乳化瀝青冷再生混合料路用性能試驗分析

蔣學(xué)臨

摘要：文章闡述了乳化瀝青冷再生混合料原材料的性能特點和參數(shù)指標(biāo)，介紹了混合料的級配設(shè)計方案，并通過室內(nèi)試驗分析了廠拌RAP冷再生混合料的路用性能。試驗結(jié)果表明：隨著RAP使用量的增加，抗壓回彈模量和抗壓強度、劈裂抗拉強度和破壞勁度模塊、彎拉應(yīng)變和彎拉強度等都呈下降的規(guī)律，但是隨著RAP用量的增加，動穩(wěn)定度卻隨之縮減，且滲水系數(shù)也隨著RAP的縮減而呈現(xiàn)二次多項式增加;TSR隨著RAP用量的增加而處于穩(wěn)定的狀態(tài)中，即凍融劈裂強度比在此環(huán)境內(nèi)必為定值，然而卻遠遠低于規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);在同一溫度下，劈裂抗拉強度和抗壓回彈模量之間呈冪函數(shù)的關(guān)系變化式，最終需要根據(jù)材料的抗壓回彈模量和劈裂抗拉強度將乳化瀝青冷再生材料區(qū)分為主要的四類。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;冷再生;RAP混合料;抗壓回彈模量

中圖分類號：U416.26 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.014

文章編號：1673-4874（2019）08-0048-05

0引言

隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，各級公路總里程已超過500萬km，且其中的養(yǎng)護里程量超過97%，其中需要進行大中修養(yǎng)護施工處理的占比超過12%。在公路大量的改擴建工程中，伴隨產(chǎn)生很多的廢舊瀝青混合料（RAP），如果不對這些舊料進行回收利用，必然會造成巨大的環(huán)境問題和資源浪費。當(dāng)前國內(nèi)回收瀝青路面材料總量將超過2億萬，需要對其進行合理科學(xué)的再生利用，減少廢舊瀝青混合料對環(huán)境造成的危害，同時能夠重復(fù)利用，減少對自然資源的消耗，充分體現(xiàn)資源再利用和可持續(xù)發(fā)展的公路建設(shè)發(fā)展理念。

近年來我國對再生瀝青路面的研究越來越多，隨著相關(guān)研究和工程實際施工取得進展，瀝青路面再生技術(shù)不斷得到應(yīng)用，眾多再生技術(shù)逐漸得以進行研究和實際施工驗證。就地冷熱再生技術(shù)以及廠拌冷熱再生技術(shù)都有相應(yīng)的優(yōu)勢和一些需要突破的問題。這其中應(yīng)用較為廣泛的廠拌冷再生技術(shù)具有很多應(yīng)用優(yōu)勢，其能夠使RAP在常溫下進行生產(chǎn)施工作業(yè)，有效地避免了廢舊瀝青混合料的多次加熱老化問題，因此可以大幅提升回收的廢舊材料的利用率，其成本經(jīng)濟性非?？捎^。而冷再生瀝青混合料相比于熱再生瀝青混合料而言，還有一些性能方面的問題需要研究，其中各項外加材料的摻量等對混合料的性能有較大的影響，且對養(yǎng)生等后期強度形成的條件要求相對較高，因此對相關(guān)問題進行大量研究十分必要，對其混合料的路用性能和力學(xué)強度性能進行研究可為其在實際工程中的應(yīng)用提供支持。

在實際工程項目中取得較好應(yīng)用效果的RAP冷再生技術(shù)中，大多數(shù)采用乳化瀝青對廢舊原材料進行冷再生，另外再添加相應(yīng)的輔助再生劑材料，如泡沫瀝青和水泥等，這一冷再生技術(shù)能有效增強冷再生混合料的粘聚性能，其路面結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，對于相應(yīng)的裂縫和車轍等病害具有較好的抵抗性能。采用該技術(shù)的再生路面使用性能良好，能夠給道路使用者提供較好的使用體驗。

1原材料性能

1.1RAP

研究選取的廢舊瀝青混合料RAP為廣西某再生公路項目試驗段實體工程使用的RAP原材料，對該項目原材料進行篩分試驗，可得到該RAP材料的粒徑組成，試驗結(jié)果如表1所示。通過抽提等相關(guān)試驗測定的廢舊瀝青混合料中的老化瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.2添加集料

回收的廢舊瀝青混合料RAP中，存在破碎的粗集料，這是由于一方面在長期使用過程中經(jīng)受交通荷載等反復(fù)作用，部分粗集料已經(jīng)不能達到原路的級配設(shè)計要求;另一方面在對廢料進行回收破碎和銑創(chuàng)時，其中的粗集料必然會被磨損破壞。因此為了保證冷再生混合料的結(jié)構(gòu)性能要求，需要在混合料中加入一定量的新料，使其混合料級配滿足標(biāo)準(zhǔn)和強度性能的需要。試驗添加的集料為石灰?guī)r集料，粒徑為10～20mm。

冷再生混合料使用的礦粉原材料為石灰?guī)r細粉，在處理時要求其清潔干燥。礦粉在冷再生混合料成型時填充粗細集料間的縫隙，并且粘結(jié)瀝青膠結(jié)料和石料結(jié)構(gòu)。冷再生混合料還需要加入水作為混合料內(nèi)部的潤滑劑，選取潔凈的生活用水即可。試驗再生混合料內(nèi)還添加C32.5的普通硅酸鹽水泥，水泥在冷再生混合料中起到較明顯的活性作用。確定科學(xué)的水泥摻量，能夠促進冷再生混合料中的乳化瀝青發(fā)揮作用，水泥硬化后也能明顯提升混合料的密實程度和強度性能指標(biāo)。水泥的加入還能提高乳化瀝青與水泥混合物的粘結(jié)性能，提高乳化瀝青破乳穩(wěn)定性和混合料力學(xué)性能。試驗采用的水泥性能基本參數(shù)指標(biāo)如表3所示。

1.3乳化瀝青

在冷再生混合料中摻入的乳化瀝青應(yīng)當(dāng)選取慢裂型，而且針對廣西地區(qū)有較長的高溫天氣的特點，應(yīng)當(dāng)采用高溫性能較好的瀝青或針入度較低的成品乳化瀝青原材料。本文試驗用乳化瀝青材料綜合考慮相關(guān)的性能驗證研究和實際工程項目經(jīng)驗，采用雙龍ss型乳化瀝青。該乳化瀝青材料具有較好的穩(wěn)定性，在冷再生常溫條件下，其破乳速度和粘附性指標(biāo)都適合廣西地區(qū)的氣候條件，適合用于冷再生混合料的路用性能試驗研究，乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

2再生混合料配合比設(shè)計

2.1混合料級配設(shè)計

試驗級配按規(guī)范要求級配并參考實際工程經(jīng)驗級配，綜合確定冷再生混合料的試驗級配如圖1所示。由圖1級配范圍可以看出，試驗采取的設(shè)計級配能夠滿足規(guī)范和工程實際的要求。

2.2混合料成型方案

結(jié)合國內(nèi)外的冷再生混合料馬歇爾試驗研究和實際工程經(jīng)驗，本文對RAP冷再生混合料的成型采取兩次擊實法。采用此種成型方案能夠更貼合冷再生混合料的實際工作情況，首次擊實表征冷再生瀝青混合料初次攤鋪壓實，再次擊實則表征RAP上層熱料再次攤鋪后的壓實過程。通過工程實際經(jīng)驗確定空隙率等相關(guān)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，本文試驗馬歇爾試件成型采取首次擊實雙面各100次，經(jīng)常溫2d養(yǎng)生后的試件再次雙面擊實50次。

3外加劑最佳摻量分析

3.1最佳液體含量

液體含量是由三部分組成，分別是拌合時的水、乳化瀝青中的水以及礦料內(nèi)存在的水分。確定最佳的液體含量，需要對不同的液體含量時的再生混合料含水率等相關(guān)指標(biāo)進行試驗測定和數(shù)據(jù)分析。因此現(xiàn)根據(jù)經(jīng)驗選取固定的乳化瀝青添加量和水泥添加量，將礦料組分充分加熱烘干，研究在不同的含水率情況下，其加入的水量和混合料試件密度的變化規(guī)律。試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2顯示，隨著冷再生混合料試件含水率的提高，其干密度呈現(xiàn)先提高后降低的變化規(guī)律，在含水率為5.5%時，RAP混合料的干密度取得最大值，由此確定出試驗最佳的液體含量為5.5%，此時RAP冷再生混合料的干密度為2。207g/cm。

3.2最佳乳化瀝青用量

RAP冷再生混合料的乳化瀝青摻量通常按試驗方法結(jié)合工程實際情況進行確定，相關(guān)規(guī)范并無統(tǒng)一的規(guī)定。在具體的冷再生瀝青公路應(yīng)用中，有的通過分析不同摻量時的混合料相對密度變化規(guī)律來確定其合適的摻量，有的則通過控制混合料空隙率指標(biāo)，有的則通過馬歇爾試件強度指標(biāo)的最佳值來確定乳化瀝青的最佳摻量。相對于熱拌瀝青混合料而言，冷再生瀝青混合料的空隙率要高不少。本文試驗通過固定液體含量和水泥摻量，改變?nèi)榛癁r青摻量來測定冷再生混合料的強度指標(biāo)，以此分析最佳的乳化瀝青用量。試驗測試結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，乳化瀝青的摻量與冷再生混合料的空隙率指標(biāo)和強度指標(biāo)有很明顯的規(guī)律變化。乳化瀝青摻量越高，RAP冷再生混合料的空隙率越小，達到最低值后再增大;相應(yīng)的15℃劈裂強度指標(biāo)隨著乳化瀝青摻量的提升則先上升而后下降。從圖3能夠看出乳化瀝青的最佳摻量為3。4%時，冷再生混合料的空隙率指標(biāo)和強度指標(biāo)能夠取得最佳。

3.3最佳水泥用量

RAP再生瀝青混合料的強度性能與其中摻入的水泥用量有較大的關(guān)系，為了研究最佳的水泥用量，為實際工程項目提供試驗參考，需要對不同水泥用量下的再生瀝青混合料相關(guān)試驗指標(biāo)進行測定。在確定最佳的水泥用量時，按照上節(jié)的試驗方法，固定采用最佳液體含量和最佳乳化劑摻量，通過改變水泥的摻量來測定相應(yīng)的空隙率指標(biāo)和強度變化，水泥摻量應(yīng)當(dāng)控制在合理的范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)的研究經(jīng)驗，本文試驗的水泥摻量范圍在2%以下，試驗冷再生混合料成型方式采取本文2.2節(jié)所述的方法，并對摻入水泥后的試件進行7d的常溫養(yǎng)生。試驗結(jié)果如圖4所示。

通過圖4的試驗數(shù)據(jù)可以看出，水泥摻量在1.5%左右時，RAP冷再生混合料的空隙率指標(biāo)最佳，水泥摻量超過1.5%以后，冷再生混合料的空隙率指標(biāo)不降反增，2%摻量時的空隙率又變?yōu)?.5%。從劈裂強度指標(biāo)的變化規(guī)律來看，較低摻量的水泥，就對冷再生混合料的強度有較大的提升，0.5%摻入量時，混合料的劈裂強度為0.4MPa，而隨著水泥用量的進一步增加，RAP冷再生混合料的劈裂強度不斷增加，1.5%摻量時為0.52MPa，2%摻量時為0。54MPa。從圖4可以看出，水泥摻量在1.5%以前時，水泥的摻入對再生混合料的強度提升幅度較大，而水泥摻量進一步提升時，再生混合料的強度提升幅度變小。綜合考慮空隙率指標(biāo)和劈裂強度指標(biāo)以及經(jīng)濟性可知，當(dāng)水泥的最佳用量為1.5%時，RAP冷再生混合料能夠取得較好的強度性能。

3.4冷再生混合料路用性能

按上述的試驗研究分析方法和確定的最佳液體含量、最佳乳化瀝青摻量以及最佳的水泥用量和設(shè)計級配，進行馬歇爾試件的壓實成型，按標(biāo)準(zhǔn)試驗方法對成型的試件進行各項路用性能指標(biāo)的測定。通過試驗測定的RAP冷再生混合料的毛體積相對密度為2.253g/cm，此時的空隙率為9.4%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的9%～12%的范圍。對冷再生混合料的劈裂強度進行測定，得到此時的RAP混合料15℃劈裂強度為0.53MP3a，超出了規(guī)范要求的0.5MP3a。對于成型的馬歇爾試件分別進行穩(wěn)定度、流值和抗拉強度試驗，同一試驗采用3組平行試件測定，最終結(jié)果取平均值，得到RAP混合料路用性能試驗結(jié)果表，如表5所示。

通過表5的相關(guān)路用性能的試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在本文的試驗條件和各原料摻量條件下，RAP冷再生混合料的各項路用性能指標(biāo)都能夠較好地達到再生瀝青混合料的相應(yīng)規(guī)范要求，說明按此方法進行廠拌冷再生混合料的生產(chǎn)施工能夠滿足實際工程項目建設(shè)的需要，能夠保證RAP再生瀝青路面具有較好的使用效果，能夠在廣西地區(qū)和類似氣候條件區(qū)域進行應(yīng)用。

4結(jié)語

本文針對廣西地區(qū)的高溫氣候條件特點，對該地區(qū)應(yīng)用廠拌RAP冷再生混合料進行公路項目施工的適用性和冷再生混合料的路用性能研究，通過分析研究其廢舊瀝青混合料原材料的性能特點和參數(shù)指標(biāo)，科學(xué)合理地進行混合料的級配設(shè)計，根據(jù)相關(guān)研究和實際工程經(jīng)驗進行馬歇爾試件的成型，通過對成型試件的試驗測定，分析空隙率指標(biāo)和強度指標(biāo)變化規(guī)律，并以此確定出RAP冷再生混合料的最佳液體含量為5.5%，最佳乳化瀝青的摻量為3.4%，最佳水泥用量為1.5%。通過模擬實際工程攤鋪碾壓的兩次擊實試驗所成型的冷再生混合料試件，進行廠拌RAP冷再生混合料的路用性能指標(biāo)試驗。試驗結(jié)果顯示：該冷再生混合料技術(shù)的RAP混合料各項路用性能指標(biāo)均比較良好，能夠達到相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，具有較好的應(yīng)用價值，可為冷再生瀝青混合料在廣西地區(qū)的應(yīng)用發(fā)展提供參考。此外，通過試驗，還得出以下結(jié)論：

（1）隨著RAP滲入量的增加，混合料的力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性能、滲水系數(shù)均逐漸縮減，但是縮減的程度卻各不相同。

（2）隨著RAP含量的增加，混合料的TSR雖然呈下降的趨勢，但是減少量幾乎趨近于零，即相對保持穩(wěn)定，但卻顯著地比熱拌瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)低一些，這足以證明乳化瀝青冷再生混合料的抗水損害能力較弱。

（3）混合料-10℃中的彎拉破壞應(yīng)變和彎拉強度都會隨著RAP含量的增加而逐漸增大，但是都比規(guī)范對熱拌瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)要求低一些，這表明了乳化瀝青冷再生混合料的低溫性能較弱。

（4）僅僅針對于力學(xué)性能而言，若乳化瀝青冷再生混合料的級別不同，那么其依次使用于下面層、基層以及底基層等路面的結(jié)構(gòu)層內(nèi)。