乳化瀝青的三軸抗剪特性研究較少，且對(duì)于瀝青穩(wěn)定劑類型、水泥摻量、RAP摻量及級(jí)配的相互影響的研究也較少。因此，本文針對(duì)不同穩(wěn)定劑類型、水泥摻量、RAP摻量及級(jí)配的冷再生混合料進(jìn)行三軸試驗(yàn)，以探究各因素對(duì)冷再生混合料抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

新集料采用石灰?guī)r，其物理性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表1。RAP為某高速公路路面銑刨料，RAP與新集料的合成級(jí)配見圖1。泡沫瀝青或者乳化瀝青分別標(biāo)記為P和R。RAP摻量分別為25%、75%，并分別標(biāo)記級(jí)配為P(R)25和P(R)75。冷再生混合料采用42.5普通硅酸鹽水泥，水泥外摻分別為0%和1.5%，并標(biāo)記為P(R)25-1.5、 P(R)25-0及P(R)75-1.5、P(R)75-0。拌和用水為普通自來水。例如，P25-1.5代表RAP摻量為25%，水泥摻量為1.5%的泡沫瀝青冷再生混合料；而R75-0代表RAP摻量為75%，不摻加水泥的乳化瀝青冷再生混合料。

表1 新集料檢測(cè)結(jié)果

發(fā)泡瀝青為SK70#基質(zhì)瀝青，其發(fā)泡特性指標(biāo)膨脹率和半衰期的試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)發(fā)泡試驗(yàn)，確定最佳發(fā)泡條件為：溫度為165 ℃，發(fā)泡用水量為2%。

表2 瀝青發(fā)泡特性試驗(yàn)結(jié)果

注：160 ℃、165 ℃、170 ℃為發(fā)泡溫度。

圖1 泡沫瀝青冷再生混合料合成級(jí)配

乳化瀝青選用克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青和維實(shí)偉克乳化劑，用膠體磨乳化而成，固含量為63.5%。其主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)RAP級(jí)配及石屑級(jí)配情況和重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定P(R)25及P(R)75的拌和用水量分別為6.0%及5.2%。以濕劈裂強(qiáng)度(ITS)峰值對(duì)應(yīng)的泡沫/乳化瀝青用量確定最佳瀝青用量，同時(shí)需兼顧最佳瀝青用量下的馬歇爾試件干濕ITS比不小于75%，最終確定P(R)25及 P(R)75兩種級(jí)配混合料的最佳泡沫瀝青用量分別為3.3%和2.7%，乳化瀝青用量分別為4.2%和3.7%。

表3 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果處理

2.1 試件成型及養(yǎng)生

根據(jù)前述2種級(jí)配成型不同水泥摻量的試件，對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料的三軸抗剪性能進(jìn)行探究。試驗(yàn)中不摻加水泥的混合料采用1.5%的礦粉替代。三軸試驗(yàn)試件為靜壓成型直徑D=100 mm，高度h=200 mm圓柱體試件。靜壓成型后試件置于40 ℃烘箱內(nèi)養(yǎng)生72 h。

2.2 試驗(yàn)條件

試件養(yǎng)生完成后，取出試件置于室溫靜置冷卻12 h，再放入25 ℃環(huán)境箱內(nèi)保溫12 h，即試驗(yàn)溫度為25 ℃。靜態(tài)三軸試驗(yàn)控制在2.4%應(yīng)變率，且控制在25、50、100、200 kPa 四種不同圍壓下進(jìn)行25 ℃三軸剪切試驗(yàn)，每個(gè)圍壓下進(jìn)行3個(gè)平行試驗(yàn)。2種級(jí)配不同水泥摻量的泡沫瀝青冷再生混合料試件的三軸抗剪試驗(yàn)結(jié)果見表4。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果處理

利用圖2所示莫爾圓及其幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)出三軸抗剪參數(shù)計(jì)算公式(1)，且結(jié)合三軸試驗(yàn)及公式(1)可以計(jì)算泡沫瀝青冷再生混合料的三軸抗剪參數(shù)。

(1)

式中：σg1為豎向主應(yīng)力；σg3為側(cè)向圍壓應(yīng)力；c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

圖2 三軸剪切試驗(yàn)的莫爾圓示意

3 再生混合料抗剪強(qiáng)度分析

對(duì)試驗(yàn)獲取的粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果見表4。表4中計(jì)算方差結(jié)果表明：試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。對(duì)于相同級(jí)配再生混合料，其內(nèi)摩擦角差別不大，但是對(duì)于不同瀝青穩(wěn)定劑再生混合料，其內(nèi)摩擦角差別較大。3種類型混合料在不同瀝青穩(wěn)定劑及不同水泥摻量條件下，其內(nèi)摩擦角分別是39.7°、42.5°，28.7°、30.7°，33.4°、34.2°。這說明對(duì)于再生混合料內(nèi)摩擦角而言，集料性能和水泥填料對(duì)內(nèi)摩擦角的影響要比粘結(jié)料類型對(duì)內(nèi)摩擦角的影響大得多。

表4 粘聚力和內(nèi)摩擦角

泡沫/乳化瀝青冷再生混合料不同摻量RAP對(duì)內(nèi)摩擦角及粘聚力影響見圖3。從圖3可以看出，無論是乳化瀝青還是泡沫瀝青混合料，隨著RAP摻量的增加，泡沫瀝青冷再生混合料的粘聚力與內(nèi)摩擦角均產(chǎn)生了不同程度的降低。RAP作為泡沫瀝青冷再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)的主要材料，在混合料中占有極其重要的位置。由于摻加大量的廢舊瀝青路面銑刨料，其棱角性長期磨損，嵌擠后不能形成足夠的摩阻力；加之RAP有廢舊瀝青包裹，冷再生技術(shù)無法恢復(fù)舊瀝青性能，反而潤滑了集料表面，從而影響到再生混合料的三軸特性。而乳化瀝青冷再生混合料則隨著RAP摻量增加其粘聚力有所提高，這主要是舊瀝青包裹集料對(duì)其粘聚力產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，因2種混合料的瀝青分布狀態(tài)不一致，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在差別。因此，在冷再生混合料的設(shè)計(jì)過程中，需慎重考慮RAP的摻量，以改善混合料的性能。

泡沫/乳化瀝青冷再生混合料不同水泥摻量對(duì)內(nèi)摩擦角及粘聚力影響見圖4。從圖4可以看出，水泥不僅可以提高冷再生混合料的粘聚力，而且對(duì)冷再生混合料的內(nèi)摩擦角也起到至關(guān)重要的作用。對(duì)于水泥摻量為1.5%的再生混合料，粘聚力變化不受瀝青穩(wěn)定劑類型的影響，其變化范圍為380～400 kPa，這說明水泥在冷再生混合料的粘聚力形成中起主導(dǎo)作用。對(duì)于P(R)25-0混合料，泡沫瀝青粘聚力要高于乳化瀝青冷再生混合料的粘聚力；而P(R)75-0混合料則相反，泡沫瀝青混合料的粘聚力要低于乳化瀝青混合料的粘聚力。分析其原因，發(fā)現(xiàn)P(R)75級(jí)配類型中細(xì)料含量過少，且由于2種瀝青穩(wěn)定劑的裹覆狀態(tài)不一樣，乳化瀝青完全裹覆于集料表面，而泡沫瀝青在集料中是“點(diǎn)焊狀”分布，這種裹覆狀態(tài)的差異導(dǎo)致其混合料強(qiáng)度有所差別，從而進(jìn)一步證實(shí)了再生混合料的粘聚性會(huì)受混合料級(jí)配及穩(wěn)定劑類型的影響。

乳化瀝青和泡沫瀝青的抗剪性能差異并不明顯，且與RAP摻量關(guān)系密切。對(duì)于P(R)25-0再生混合料，采用乳化瀝青穩(wěn)定的混合料性能要高于泡沫瀝青穩(wěn)定類混合料；而對(duì)于P(R)75-0混合料，其結(jié)果剛好相反。對(duì)于添加水泥填料的再生混合料(P(R)25-1.5)，無論采用泡沫瀝青還是乳化瀝青進(jìn)行穩(wěn)定，其抗剪性能差別不大。這就證明了乳化瀝青穩(wěn)定劑對(duì)集料有一定的選擇性，即新集料與乳化瀝青的配伍性要高于RAP與乳化瀝青的配伍性。

為了進(jìn)一步明確瀝青用量在冷再生混合料內(nèi)的影響，本文分別對(duì)不同摻量的泡沫瀝青及乳化瀝青冷再生混合料的抗剪特性進(jìn)行研究，其水泥摻量為1.5%，乳化瀝青及泡沫瀝青摻量分別為1%、3%和5%。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖3 不同RAP摻量下冷再生混合料三軸抗剪參數(shù)

圖4 不同水泥摻量下冷再生混合料三軸抗剪參數(shù)

不同泡沫瀝青用量情況下，泡沫瀝青冷再生混合料的抗剪參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果見圖5(a)。由圖5(a)可以看出，泡沫瀝青冷再生混合料的粘聚力與內(nèi)摩擦角大小受泡沫瀝青用量影響發(fā)生明顯變化。隨著泡沫瀝青用量的增加，泡沫瀝青冷再生混合料的粘聚力出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。即，隨著泡沫瀝青用量的增大，混合料的粘聚力值增大到一定程度后不再增加，反而出現(xiàn)下降。這說明在一定范圍內(nèi)，泡沫瀝青用量增加可以提高混合料的粘聚力。分析其原因：1) 泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)部泡沫瀝青是以“點(diǎn)焊狀”分布于集料之間，形成類似于“瑪蹄脂”的結(jié)構(gòu)，起到集料間的粘結(jié)作用。2) 在一定范圍內(nèi)，隨著泡沫瀝青用量的增加，泡沫瀝青在混合料內(nèi)部的分散狀況更為均勻，混合料形成的粘聚力就會(huì)增加，而當(dāng)泡沫瀝青用量增加到一定程度后，混合料內(nèi)部的泡沫瀝青過多，會(huì)使“點(diǎn)焊狀”瀝青聚集成為一片，對(duì)泡沫瀝青在混合料中的分散起到副作用；同時(shí)，對(duì)原本粗糙的集料間形成一定的潤滑作用，從而會(huì)導(dǎo)致混合料內(nèi)的粘聚力的下降。3) 隨著泡沫瀝青用量在一定范圍內(nèi)增加，混合料內(nèi)的內(nèi)摩擦角變化相對(duì)穩(wěn)定，而隨著瀝青用量的繼續(xù)增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這說明內(nèi)摩擦角主要受集料間的嵌擠摩擦影響，而泡沫瀝青的增加，對(duì)原有集料的表面產(chǎn)生一定的裹覆、潤滑效果，且泡沫瀝青用量越大，這種裹覆與潤滑效果就越強(qiáng)。因此，隨著泡沫瀝青用量的增加，混合料內(nèi)部的內(nèi)摩擦角會(huì)顯著減小。綜上所述，對(duì)于冷再生混合料，泡沫瀝青用量的選用極為重要，其直接影響到混合料的抗剪性能。

不同乳化瀝青用量情況下，乳化瀝青冷再生混合料的抗剪參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果見圖5(b)。由圖5(b)可以看出，乳化瀝青冷再生混合料的粘聚力與內(nèi)摩擦角大小受乳化瀝青用量影響發(fā)生明顯變化。隨著乳化瀝青用量的增加，混合料內(nèi)部的抗剪參數(shù)變化趨勢(shì)與泡沫瀝青冷再生混合料的變化趨勢(shì)極為接近。但泡沫瀝青與乳化瀝青在混合料內(nèi)部的裹覆狀態(tài)截然不同。乳化瀝青在冷再生混合料內(nèi)部和集料呈現(xiàn)完全裹覆的狀態(tài)，其與熱拌瀝青混合料中瀝青和集料的裹覆方式接近，均在集料表面形成一層瀝青膜。分析粘聚力發(fā)生此種變化的原因?yàn)椋?) 在乳化瀝青摻量不大時(shí)，隨著乳化瀝青用量的增加，混合料內(nèi)集料表面裹覆的乳化瀝青薄膜越來越厚；而一定程度下，較厚的瀝青薄膜產(chǎn)生的粘結(jié)作用要高于較薄的瀝青膜產(chǎn)生的膠結(jié)作用，故在一定乳化瀝青用量情況下，混合料內(nèi)部的粘聚力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。2) 當(dāng)乳化瀝青用量增加到一定程度時(shí)，乳化瀝青在集料表面的粘結(jié)作用開始下降，表現(xiàn)出“多余”的效果；而在粘結(jié)作用不再增大的同時(shí)，“多余”的乳化瀝青起到潤滑作用，在集料間形成潤滑效果，減小了混合料內(nèi)部的粘聚力。3) 隨著乳化瀝青用量的增加，混合料內(nèi)部的水分也明顯增加，而養(yǎng)生完成后，水分散失，形成的空隙也要大于低乳化瀝青用量的混合料，導(dǎo)致其混合料強(qiáng)度也隨之下降，但由于該瀝青摻量下空隙作用遠(yuǎn)小于瀝青增加所呈現(xiàn)出的粘結(jié)作用，故該階段并未起到主導(dǎo)作用。

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，再生混合料內(nèi)摩擦角隨著水泥摻量的增加提高較為明顯；對(duì)比泡沫瀝青與乳化瀝青2種穩(wěn)定劑，水泥對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料的內(nèi)摩擦角影響要大于其在乳化瀝青冷再生混合料中起到的作用；級(jí)配變化對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)較小，水泥對(duì)于再生混合料粘聚力的形成起到主導(dǎo)作用，其貢獻(xiàn)比穩(wěn)定劑類型、級(jí)配類型及RAP摻量貢獻(xiàn)大得多；盡管乳化瀝青和泡沫瀝青2種穩(wěn)定劑的裹覆狀態(tài)不一致，但其對(duì)混合料的抗剪參數(shù)影響類似，均產(chǎn)生較大影響，同時(shí)，作為冷再生混合料的重要組成部分，RAP摻量對(duì)其混合料性能也有較大影響，因此，進(jìn)行冷再生混合料設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮水泥、RAP摻量及瀝青用量對(duì)混合料性能的影響。

4 結(jié)論

本文對(duì)不同RAP摻量、不同水泥摻量的乳化及泡沫瀝青冷再生混合料抗剪性能進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1) 靜態(tài)三軸試驗(yàn)表明摩擦角大小更多地取決于集料組分(集料類型和水泥填料使用)而不是粘結(jié)料的類型。在混合料中RAP摻量越多其摩擦角就越小。而水泥填料能大大增加冷再生混合料的粘聚力，僅添加1.5%的水泥就能使冷再生混合料的粘聚力翻倍。但另一方面，由于水泥填料的添加，混合料摩擦角變小，水泥能使混合料干縮，故應(yīng)適當(dāng)控制水泥含量。

2) 盡管乳化瀝青和泡沫瀝青2種穩(wěn)定劑的裹覆狀態(tài)不一致，但瀝青對(duì)混合料的抗剪參數(shù)影響類似：粘聚力隨著瀝青用量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦則隨瀝青用量增大而降低。

3) 乳化瀝青和泡沫瀝青的性能比較更多地取決于集料級(jí)配。當(dāng)添加1.5%的水泥填料時(shí)，乳化瀝青混合料和泡沫瀝青混合料抗剪性能差別不大。

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Study on Anti-shearing Behavior of Asphalt Stabilizing Type Cold Recycled Mixture

SHI Yongqing

Using emulsified asphalt and foamed asphalt as stabilizer of cold regenerated asphalt mixture, this paper studies 3-axis shear behavior of cold regenerated asphalt mixture. Results show that the emulsified asphalt cold regenerated asphalt mixture has better anti-shearing behavior than that of the foamed asphalt cold regenerated asphalt mixture. Adding cement may obviously increase internal friction angle and cohesive strength of cold regenerated asphalt mixture; However, the cohesive strength has the trend of increase and reduce with the increasing of asphalt stabilizer, the internal friction angle reduces with the increment of asphalt, the major factor affect internal friction angle is composition of aggregate grains but not the types of asphalt stabilizer.

cold mixing; 3-axis test; shearing; cohesive strength; internal friction angle

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.010

浙江省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2014H26)

2016-08-05

史永青(1974-)，男，青海省湟中縣人，大專，工程師。

1009-6477(2016)05-0036-06

U416.217

A