冷再生混合料力學強度影響因素探究

蔣應軍， 譚云鵬， 王瑞祥， 王 闖， 胡永林

(1.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064；2.金東區(qū)公路管理局，金華 321110)

冷再生路面長期承受車輛荷載和各種自然因素的綜合作用，力學強度逐漸衰減，因此提高乳化瀝青就地冷再生混合料的力學強度對路面抗水害能力、耐久性有重要意義[1-3]。中外道路工作者針對冷再生混合料的路用性能開展了一些相關(guān)研究。Lee等[4]研究了級配粗細、舊料對冷再生混合料的疲勞性能的影響，指出回收料較粗且老化瀝青含量少的冷再生混合料抗疲勞性能好；He[5]研究了回收料老化程度、回收料摻量對冷再生混合料抗永久變形的影響，指出回收料老化程度及摻量對冷再生混合料永久變形影響不明顯；Xongyongyar[6]研究了水泥對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響，指出水泥可提高冷再生混合料路用性能，隨著水泥用量增加，冷再生混合料力學特性、高溫性能、水穩(wěn)定性能逐漸增大，低溫性能先增加后減小；榮麗娟[7]研究了回收料材料特性及乳化瀝青冷再生配合比設(shè)計方法，指出回收料越多，冷再生混合料低溫性能越好，力學性能越差，在滿足規(guī)范要求的原則下，回收料建議摻量為80%，乳化瀝青用量建議為7.3%；呂政樺等[8]研究了回收料摻量對冷再生混合料路用性能及耐久性能性能的影響，并基于多指標加權(quán)優(yōu)化設(shè)計理論，提出滿足綜合性能的最佳回收料摻量；徐劍等[9]對泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料性能進行了對比試驗研究，指出乳化瀝青冷再生混合料與泡沫瀝青冷再生混合料都滿足路用性能要求；李秀君[10]采用單軸貫入試驗，測定了泡沫瀝青再生混合料在不同條件下的抗剪強度，指出水泥可以使泡沫瀝青冷再生混合料抗剪強度提高5倍左右。上述研究成果無疑對提高冷再生混合料路用性能具有重要意義，然而上述研究聚焦回收料摻量、礦料級配等因素對冷再生混合料路用性能的影響，很少有乳化瀝青類型與外摻材料對冷再生混合料力學強度影響的相關(guān)研究。且上述研究均采用重型擊實方法與馬歇爾方法制備試件，而馬歇爾試件與路面芯樣的工程相關(guān)性不足70%[11-13]。

據(jù)此，采用垂直振動試驗方法，研究乳化瀝青類型、纖維類型及摻量與水泥摻量對冷再生混合料力學強度的影響。

1 研究方案

1.1 原材料

1.1.1 乳化瀝青

普通慢裂乳化瀝青(PM)、普通中裂乳化瀝青(PZ)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene,SBS)改性乳化瀝青和丁苯橡膠(styrene butadiene rubber，SBR)改性乳化瀝青技術(shù)性質(zhì)如表1所示。

表1 乳化瀝青技術(shù)性質(zhì)

1.1.2 面層回收集料

面層回收集料(reclaimed asphalt pavement material，RAP)采用陜西某高速公路瀝青路面回收集料，級配篩分結(jié)果如表2所示。

1.1.3 新集料

礦粉、機制砂和9.5～19 mm的粗集料采用洛南縣正泰礦業(yè)有限公司產(chǎn)品，技術(shù)性質(zhì)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[14]的技術(shù)要求。

表2 RAP級配篩分結(jié)果

1.2 試驗方案

1.2.1 乳化瀝青類型對冷再生混合料力學強度的影響

研究乳化瀝青類型對混合料力學強度的影響時，擬采用AC-20乳化瀝青冷再生混合料級配(簡稱CRM-20)如表3所示。其中Ca表示粗集料C摻量為a%，Sb表示機制砂S摻量為b%，Kc表示礦粉K摻量為c%。

1.2.2 水泥對冷再生混合料力學強度的影響

研究水泥摻量變化對混合料力學強度的影響時所采用混合料級配如表4所示。試驗時，水泥采用外摻法，固定9.5～19 mm粗集料和機制砂摻量分別為10%和20%，變化水泥摻量分別為0.5%、1%、1.5%、2%。

1.2.3 纖維對冷再生混合料力學強度的影響

研究纖維類型及摻量變化對混合料力學強度的影響時所采用混合料級配如表5所示。試驗時，纖維采用外摻法，固定9.5～19 mm粗集料和機制砂摻量分別為10%和20%，分別摻加聚酯纖維、礦物纖維、木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維4種纖維，其摻量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。

1.3 試驗方法

1.3.1 垂直振動試驗方法

垂直振動試驗方法(vertical vibration test method，VVTM)采用的振動壓實儀的基本參數(shù)：工作頻率為35 Hz，上車系統(tǒng)質(zhì)量為108 kg，下車系統(tǒng)質(zhì)量為167 kg[15-16]。

采用垂直振動擊實確定最大干密度和最佳含水率，振動成型時間為65 s[17]。

采用垂直振動成型63.5 mm×φ100 mm試件，振動成型時間為60 s。

1.3.2 力學強度試驗

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中馬歇爾穩(wěn)定度試驗(T0709—2011)[18]測試馬歇爾穩(wěn)定度MS、浸水馬歇爾穩(wěn)定度MSw。

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中劈裂試驗(T0716—2011)測試干劈裂強度RT、濕劈裂強度RTw。

表3 CRM-20混合料級配

表4 不同水泥摻量下混合料的級配

表5 不同纖維摻量下混合料的級配

2 冷再生混合料強度影響因素

2.1 乳化瀝青類型對冷再生混合料強度的影響

2.1.1 配合比

VVTM確定的不同類型乳化瀝青冷再生混合料的最大干密度ρmax、最佳含水率OWC和最佳乳化瀝青用量OEC如表6所示。試驗時乳化瀝青用量為4%，混合料級配如表3所示。

表6 最大干密度、最佳含水率及最佳乳化瀝青用量

2.1.2 試驗結(jié)果及分析

乳化瀝青類型對VVTM冷再生混合料力學強度的影響如表7所示。其中，PPM/PPZ指普通慢裂乳化瀝青冷再生混合料與普通中裂乳化瀝青冷再生混合料力學性能比值。

由表7 可知，與普通中裂乳化瀝青冷再生混合料相比,普通慢裂乳化瀝青冷再生混合料力學強度略有提高；SBR改性乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度和凍融劈裂強度分別至少提高了15%、17%和24%，即力學強度至少可提高15%；SBS改性乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度和凍融劈裂強度分別至少提高了9%、11%和15%，即力學強度至少可提高9%。

表7 不同類型乳化瀝青冷再生混合料強度對比

因此，根據(jù)力學性能最優(yōu)原則，選取SBR改性乳化瀝青作為冷再生混合料的膠結(jié)料，后續(xù)研究不做特殊說明，乳化瀝青均指SBR改性乳化瀝青。

2.2 水泥對冷再生混合料強度的影響

2.2.1 配合比

VVTM確定的乳化瀝青冷再生混合料的最大干密度ρmax、最佳含水率OWC和最佳乳化瀝青用量OEC如表8所示。試驗時乳化瀝青用量為4%，混合料級配如表4所示。

表8 最大干密度、最佳含水率及最佳瀝青用量

2.2.2 試驗結(jié)果及分析

不同水泥摻量乳化瀝青冷再生混合料強度如表9所示。表中τd是指單軸貫入抗剪強度，σm是指不同水泥劑量摻量乳化瀝青冷再生混合料VVTM試件MS與不摻水泥乳化瀝青冷再生混合料VVTM試件MS比值，σw是指不同水泥劑量摻量乳化瀝青冷再生混合料VVTM試件濕劈裂強度RTw與不摻水泥乳化瀝青冷再生混合料VVTM試件濕劈裂強度RTw比值，σg是指不同水泥劑量摻量乳化瀝青冷再生混合料VVTM試件干劈裂強度RT與不摻水泥乳化瀝青冷再生混合料VVTM試件干劈裂強度RT的比值，σd是指不同水泥劑量摻量乳化瀝青冷再生混合料VVTM試件單軸貫入抗剪強度τd與不摻水泥乳化瀝青冷再生混合料VVTM試件單軸貫入抗剪強度τd的比值。

表9 不同水泥摻量冷再生混合料力學強度

由表9可知：隨水泥摻量的增加，乳化瀝青冷再生混合料的力學強度不斷增大；乳化瀝青冷再生混合料中摻入水泥，一部分水泥吸收乳化瀝青或集料中的水發(fā)生水化反應，水化產(chǎn)物與瀝青薄膜既相互獨立又相互交織在一起，形成空間立體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包裹在集料表面；另一部分水泥起著活性礦粉作用，與瀝青發(fā)生化學吸附而形成力學結(jié)構(gòu)膜，極大地提高了集料與瀝青之間的黏附性。因此，摻水泥乳化瀝青冷再生混合料力學強度較大；當水泥摻量超過1.5%后，冷再生混合料的力學強度增長速率放緩，與不摻水泥乳化瀝青冷再生混合料相比，摻水泥1.5%乳化瀝青冷再生混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度和抗剪強度分別至少提高了11%、19%和85%。

綜上，考慮到經(jīng)濟性以及水泥摻量過大容易導致乳化瀝青冷再生混合料脆性增加等因素，建議乳化瀝青冷再生混合料水泥摻量為1.5%。

2.3 纖維對冷再生混合料強度的影響

2.3.1 配合比

VVTM確定的乳化瀝青冷再生混合料的最大干密度、最佳含水率和最佳乳化瀝青用量如表10所示。試驗時乳化瀝青用量為4%，混合料級配如表5所示。A、B、C、D分別表示聚酯纖維、礦物纖維、木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維。

2.3.2 試驗結(jié)果及分析

不同類型纖維及不同摻量下乳化瀝青冷再生混合料力學強度如圖1所示。

由圖1可知，與不摻纖維冷再生混合料相比：隨纖維摻量增加，纖維乳化瀝青冷再生混合料的力學強度先增大后減小，這是因為當纖維摻量不大時，纖維在混合料中的分散性比較好，可起到加筋作用，使得冷再生混合料力學性能得以提高；當纖摻量超過一定量后，隨纖維摻量增加，纖維分散性變差，會有一部分纖維結(jié)團成束，不但不能起到加筋和穩(wěn)定作用，反而會成為冷再生混合料的力學薄弱點，使大顆粒集料被擠開，混合料的空隙率增大，黏聚力減小，力學強度也會隨之減?。痪埘ダw維和礦物纖維為0.4%、木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維為0.3%，對應馬歇爾穩(wěn)定度可分別提高8%、5%、7%和4%；聚酯纖維和木質(zhì)素纖維為0.4%、礦物纖維和玄武巖纖維為0.3%，對應劈裂強度可分別提高9%、10%、5%和6%；聚酯纖維、礦物纖維、玄武巖纖維為0.4%、木質(zhì)素纖維為0.5%，對應抗剪強度可分別提高12%、5%、4%和9%。

表10 最大干密度、最佳含水率及最佳瀝青用量

圖1 強度隨纖維摻量變化規(guī)律Fig.1 Strength variation with fiber content

綜上，4種纖維最佳摻量分別為聚酯纖維0.4%、礦物纖維0.4%、木質(zhì)素纖維0.4%、玄武巖纖維0.3%。

在4種纖維各自最佳摻量下，不同類型纖維對乳化瀝青冷再生混合料力學強度影響如表11和圖2所示。表中A、B、C、D分別表示聚酯纖維、礦物纖維、木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維。

表11 不同類型纖維冷再生混合料力學強度

圖2 不同力學指標強度比值Fig.2 Strength ratio of different mechanical indicators

由表11和圖2可知，與不摻纖維乳化瀝青冷再生混合料相比：聚酯纖維乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度和抗剪強度分別至少提高了8%、9%和12%，即力學強度至少可提高8%；礦物纖維冷再生混合料馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度和抗剪強度分別至少提高了5%、4%和5%，即力學強度至少可提高4%；木質(zhì)素纖維冷再生混合料馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度和抗剪強度分別至少提高了6%、10%和9%，即力學強度至少可提高6%；玄武巖纖維冷再生混合料馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度和抗剪強度分別至少提高了3%、6%和4%，即力學強度至少可提高3%。

綜上，纖維類型建議選擇聚酯纖維，纖維最佳摻量為0.4%。

3 結(jié)論

(1)普通慢裂乳化瀝青冷再生混合料力學強度略有提高，SBR、SBS改性乳化瀝青冷再生混合料力學強度至少可提高15%、9%。

(2)摻水泥1.5%的乳化瀝青冷再生混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度和抗剪強度分別至少提高了11%、19%和85%；考慮到經(jīng)濟性以及水泥摻量過大容易導致乳化瀝青冷再生混合料脆性增加等因素，建議乳化瀝青冷再生混合料水泥摻量為1.5%。

(3)確定出4種纖維的最佳摻量，根據(jù)力學性能最優(yōu)原則，建議選用聚酯纖維來提升冷再生混合料的力學強度，纖維最佳摻量為0.4%。