級配對乳化瀝青冷再生混合料強度的影響

劉海鵬， 蔣應(yīng)軍， 胡永林， 葉偉奇， 曹正道， 蔡永濤

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064； 2.陜西省鐵路集團有限公司， 陜西 西安 710075； 3.金華市金東區(qū)公路管理段， 浙江 金華 321000；4.金華市公路管理局， 浙江 金華 321000)

乳化瀝青冷再生混合料是以乳化瀝青作為面層回收集料(reclaimed asphalt pavement material，RAP)的穩(wěn)定劑，并摻加適量的礦粉、水泥等填料，必要時添加一定比例的新集料，與水拌和而成的混合料[1].混合料強度對路面承載能力、穩(wěn)定性、耐久性有重要意義[2].為了提高冷再生混合料強度，國內(nèi)外道路工作者開展了大量研究[3].國外，Ma等[4]研究了RAP、水泥、乳化瀝青對冷再生瀝青混合料強度的影響；Wang等[5]分析了乳化瀝青混合料的強度形成原理，認為水泥可改善乳化瀝青混合料性能；Yang等[6]研究了乳化瀝青和水泥對冷再生混合料性能的影響.國內(nèi)，蘇毅等[7]研究認為冷再生混合料強度主要取決于集料間的內(nèi)摩阻力和內(nèi)聚力；熊銳等[8]研究認為水泥摻量、空隙率對乳化瀝青混合料強度有重要影響；馬峰等[9]研究認為水泥能夠提高乳化瀝青混合料早期強度，對后期強度影響因RAP摻量不同而不同；周源等[10]認為在冷再生混合料中添加一定量的石灰可以提高乳化瀝青混合料的強度.上述研究成果無疑對提高乳化瀝青再生混合料強度具有重要意義，然而，上述研究均聚焦于乳化瀝青冷再生混合料的強度形成機理、水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料強度的影響，而未見有礦料級配對乳化瀝青冷再生混合料強度影響的相關(guān)研究，且上述研究均采用靜壓成型和重型擊實法成型試件[11]，然而采用靜壓法成型的試件與現(xiàn)場鉆芯試樣的工程特性相關(guān)性不足36%[12].已有研究表明，垂直振動試驗法能夠模擬施工機械對路面的碾壓效果，垂直振動試驗法(VVTM)成型的試件與現(xiàn)場鉆芯試樣的工程特性相關(guān)性達98%[12].所以，本文采用垂直振動試驗法成型試件，研究礦粉摻量(質(zhì)量分數(shù)，文中涉及的摻量等均為質(zhì)量分數(shù))、機制砂摻量、粗集料摻量對乳化瀝青再生混合料強度的影響，具有工程實際意義.

1 原材料及試件成型方法

1.1 原材料

采用西安公路研究院生產(chǎn)的SBR改性乳化瀝青(簡稱SBR)，技術(shù)指標見表1.RAP采用西安繞城高速公路瀝青路面回收集料，RAP的級配篩分結(jié)果見表2.采用洛南縣正泰礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的9.5～19.0mm粗集料、機制砂和礦粉，技術(shù)指標略.

表1 乳化瀝青技術(shù)指標Table 1 Technical indexes of emulsified asphalt

表2 RAP級配篩分結(jié)果Table 2 Grading results of RAP

1.2 試件成型方法

采用垂直振動法成型φ100×63.5mm試件，然后將試件脫模后放入60℃烘箱中養(yǎng)生48h.根據(jù)課題組已有的研究成果[13]，振動壓實儀基本參數(shù)為：振動成型時間60s,工作頻率35Hz，上車系統(tǒng)質(zhì)量108kg，下車系統(tǒng)質(zhì)量167kg.

2 級配對乳化瀝青冷再生混合料強度的影響

瀝青路面在銑刨過程中，部分粗集料被破碎，使得銑刨后級配與原路面級配相比偏細[14].由表2可知，破碎后的集料中粒徑2.36～4.75mm和4.75～9.50mm的含量較高，粗集料和細集料含量較少.因此，添加粒徑9.5～19.0mm粗集料、機制砂和礦粉來調(diào)整RAP級配，研究級配對垂直振動乳化瀝青冷再生混合料強度的影響.

2.1 礦粉摻量對混合料強度的影響

2.1.1確定最大干密度和最佳含水率

不同礦粉摻量的混合料級配見表3.

表3 不同礦粉摻量下混合料的級配Table 3 Gradation of mixture with different mineral powder content

不同礦粉摻量混合料的最大干密度和最佳含水率見表4.試驗時乳化瀝青用量為4%.

表4 最大干密度和最佳含水率Table 4 Maximum dry density and optimal moisture content

由表4可知，乳化瀝青冷再生混合料最大干密度和最佳含水率均隨礦粉摻量增加逐漸增大.

2.1.2確定最佳乳化瀝青用量

不同礦粉摻量的乳化瀝青混合料干濕劈裂強度如圖1所示.

由圖1可知，隨乳化瀝青SBR用量的增加，不同礦粉摻量冷再生混合料的干濕劈裂強度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.根據(jù)干濕劈裂強度最大原則，確定最佳乳化瀝青用量[15].不同礦粉摻量的乳化瀝青冷再生混合料最佳乳化瀝青用量見表5.

圖1 礦粉摻量對干濕劈裂強度的影響Fig.1 Effect of mineral powder content on dry and wet splitting strength

w(mineral powder)/%012345Optimal dosage of emulsified asphalt(by mass)/%3.83.94.04.14.24.3

由表5可知，冷再生混合料乳化瀝青最佳用量隨礦粉摻量的增加不斷增大.

2.1.3礦粉摻量對冷再生混合料強度影響

不同礦粉摻量的冷再生混合料穩(wěn)定度、干濕劈裂強度、凍融(freezing and thawing)與未凍融(freez-thaw)劈裂強度如圖2所示.

由圖2可知：隨礦粉摻量增加，混合料中細集料逐漸增多，冷再生混合料力學(xué)強度逐漸增大，但增大速率逐漸變緩；當(dāng)?shù)V粉摻量超過3%時，冷再生混合料力學(xué)強度基本不再隨之變化，此時冷再生混合料力學(xué)強度已經(jīng)提高了至少5%.原因是RAP回收料中細集料累計通過率小，2.36～4.75mm和4.75～9.50mm的含量較高，空隙率較大，瀝青與礦料之間的黏附性較差，而摻加礦粉后，細集料逐漸增多，礦粉作為填充料填充粗集料之間的空隙，使得混合料更加密實；而且礦粉作為一種活性材料能夠與瀝青分子發(fā)生化學(xué)吸附，形成一層結(jié)構(gòu)力學(xué)薄膜，極大地提高瀝青與礦料間的黏附性.當(dāng)?shù)V粉摻量小于3%時，礦粉與乳化瀝青能完全反應(yīng)；當(dāng)?shù)V粉摻量超過3%時，一部分礦粉并未與乳化瀝青發(fā)生反應(yīng).因此，建議礦粉摻量為3%.

圖2 不同礦粉摻量的冷再生混合料強度Fig.2 Strength of CRM with different mineral powder contents

2.2 機制砂摻量對混合料強度的影響

不同機制砂摻量下混合料的級配見表6.為了表示方便，對級配進行編號CaSbKc，其中Ca表示C(粒徑9.5～19.0mm粗集料)摻量為a%，Sb表示S(機制砂)摻量為b%，Kc表示K(礦粉)摻量為c%.

表6 不同機制砂摻量下混合料的級配Table 6 Gradation of mixture with different machine-made sand content

2.2.1確定最大干密度和最佳含水率

不同機制砂摻量混合料的最大干密度和最佳含水率見表7.試驗時乳化瀝青用量為4%.

表7 最大干密度和最佳含水率Table 7 Maximum dry density and optimal moisture content

由表7可知，摻新集料的冷再生混合料最大干密度隨機制砂摻量增加先增大后減小，最佳含水率隨機制砂摻量增加而增大.

2.2.2確定最佳乳化瀝青用量

不同機制砂摻量的冷再生混合料干濕劈裂強度如圖3所示.由圖3可知，隨乳化瀝青用量增加，不同機制砂摻量冷再生混合料干濕劈裂強度先增大后減小，根據(jù)干濕劈裂強度最大原則，不同機制砂摻量的冷再生混合料最佳乳化瀝青用量見表8.由表8可知，隨機制砂摻量的增加，最佳乳化瀝青用量逐漸增加.

2.2.3不同機制砂摻量對冷再生混合料強度影響

不同機制砂摻量的冷再生混合料穩(wěn)定度、干濕劈裂強度、凍融劈裂強度如圖4所示.

由圖4可知：隨機制砂摻量增加，冷再生混合料力學(xué)強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；當(dāng)機制砂摻量為20%時，混合料馬歇爾穩(wěn)定度、干濕劈裂強度和凍融劈裂強度均達到峰值，力學(xué)強度至少提高了17%.原因是隨機制砂摻量增加，細集料累計通過率逐漸增大，級配由骨架空隙型向懸浮密實型轉(zhuǎn)變，機制砂和乳化瀝青裹附在一起，共同填充與粗集料之間的空隙，混合料試件密度增大，瀝青與礦料之間的

圖3 不同機制砂摻量的冷再生混合料干濕劈裂強度Fig.3 Dry and wet splitting strength of CRM with different machine-made sand content

w(machine-made sand)/%010203040Optimal dosage of emulsified asphalt(by mass)/%3.83.93.94.14.2

黏結(jié)力提高，從而使混合料力學(xué)強度逐漸提高.但是

當(dāng)機制砂摻量超過20%時，機制砂過多，致使乳化瀝青不能很好包裹其表面，使得瀝青與礦料之間的黏結(jié)力下降，密度減小，導(dǎo)致混合料力學(xué)強度下降，因此，機制砂摻量建議采用20%.

2.3 不同9.5～19.0mm粗集料摻量對冷再生混合料強度的影響

不同9.5～19.0mm粗集料摻量的混合料級配見表9.

圖4 不同機制砂摻量的冷再生混合料強度Fig.4 Strength of CRM with different mechanism sand contents

Gradation numberw/%Gradation of mixture(by mass)/%RAP9.519.0mmMachine-made sandMineralpowder26.5mm19.0mm9.5mm4.75mm2.36mm0.3mm0.075mmC0S0K010000010097.362.936.416.63.80.8C0S20K377020310097.971.451.034.510.85.1C10S20K3671020310097.565.947.432.910.55.0C20S20K3572020310097.260.443.731.210.14.9C30S20K3473020310096.854.940.129.69.74.8C40S20K3374020310010096.449.336.527.69.3C50S20K3275020310010096.043.832.826.28.9

2.3.1確定最大干密度和最佳含水率

不同9.5～19.0mm粗集料摻量混合料最大干密度和最佳含水率見表10.試驗時乳化瀝青用量為4%.

表10 最大干密度和最佳含水率Table 10 Maximum dry density and optimal moisture content

由表10可知，隨9.5～19.0mm粗集料摻量的增加，混合料的最大干密度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，混合料的最佳含水率則逐漸減小.

2.3.2確定最佳乳化瀝青用量

不同9.5～19.0mm粗集料摻量的冷再生混合料干濕劈裂強度如圖5所示.

圖5 不同9.5～19.0mm粗集料摻量冷再生混合料干濕劈裂強度變化規(guī)律Fig.5 Variation law of dry split strength of CRM with different 9.5-19.0mm coarse aggregate contents

由圖5可知，隨乳化瀝青用量增加，不同9.5～19.0mm粗集料摻量的冷再生混合料干濕劈裂強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.根據(jù)干濕劈裂強度最大原則，不同9.5～19.0mm粗集料摻量的冷再生混合料最佳乳化瀝青用量見表11.

由表11可知，乳化瀝青冷再生混合料乳化瀝青最佳用量隨9.5～19.0mm粗集料摻量增加而逐漸減小.

2.3.3不同9.5～19.0mm粗集料摻量對冷再生混合料強度的影響

不同9.5～19.0mm粗集料摻量的冷再生混合料穩(wěn)定度、干濕劈裂強度、凍融和未凍融劈裂強度見表12，摻加新集料的混合料強度與未摻加新集料的混合料強度比見表13.

表11 不同9.5～19.0mm粗集料摻量的混合料最佳乳化瀝青用量Table 11 Optimal dosage of emulsified asphalt for mixture of different 9.5-19.0mm coarse aggregate

表12 不同9.5～19.0mm粗集料摻量混合料強度Table 12 Strength of mixture of different 9.5-19.0mm coarse aggregate contents

表13 不同9.5～19.0mm新集料摻量混合料強度比Table 13 9.5-19.0mm aggregate content of mixture strength ratio

由表12和表13可知，隨粒徑9.5～19.0mm粗集料摻量增加，冷再生混合料力學(xué)強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)9.5～19.0mm粗集料摻量為30%時，混合料馬歇爾穩(wěn)定度、干濕劈裂強度和凍融劈裂強度均達到峰值，冷再生混合料力學(xué)強度至少提高20%；當(dāng)機制砂摻量為20%，礦粉摻量為3%時，隨粗集料摻量增加，級配曲線逐漸向級配下限靠近，級配由懸浮密實型向骨架空隙型轉(zhuǎn)變，不摻加新集料的冷再生混合料級配比較差，集料與集料之間難以嵌擠產(chǎn)生內(nèi)摩阻力；當(dāng)混合料中同時摻加機制砂和9.5～19.0mm粗集料時，能夠優(yōu)化混合料級配，使混合料達到骨架密實結(jié)構(gòu)，混合料具有較高粘結(jié)力和內(nèi)摩阻力，因而使得冷再生混合料力學(xué)強度得到極大的提高.當(dāng)粒徑9.5～19.0mm粗集料摻量超過30%時，粗集料用量偏多，導(dǎo)致空隙率偏大，混合料之間粘聚力降低，使得混合料強度降低.當(dāng)9.5～19.0mm粗集料摻量為20%時，冷再生混合料力學(xué)強度至少提高了19%.因此，考慮材料經(jīng)濟性問題，冷再生混合料中建議礦粉摻量為3%，機制砂摻量為20%，9.5～19.0mm粗集料摻量采用20%.

3 結(jié)論

(1)隨礦粉摻量增加，冷再生混合料力學(xué)強度增大，但增大速率逐漸變緩，礦粉摻量大于3%時，冷再生混合料力學(xué)強度至少提高了5%.

(2)隨機制砂摻量的增加，冷再生混合料力學(xué)強度先增大后減小，當(dāng)機制砂摻量為20%時，混合料馬歇爾穩(wěn)定度、干濕劈裂強度和凍融劈裂強度均達到峰值，力學(xué)強度至少提高了17%.

(3)當(dāng)機制砂和礦粉摻量分別為20%和3%時，隨9.5～19.0mm粗集料摻量增加，混合料的干濕劈裂強先增加后減小，當(dāng)9.5～19.0mm粗集料摻量為30%時，混合料馬歇爾穩(wěn)定度、干濕劈裂強度和凍融劈裂強度均達到峰值，冷再生混合料力學(xué)強度至少提高了20%；當(dāng)9.5～19.0mm粗集料摻量為20%時，冷再生混合料力學(xué)強度至少提高了19%.

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