泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的剪切性能

王 燕

(西安思源學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，陜西西安 710038)

泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的剪切性能

王 燕

(西安思源學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，陜西西安 710038)

為了檢驗(yàn)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切性能，采用簡(jiǎn)易三軸試驗(yàn)?zāi)M路面內(nèi)部瀝青冷再生混合料的受力狀態(tài)，分析瀝青結(jié)合料的種類和摻量、試驗(yàn)級(jí)配、水泥摻量、RAP摻配比例對(duì)混合料抗剪切強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料具有較大的內(nèi)摩擦角和較小的黏聚力;泡沫(乳化)瀝青最佳用量可采用簡(jiǎn)易三軸試驗(yàn)剪切強(qiáng)度峰值確定。

泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料;簡(jiǎn)易三軸試驗(yàn);剪切強(qiáng)度;機(jī)理分析

1 原材料與試驗(yàn)方法

1．1 試驗(yàn)原材料及試件制備

試驗(yàn)選擇中粒式泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料級(jí)配，RAP來(lái)源于施工現(xiàn)場(chǎng)，粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂。經(jīng)檢測(cè)，RAP和新集料各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足《瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41—2008)的要求?；|(zhì)瀝青采用SK90 A級(jí)道路石油瀝青，選用工程中使用的阿克蘇慢裂慢凝陽(yáng)離子乳化劑，在室內(nèi)以小型膠體磨自制乳化瀝青，并采用維特根WLB110S泡沫瀝青發(fā)泡機(jī)生產(chǎn)泡沫瀝青，兼顧膨脹率和半衰期2個(gè)指標(biāo)，確定最佳發(fā)泡溫度為160℃，最佳發(fā)泡用水量為2．0%，在最佳發(fā)泡條件下泡沫瀝青的膨脹率為25倍，半衰期為21 s。泡沫(乳化)瀝青的技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。水泥采用P·O32．5普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)不同試驗(yàn)?zāi)康恼{(diào)整水泥摻量。每種瀝青結(jié)合料選擇5個(gè)級(jí)配，混合料合成級(jí)配見(jiàn)表1。泡沫瀝青冷再生混合料合成級(jí)配分別記為FAGP1、FAGP2、FAGP3、FAGP4、FAGP5，乳化瀝青冷再生混合料合成級(jí)配分別記為 EAGP1、EAGP2、EAGP3、EAGP4、EAGP5，室內(nèi)試驗(yàn)選擇的 5種混合料級(jí)配涵蓋了工程中常用的級(jí)配范圍和級(jí)配類型，具有一定的代表性。采用修正馬歇爾法確定1．5%水泥摻量、80%RAP摻配比例下泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表2。根據(jù)TMTS配套的磨具尺寸，以馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密度為基準(zhǔn)，成型高150 mm、直徑為150 mm的圓柱體試件，40℃養(yǎng)生3 d后備用。

表1 泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料試驗(yàn)級(jí)配%

表2 泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

1．2 試驗(yàn)?zāi)康呐c方案

對(duì)比泡沫和乳化瀝青冷再生混合料抗剪切性能，研究泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料對(duì)混合料級(jí)配變化的敏感性，每個(gè)瀝青膠結(jié)料選擇5個(gè)中粒式合成級(jí)配，研究細(xì)集料含量對(duì)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強(qiáng)度的影響;變化4種水泥摻量(0、1%、1.5%、2%、2．5%)和 5 種泡沫(乳化)瀝青摻量(2.5%、3%、3.5%、4．0%、4．5%)，研究水泥和泡沫(乳化)瀝青摻量對(duì)冷再生混合料強(qiáng)度的影響;變化4種RAP摻量(70%、80%、90%、100%)，研究 RAP摻量對(duì)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強(qiáng)度的影響;基于SEM技術(shù)研究水泥水化產(chǎn)物、水泥泡沫(乳化)瀝青膠漿共混物相互作用機(jī)理。

1．3 簡(jiǎn)易三軸試驗(yàn)加載原理

三軸試驗(yàn)溫度采用25℃，加載速率為1 mm·min－1，三軸試驗(yàn)加載見(jiàn)圖1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。圖1、2中:τf為抗剪切強(qiáng)度;c為黏聚力;σ為作用于破壞面的正應(yīng)力。

圖1 簡(jiǎn)易三軸試驗(yàn)加載

2 泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強(qiáng)度影響因素分析

2．1 級(jí)配對(duì)冷再生混合料強(qiáng)度的影響對(duì)比

2．1．1 泡沫與乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度對(duì)比

圖2 簡(jiǎn)易三軸試驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)比泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度差異，采用表1所示的10種級(jí)配泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料在最佳瀝青結(jié)合料用量下進(jìn)行抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同級(jí)配泡沫、乳化瀝青冷再生混合料剪切強(qiáng)度對(duì)比

圖3表明:泡沫瀝青冷再生混合料三軸試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角為 42.6°～53.4°，黏聚力為 94.4～120 kPa;乳化瀝青冷再生混合料三軸試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角為 41.8°～52．4°，黏聚力為 91.2～148.2 kPa。相比而言，泡沫瀝青冷再生混合料具有較大的內(nèi)摩擦角，而乳化瀝青冷再生混合料具有較大的黏聚力。分析其原因?yàn)?泡沫瀝青冷再生混合料內(nèi)摩擦角與混合料級(jí)配組成和泡沫瀝青“點(diǎn)焊狀”接觸有關(guān)，泡沫瀝青在集料表面并未形成瀝青膜，而是呈點(diǎn)、片狀分布，受剪切時(shí)泡沫瀝青冷再生混合料主要克服泡沫瀝青砂漿內(nèi)部的黏結(jié)失效破壞，集料與泡沫瀝青砂漿之間缺少泡沫瀝青的“潤(rùn)滑”作用，故呈現(xiàn)出較大的內(nèi)摩擦角;乳化瀝青冷再生混合料中的乳化瀝青蒸發(fā)殘留物在集料表面和瀝青砂漿內(nèi)部均形成了一定厚度的瀝青膜，相比而言，瀝青砂漿與集料之間的黏附性比較牢固，其剪切強(qiáng)度由瀝青與集料之間的黏附作用和瀝青砂漿之間黏結(jié)作用共同承擔(dān)，剪切作用時(shí)由于瀝青的“潤(rùn)滑”作用，混合料內(nèi)部更易于產(chǎn)生瀝青與集料之間的黏附失效破壞［9-13］。

2．1．2 不同級(jí)配泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強(qiáng)度特性

對(duì)比圖4不同級(jí)配泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料內(nèi)摩擦角和黏聚力可以發(fā)現(xiàn):對(duì)于泡沫瀝青冷再生混合料，0．075mm篩孔通過(guò)百分率越大，泡沫瀝青冷再生混合料受剪切破壞時(shí)的內(nèi)摩擦角和黏聚力就越大，相關(guān)系數(shù)R2＞0.90，相關(guān)性顯著;對(duì)于乳化瀝青冷再生混合料，4．75、0．3 mm 篩孔通過(guò)百分率與混合料內(nèi)摩擦角和黏聚力呈二次函數(shù)關(guān)系(圖5)，相關(guān)系數(shù)R2＞0.85，相關(guān)性顯著。工程實(shí)踐中，為增大泡沫瀝青冷再生混合料的抗剪切強(qiáng)度，可調(diào)整0.075 mm篩孔的通過(guò)百分率;為提高乳化瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度，可增大4.75 mm和0.3 mm篩孔的通過(guò)百分率。

圖4 泡沫瀝青冷再生混合料0.075 mm篩孔通過(guò)百分率與內(nèi)摩擦角和黏聚力的關(guān)系

2．2 泡沫與乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度影響因素

2．2．1 泡沫(乳化)瀝青用量的影響

《瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41—2008)以

圖5 乳化瀝青冷再生混合料4.75、0.3 mm篩孔通過(guò)百分率與內(nèi)摩擦角和黏聚力的關(guān)系

干劈裂強(qiáng)度峰值確定泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的最佳瀝青用量。本文基于簡(jiǎn)易三軸試驗(yàn)探討泡沫(乳化)瀝青用量對(duì)冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度的影響，以驗(yàn)證中國(guó)現(xiàn)行規(guī)范“修正馬歇爾”法確定最佳瀝青用量的合理性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同瀝青結(jié)合料摻量的冷再生混合料的抗剪切強(qiáng)度

由圖6可知，泡沫(乳化)瀝青用量對(duì)冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度有顯著影響，隨著泡沫(乳化)瀝青用量增大，抗剪切強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，可見(jiàn)以簡(jiǎn)易三軸抗剪切強(qiáng)度峰值確定泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的最佳泡沫瀝青用量是可行的［14-15］。

2．2．2 水泥摻量的影響

為了研究水泥摻量對(duì)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)選擇FAGP1和EAGP4兩種級(jí)配，固定RAP摻量為80%，變化4種瀝青結(jié)合料用量和5種水泥摻量進(jìn)行簡(jiǎn)易三軸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，相同泡沫瀝青用量下，隨著水泥摻量增大，泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力均呈增大趨勢(shì);相比不摻加水泥，摻加1%水泥時(shí)可顯著增大泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的抗剪切強(qiáng)度;摻加1%～2.5%水泥，隨著水泥摻量增大泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度雖呈增大趨勢(shì)，但增加幅度較為緩慢;從工程經(jīng)濟(jì)性考慮，適宜的水泥摻量為1.0%～2%。方差分析結(jié)果表明:水泥作為冷再生混合料次級(jí)結(jié)合料，其摻量對(duì)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的抗剪切強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力均有顯著影響;泡沫(乳化)瀝青用量小于最佳瀝青用量時(shí)，增大水泥摻量對(duì)冷再生混合料內(nèi)摩擦角和黏聚力的提高較為明顯，對(duì)抗剪切強(qiáng)度較小的冷再生混合料，增大水泥摻量可顯著提高其混合料內(nèi)部的黏聚力和內(nèi)摩擦角［16-17］。

2．2．3 RAP 摻量的影響

RAP摻量對(duì)冷再生混合料節(jié)能減排效果和工程的經(jīng)濟(jì)性有重要影響。試驗(yàn)選擇FAGP1和EAGP4兩種級(jí)配，在最佳泡沫(乳化)瀝青用量下，固定水泥摻量為1．5%，變化4種RAP摻量進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可知，隨著RAP摻量增大，泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力均呈下降趨勢(shì)。方差分析結(jié)果表明，RAP摻量對(duì)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力的影響不顯著。相比不摻加RAP，摻加70%RAP后FAGP1和EAGP4的抗剪切強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力分別下降了 5.0%、0．76%、5.3% 和9.1%、6.23%、7.79%。在70%～90%RAP摻量范圍內(nèi)，增大RAP摻量對(duì)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強(qiáng)度影響不大。分析其原因?yàn)?集料與瀝青結(jié)合料常溫下為冷接觸，并未激發(fā)RAP表面老化瀝青的活性，泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料中的RAP只被當(dāng)作“黑色集料”對(duì)待［18-19］。

3 影響泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強(qiáng)度的機(jī)理

為探究瀝青結(jié)合料和水泥摻量對(duì)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強(qiáng)度的影響機(jī)理，采用SEM掃描電鏡試驗(yàn)、IPP數(shù)字圖像處理技術(shù)，從細(xì)微觀角度對(duì)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料剪切破壞界面進(jìn)行研究。

由SEM圖像對(duì)比可知:不摻加水泥，圓柱體試件破壞界面的泡沫瀝青膠漿將部分填料包裹，接觸面較為平滑，瀝青膠漿中有較多的空隙，這主要是冷再生混合料內(nèi)部水揮發(fā)造成的;摻加水泥后，水泥水化產(chǎn)物鈣礬石集料表面形成了凹凸不平的“褶皺”，加上水泥水化后在混合料內(nèi)部提供了堿性環(huán)境，彌補(bǔ)了泡沫(乳化)瀝青集料-瀝青膠漿冷接觸界面強(qiáng)度低的缺陷，更有利于增強(qiáng)瀝青膠漿與集料之間的界面黏附強(qiáng)度和泡沫(乳化)瀝青膠漿內(nèi)部的黏結(jié)強(qiáng)度［20］。此外，水泥水化產(chǎn)物在泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料中起到次級(jí)結(jié)合料作用的同時(shí)，與瀝青結(jié)合料相互包裹、交織、穿插，還起到了“加筋”作用，有效地將水揮發(fā)后殘留的空隙填充、分割，減小了微觀空隙結(jié)構(gòu)中的大空隙，改變了泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料內(nèi)部的細(xì)微觀空隙結(jié)構(gòu)［21］。水泥水化產(chǎn)物“刺入”泡沫瀝青膠漿和集料的紋理中，改善了冷再生混合料內(nèi)部的黏附強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度，從而提高了泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的內(nèi)摩擦角和黏聚力。

表3 不同水泥摻量的冷再生混合料簡(jiǎn)易三軸試驗(yàn)結(jié)果

分析泡沫(乳化)瀝青用量對(duì)冷再生混合料強(qiáng)度的影響:泡沫瀝青獨(dú)特的“點(diǎn)焊”狀分布特性決定了泡沫瀝青冷再生混合料強(qiáng)度的形成機(jī)理與乳化瀝青冷再生混合料有所不同，增加泡沫瀝青用量，泡沫瀝青在混合料內(nèi)部“點(diǎn)焊”狀分布更密集，瀝青所形成的膠結(jié)面更多，泡沫瀝青膠漿內(nèi)部相互的黏結(jié)強(qiáng)度更大;同時(shí)，增大泡沫瀝青用量即增大了泡沫瀝青與集料界面接觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)，瀝青與集料之間的黏附效果更加明顯，表現(xiàn)為增大泡沫瀝青用量后混合料黏聚力增大［22］。圓柱體試件破壞界面泡沫瀝青所占面積百分比與泡沫瀝青冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知:增大泡沫瀝青用量后，抗剪切強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì);當(dāng)抗剪

圖7 不同RAP摻量泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料簡(jiǎn)易三軸試驗(yàn)結(jié)果

強(qiáng)度達(dá)到峰值后，進(jìn)一步增大泡沫瀝青用量并不能提高泡沫瀝青冷再生混合料的黏聚力，反而將已經(jīng)形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的泡沫瀝青砂漿“稀釋”，形成自由瀝青，降低了泡沫瀝青冷再生混合料瀝青與集料之間的黏附強(qiáng)度和泡沫瀝青砂漿自身的黏結(jié)強(qiáng)度，在外界荷載作用時(shí)，這部分自由瀝青反而起到了“潤(rùn)滑”作用，更易于發(fā)生黏附失效和黏結(jié)失效現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料三軸試驗(yàn)的

圖8 剪切破壞界面泡沫瀝青分布面積與混合料抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

內(nèi)摩擦角在40°～55°之間，黏聚力為100～150 kPa，泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料抗剪切性能相差不大，泡沫瀝青冷再生混合料具有較大的內(nèi)摩擦角和較小的黏聚力。

(2)級(jí)配對(duì)泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度有顯著影響，泡沫瀝青冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度與0.075 mm篩孔通過(guò)百分率呈正線性關(guān)系，乳化瀝青冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度與4.75、0.3 mm篩孔通過(guò)率呈二次函數(shù)關(guān)系。

(3)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料剪切強(qiáng)度隨瀝青結(jié)合料用量的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，適當(dāng)提高水泥摻量可顯著改善泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的抗剪切強(qiáng)度，建議水泥摻量取1%～2．0%。泡沫(乳化)瀝青用量對(duì)冷再生混合料抗剪切強(qiáng)度有顯著影響，隨著泡沫(乳化)瀝青用量增大，抗剪切強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，可見(jiàn)以簡(jiǎn)易三軸抗剪切強(qiáng)度峰值確定泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料的最佳泡沫瀝青用量是可行的。

(4)水泥對(duì)冷再生混合料強(qiáng)度的影響機(jī)理在于，水泥水化產(chǎn)物在泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料中起到了次級(jí)結(jié)合料的作用，水泥水化產(chǎn)物與瀝青結(jié)合料相互包裹、交織、穿插，起到了“加筋”作用，有效地將水揮發(fā)后殘留的空隙填充、分割，減小了微觀空隙結(jié)構(gòu)中的大空隙，改變了泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料內(nèi)部的細(xì)微觀空隙結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了冷再生混合料界面強(qiáng)度低的缺陷。

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Shear Properties of Cold Recycled Foamed(Emulsified)Asphalt Mixture

WANG Yan
(School of Urban Construction，Xi'an Siyuan University，Xi'an 710038，Shaanxi，China)

In order to examine the shear strength of cold recycled foamed(emulsified)asphalt mixture，the simple triaxial test was used to simulate the stress state of the cold recycled asphalt mixture under the pavement，the effects of different types and contents of asphalt binder，trial gradations，content of cement and the blending ratio of RAP on the shear strength of the mixture were analyzed．The results show that the cold recycled foamed(emulsified)asphalt mixture has a bigger internal friction angle and a smaller cohesion;the optimum amount of foamed(emulsified)asphalt can be determined by the peak of shear strength obtained from a simple triaxial test．

cold recycled foamed(emulsified)asphalt mixture;simple triaxial test;shear strength;mechanism analysis

U414

B

1000-033X(2017)09-0081-08

0 引 言

泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料是由泡沫(乳化)瀝青結(jié)合料、新集料、RAP、活性填料及水組成的熱力學(xué)不相容的懸浮空隙結(jié)構(gòu)［1-4］。通常用來(lái)表征泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料強(qiáng)度特性的試驗(yàn)方法包括控制應(yīng)力(應(yīng)變)拉伸彎曲試驗(yàn)、等加載速率劈裂試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及考慮圍壓的三軸試驗(yàn)［5-6］。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于路面結(jié)構(gòu)各面層處于拉、壓、彎三向復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，既有的試驗(yàn)條件所模擬的混合料受力狀態(tài)與實(shí)際路面情況不完全相符，并不能完全反映瀝青混合料所處的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)［7-8］。三軸試驗(yàn)機(jī)(Triaxiai Material Testing System，TMTS)是南非斯坦陵布什大學(xué)自主研發(fā)的，該儀器是南非TG2泡沫瀝青冷再生混合料國(guó)家規(guī)范配合比設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)儀器，美國(guó)瀝青路面再生技術(shù)協(xié)會(huì)也研究了TMTS用于冷再生混合料檢測(cè)的技術(shù)可行性，并建議將泡沫(乳化)瀝青混合料的抗剪切指標(biāo)作為確定冷再生混合料最佳泡沫(乳化)瀝青用量的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。

本文以南非生產(chǎn)的TMTS為試驗(yàn)研究平臺(tái)，探討泡沫(乳化)瀝青結(jié)合料種類和用量、試驗(yàn)級(jí)配、RAP摻配比例、水泥摻量對(duì)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料抗剪切性能、內(nèi)摩擦角、黏結(jié)力的影響，進(jìn)而揭示以上各種因素對(duì)泡沫(乳化)瀝青冷再生混合料剪切性能的影響機(jī)理，為冷再生混合料的工程應(yīng)用提供理論參考。

2017-01-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51462018)

王 燕(1982-)，女，陜西西安人，講師，碩士，研究方向?yàn)榻ㄖ牧霞笆┕ぜ夹g(shù)。

［責(zé)任編輯:高 甜］