泡沫瀝青就地冷再生混合料力學(xué)性能影響因素研究

李鵬飛， 韓占闖

(1.山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院)

泡沫瀝青就地冷再生混合料(為表述方便以下簡稱“FAICRM”)是以泡沫瀝青作為冷再生混合料的膠結(jié)材料，添加一定比例的填料、外加劑、新集料提高混合料性能，后加水拌和形成混合料。FAICRM主要被用于道路基層和底基層，要求FAICRM應(yīng)具有較高的力學(xué)性能。對此，國內(nèi)外道路研究人員進(jìn)行了一系列研究：Liu等研究了級配對FAICRM力學(xué)性能的影響，指出過篩率是影響FAICRM級配性能的主要因素；Xu J Z等研究膠黏劑用量對FAICRM力學(xué)性能的影響，指出膠黏劑用量會影響混合料黏結(jié)力，但是在FAICRM配合比設(shè)計(jì)中可以忽略；Li Zhigang等研究了FAICRM早起強(qiáng)度影響因素，指出水泥影響早期強(qiáng)度，泡沫瀝青影響后期強(qiáng)度；鄒友泉等研究了水泥摻量對力學(xué)性能的影響，指出隨水泥用量增加FAICRM力學(xué)性能逐漸增加；李秀君等研究了瀝青黏度、延度對FAICRM力學(xué)性能的影響，指出延度是影響FAICRM力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素；王宏等研究了養(yǎng)生溫度對FAICRM宏觀、微觀性能的影響，指出隨養(yǎng)生溫度升高，F(xiàn)AICRM劈裂試驗(yàn)試件的破壞界面呈線性增大的分布趨勢；趙賓等研究了3種不同發(fā)泡機(jī)對FAICRM性能的影響，指出3種泡沫瀝青發(fā)泡機(jī)中Wirtgen制備的泡沫瀝青穩(wěn)定性能最好，膨脹率最大。上述研究對FAICRM力學(xué)性能提升、推廣應(yīng)用起到重要作用。但是，上述研究大多是研究泡沫瀝青用量、水泥摻量對FAICRM力學(xué)性能的影響，并未見有研究每檔新集料對FAICRM力學(xué)性能的影響，該文分析水泥、9.5～19、19～26.5 mm粗集料對FAICRM力學(xué)性能的影響，并基于性能影響，選擇添加相應(yīng)新集料。

1 原材料

(1) 瀝青。中海A級70#基質(zhì)瀝青，技術(shù)指標(biāo)略；瀝青發(fā)泡特性結(jié)果見表1。 表1中PE為膨脹率，HL為半衰期。

表1 瀝青發(fā)泡特性結(jié)果

由表1可知：當(dāng)發(fā)泡用水量為2%～3%時(shí)，在3種溫度下，都能獲得較好的發(fā)泡效果。最優(yōu)發(fā)泡條件為：發(fā)泡溫度為150 ℃，發(fā)泡用水量為2.0%，文中如無特殊說明，均采用此發(fā)泡條件。

(2) 新集料。山西華陽石料廠生產(chǎn)的9.5～19 mm和19～26.5 mm粗集料，技術(shù)指標(biāo)略。

(3) 回收料。山西太原市雙陽線的瀝青路面面層回收集料(簡稱RAP)，級配篩分結(jié)果見表2。

(4) 水泥。采用P.O.32.5級，技術(shù)指標(biāo)略。

(5) 水。普通飲用水。

表2 AC-25回收料級配

2 力學(xué)性能影響因素

原瀝青路面經(jīng)銑刨機(jī)或再生機(jī)銑刨后，瀝青混合料中的一部分粗集料被破碎，因此，與原路面級配相比，銑刨后的級配缺乏粗骨料，相對較細(xì)。由表2可知：粒徑小于9.5 mm的冷再生混合料占78.6%，粒徑大于19 mm的占2.9%，因此AC-25冷再生混合料9.5～19、19～26.5 mm粗集料含量較少，無法形成骨架結(jié)構(gòu)，0～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5 mm集料偏多，因此需要添加9.5～19、19～26.5 mm粗集料調(diào)整回收料級配，研究每檔新集料對泡沫瀝青就地冷再生力學(xué)性能的影響，從而推薦出調(diào)節(jié)回收料級配優(yōu)先添加的新集料。

2.1 水泥摻量的影響

泡沫瀝青冷再生主要用于道路的基層和底基層，水泥作為一種活性添加劑，對FAICRM性能具有重要影響。水泥摻量會直接影響冷再生混合料的力學(xué)性能，摻量過少使得力學(xué)性能過低，摻量過多使得冷再生混合料變脆，易產(chǎn)生裂縫。因此該文將研究水泥摻量對泡沫瀝青冷再生混合料力學(xué)性能的影響。

(1) 級配及最佳含水率的確定

為研究水泥摻量對FAICRM力學(xué)強(qiáng)度的影響，對AC-25RAP回收料摻加不同摻量的水泥，不同水泥摻量下，泡沫瀝青就地冷再生混料的級配及FAICRM的最佳含水率和最大干密度隨水泥摻量的變化規(guī)律見表3。試驗(yàn)時(shí)固定泡沫瀝青用量為3%，變化含水率，采用重型擊實(shí)法成型試件。

表3 不同水泥摻量下FAICRM級配

(2) 最佳泡沫瀝青用量

不同水泥摻量的AC-25RAP混合料，在各自最佳含水率下，變化泡沫瀝青用量，成型Marshall試件，不同水泥摻量劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同水泥摻量FAICRM劈裂強(qiáng)度

按照干濕劈裂強(qiáng)度最大的原則，確定最佳泡沫瀝青用量。由圖1可知：0、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%水泥用量時(shí)FAICRM最佳泡沫瀝青用量分別為2.8%、2.9%、2.9%、3.0%、3.0%。

(3) 水泥摻量對力學(xué)性能的影響

不同水泥摻量對FAICRM劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度的影響見表4。表中σgp、σsp、σw分別為摻水泥與未摻水泥干劈裂強(qiáng)度、濕劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度的比值。

表4 不同水泥摻量下FAICRM力學(xué)性能

由表4可知：隨著水泥摻量的增加，F(xiàn)AICRM的劈裂強(qiáng)度和穩(wěn)定度逐漸增加，與不摻水泥相比，當(dāng)水泥摻量為1.5%時(shí)，F(xiàn)AICRM的劈裂強(qiáng)度和穩(wěn)定度分別增加13%、15、11%。這是因?yàn)樗鄷虵AICRM發(fā)生水化，產(chǎn)生一種具有膠結(jié)能力的物質(zhì)，與礦料交織在一起，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度，從而加強(qiáng)混合料強(qiáng)度；雖然水泥能夠提升FAICRM力學(xué)強(qiáng)度，但是并不是水泥摻量越多越好，摻入過多水泥會增加FAICRM的脆性。冷再生混合料規(guī)范規(guī)定，水泥摻量不超過1.5%，因此，水泥摻量建議為1.5%。

2.2 9.5～19 mm粗集料的影響

(1) 級配及最佳含水率

固定水泥摻量為1.5%，改變9.5～19 mm粗集料摻量改變再生混合料級配。研究9.5～19 mm粗集料摻量對FAICRM力學(xué)性能的影響，不同9.5～19 mm粗集料摻量下FAICRM級配、最大干密度及最佳含水率試驗(yàn)結(jié)果見表5。試驗(yàn)時(shí)，固定泡沫瀝青用量為3%，變化含水率，采用重型擊實(shí)法成型試件。

表5 不同9.5～19 mm粗集料摻量下FAICRM級配

(2) 最佳泡沫瀝青用量

不同9.5～19 mm粗集料摻量的FAICRM，在表5中的最佳含水率下，變化泡沫瀝青用量，采用Marshall法成形圓柱體試件，不同9.5～19 mm粗集料摻量下FAICRM劈裂強(qiáng)度如圖2所示。

按照干濕劈裂強(qiáng)度最大的原則，確定最佳泡沫瀝青用量。9.5～19 mm粗集料摻量為0、10%、20%、30%時(shí)，F(xiàn)AICRM的最佳泡沫瀝青用量分別為2.9%、2.6%、2.4%、2.2%。

(3) 9.5～19 mm粗集料摻量對FAICRM力學(xué)性能的影響

不同9.5～19 mm粗集料摻量對FAICRM劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度的影響見圖2和表6。

圖2 不同9.5～19 mm粗集料摻量下FAICRM劈裂強(qiáng)度

9.5～19 mm粗集料摻量/%干劈裂強(qiáng)度/MPa濕劈裂強(qiáng)度/MPa穩(wěn)定度/kNσgpσspσw00.600.527.181.001.001.00100.690.618.541.151.171.19200.770.699.261.291.331.29300.720.648.821.191.221.23

由表6可知：隨著9.5～19 mm粗集料摻量的增加，F(xiàn)AICRM劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度先增大后減??；當(dāng)9.5～19 mm粗集料摻量為20%時(shí)，F(xiàn)AICRM的劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度達(dá)到峰值，與未摻加9.5～19 mm的FAICRM相比，劈裂強(qiáng)度、馬歇爾穩(wěn)定度分別增加29%、33%、29%。這是因?yàn)槲刺砑?.5～19 mm粗集料時(shí)FAICRM級配偏細(xì)，沒有足夠的粗骨料形成骨架結(jié)構(gòu)，隨著9.5～19 mm粗集料摻量的增加，F(xiàn)AICRM逐漸形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，當(dāng)粗集料摻量為20%時(shí)，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，此時(shí)FAICRM性能最優(yōu)，當(dāng)粗集料摻量超過20%時(shí)，沒有足夠的細(xì)料起到填充作用，使得FAICRM密度減小，空隙率增大，力學(xué)性能降低。

2.3 19～26.5 mm粗集料的影響

(1) 級配及最佳含水率

固定水泥摻量為1.5%，改變19～26.5 mm粗集料摻量改變再生混合料級配條件下，研究不同19～26.5 mm粗集料摻量對FAICRM力學(xué)性能的影響，不同19～26.5 mm粗集料摻量FAICRM級配、最大干密度及最佳含水率見表7。試驗(yàn)時(shí)固定泡沫瀝青用量為3%，改變含水率，采用重型擊實(shí)法成型試件。

表7 不同19～26.5 mm粗集料摻量FAICRM級配

(2) 最佳泡沫瀝青用量

不同19～26.5 mm粗集料摻量的FAICRM，在各自最佳含水率下，改變泡沫瀝青用量，成型Marshall試件，不同19～26.5 mm粗集料劈裂強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 不同19～26.5 mm粗集料摻量FAICRM劈裂強(qiáng)度

按照干濕劈裂強(qiáng)度最大的原則，確定最佳泡沫瀝青用量。由圖3可知：19～26.5 mm粗集料摻量為0、10%、20%、30%時(shí)，F(xiàn)AICRM的最佳泡沫瀝青用量分別為2.9%、2.4%、2.3%、2.0%。

(3) 不同19～26.5 mm粗集料摻量對FAICRM力學(xué)性能的影響

不同19～26.5 mm粗集料摻量對FAICRM劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度的影響見表8。

表8 不同19～26.5 mm粗集料摻量對FAICRM劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度的影響

由表8可知：隨著19～26.5 mm粗集料摻量的增加，F(xiàn)AICRM劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度先增大后減??；當(dāng)19～26.5 mm粗集料摻量為20%時(shí)，F(xiàn)AICRM的劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度達(dá)到峰值，與未摻加19～26.5 mm的FAICRM相比，劈裂強(qiáng)度、馬歇爾穩(wěn)定度分別增加38%、45%、39%，其原因與9.5～19 mm粗集料相同。

綜上所述，與未摻新集料泡沫瀝青相比，摻加9.5～19、19～26.5 mm粗集料FAICRM力學(xué)強(qiáng)度分別至少提高29%、38%；因此，在對AC-25 FAICRM級配優(yōu)化時(shí)，應(yīng)優(yōu)先推薦摻加19～26.5 mm粗集料和水泥，建議粗集料摻量為20%，水泥摻量為1.5%。

3 結(jié)論

(1) 研究了水泥摻量對混合料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)水泥摻量為1.5%，與不摻水泥FAICRM相比，力學(xué)性能至少提高11%。

(2) 試驗(yàn)研究表明：隨著9.5～19 mm粗集料摻量增加，F(xiàn)AICRM劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度先增加后減小，當(dāng)9.5～19 mm粗集料摻量為20%時(shí)，F(xiàn)AICRM劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度達(dá)到峰值，與未摻加9.5～19 mm粗集料相比，F(xiàn)AICRM力學(xué)強(qiáng)度至少提高29%；隨著19～26.5 mm粗集料摻量增加，F(xiàn)AICRM劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度先增加后減小，當(dāng)19～26.5 mm粗集料摻量為20%時(shí)，F(xiàn)AICRM劈裂強(qiáng)度、穩(wěn)定度達(dá)到峰值，與未摻加19～26.5 mm粗集料相比，F(xiàn)AICRM力學(xué)強(qiáng)度至少提高38%。

(3) 對AC-25FAICRM級配優(yōu)化時(shí)，應(yīng)優(yōu)先推薦摻加19～26.5 mm粗集料和水泥，建議粗集料摻量為20%，水泥摻量為1.5%。