乳化瀝青冷再生混合料早期黏聚力及影響因素

汪德才，郝培文

(1.鄭州大學水利與環(huán)境學院，鄭州 450001；2.河南省道路材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，鄭州 450006；3.河南省交通科學技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450006；4.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點試驗室，西安 710064)

瀝青路面冷再生技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟、社會與環(huán)境效益，是一項符合國家可持續(xù)發(fā)展要求的道路維修措施.近年來以乳化瀝青作為再生劑的瀝青路面冷再生技術(shù)在國外瀝青路面養(yǎng)護維修和升級改造中得到了廣泛應(yīng)用[1-2].但由于國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范[3]中關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計并未涉及早期性能指標，而黏聚力是其冷再生混合料早期性能的關(guān)鍵表征指標，在工程實施過程中易出現(xiàn)由于冷再生混合料早期黏聚力指標缺失而造成取芯困難或難以開放交通，或是開放交通后出現(xiàn)表面裂紋等問題，這在一定程度上限制了該項技術(shù)的推廣與應(yīng)用.2017年，Yan等[4]對冷再生混合料的早期強度基于維姆(HVEEN)內(nèi)聚試驗和磨耗試驗分別測定內(nèi)聚力和損失率表征，研究加入水泥對其早期強度和長期性能的影響，表明早期強度和長期性能間存在很強的線性相關(guān)性.2013年，周源[5]通過室內(nèi)試驗表明添加適量生石灰可以增加乳化瀝青冷再生混合料強度，并能縮短養(yǎng)生工期.2016年，耿九光等[6]提出加入早強水泥可改善乳化瀝青冷再生混合料早期強度，能顯著縮短工期.2016年，李鋒等[7]基于黏結(jié)力試驗和磨耗試驗對乳化瀝青冷再生混合料早期強度與水穩(wěn)定性能展開研究，得出隨水泥用量增大，早期強度與水穩(wěn)定性能增加，但會降低低溫性能.2016年，陳海民等[8]通過分析現(xiàn)有冷再生設(shè)計方法，認為基于黏聚力、抗磨耗及取芯試驗可選擇最佳乳化瀝青配方.可以看出，國內(nèi)外研究主要集中在水泥、石灰等常規(guī)材料對冷再生混合料早期強度改善以及中長期性能等方面，關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料早期性能控制指標及影響因素研究很少，對再生劑(regenerating agent，RA)、布敦巖瀝青(Buton rock asphalt, BRA)、玄武巖纖維(basalt fiber，BF)等不同技術(shù)方式對改善冷再生混合料早期性能方面也鮮少涉及，因此開展乳化瀝青冷再生混合料早期黏聚力指標及要求等方面的研究對于優(yōu)化其冷再生混合料設(shè)計及施工工序具有重要意義.

1 試驗實施

1.1 試驗材料

1)RAP

采用某高速面層銑刨料，通過阿布森法從瀝青舊料(reclaimed asphalt pavement,RAP)中回收瀝青，瀝青質(zhì)量分數(shù)為4.87%，其技術(shù)指標為：25 ℃針入度2.41 mm, 軟化點60.8 ℃，15 ℃延度11.6 cm，60 ℃黏度2 831 Pa·s.

2)乳化瀝青

基質(zhì)瀝青采用鎮(zhèn)海70號道路石油瀝青，選用工程中常用的4種冷再生用乳化劑，室內(nèi)采用膠體磨制備乳化瀝青，記為E1、E2、E3、E4.采用激光粒度儀進行乳化瀝青粒徑測試，試驗結(jié)果見表1.

表1 乳化瀝青技術(shù)指標

3)改性材料

RA為熱再生常用再生劑，60 ℃黏度2.3 Pa·s，飽和分質(zhì)量分數(shù)25%，芳香分質(zhì)量分數(shù)75%，薄膜加熱試驗前后質(zhì)量變化1.6%.BF外觀為金褐色，密度2.463 g/cm3，直徑15 μm，長度6 mm，斷裂伸長率3.1%，吸油率70%.BRA為黑褐色顆粒，密度1.71 g/cm3，瀝青質(zhì)量分數(shù)25%，灰分質(zhì)量分數(shù)75%，含水量小于1%.SBR膠乳常溫下呈乳白色液狀，帶陽離子電荷，固含量50%，pH 5～7，機械穩(wěn)定性(5 min)小于1%.根據(jù)各材料廠商推薦用量，其中RA添加比例為RAP中舊瀝青質(zhì)量分數(shù)的8%，BF與BRA摻量分別為冷再生混合料的0.30%、0.35%，SBR膠乳為乳化瀝青用量的3%.

4)材料組成設(shè)計

參考JTG F41中乳化瀝青冷再生混合料中粒式級配要求設(shè)計，RAP摻量分別為70%、80%、90%，添加相應(yīng)石屑分別為30%、20%、10%，合成級配分別記為G1、G2、G3，見表2.采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為32.5，外摻用量1.5%，水為飲用自來水，所有材料檢測指標均符合規(guī)范要求.最佳乳化瀝青用量、拌和用水量均基于旋轉(zhuǎn)壓實50次成型試件時最大劈裂強度而確定，分別為4.0%、3.6%.

表2 乳化瀝青冷再生材料組成級配

1.2 試驗方法

目前，關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料早期黏聚力評價方法主要有以下4種方式.

1)HVEEN黏聚力試驗

HVEEN黏聚力試驗?zāi)M路面材料層底彎拉應(yīng)力狀態(tài)是基于ASTM D1560修正而來，試驗儀器如圖1所示，其試驗原理是通過一定規(guī)格的小鋼珠勻速在懸臂梁末端上加載，直至試件掰斷或者彎曲至某一變形(13 mm)時，彈簧開關(guān)自動關(guān)閉，小球停止流出，稱量并記錄小球質(zhì)量(g)，按計算黏聚力大小.式中：C為黏聚力，g/cm2；L為球重，g；W為試件直徑，cm；H為試件高度，cm.

(1)

試件準備：旋轉(zhuǎn)壓實20次成型直徑150 mm、高(80±3)mm的圓柱體試件，在溫度25 ℃、相對濕度70%的恒溫恒濕箱中養(yǎng)生4 h.

2)磨耗試驗

根據(jù)ASTM D7196磨耗試驗進行評價，試件準備與上文黏聚力試驗一致，養(yǎng)生后稱重為Wb，室溫下磨耗15 min后稱重為Wa(當試件松散即刻停止)，磨耗損失率L計算公式為

(2)

式中：L為磨耗損失率，%；Wb為磨耗前試件質(zhì)量，g；Wa為磨耗后試件質(zhì)量，g.

3)鉆取芯樣

為更直觀檢驗冷再生混合料早期強度形成情況，在室內(nèi)模擬現(xiàn)場實際，通過成型車轍板鉆取芯樣，以試件的完整度進行直觀評價.

4)稀漿混合料黏聚力測試方法

本方法適用于確定稀漿混合料(或微表處)初凝時間和開放交通時間，通過扭力扳手測定不同養(yǎng)生時間下的黏聚力控制混合料的性能，不僅可以評價混合料成型速度，也可反映其強度性能.

綜上所述，各種不同黏聚力測試方法各有其優(yōu)缺點，考慮材料試驗方法時主要有兩方面：一是與現(xiàn)場實際的吻合程度；二是試驗方法的簡便性、精確性與可操作性.稀漿混合料黏聚力試驗測試攤鋪碾壓后黏聚力大小，能較好評價混合料的黏聚力，但評價乳化瀝青冷再生混合料黏聚力是否科學合理，未予論證；磨耗試驗間接模擬開放交通后的情況，但未反映混合料內(nèi)部真實黏聚力的情況；鉆取芯樣試驗可直觀定性判斷內(nèi)部黏聚力形成情況，但受試驗操作影響，數(shù)據(jù)變異性大，難以定量.而HVEEN試驗儀可較為真實地模擬現(xiàn)場實際，且評價其黏聚力也具有較好的一致性，因此本研究借助于HVEEN試驗儀定量評價乳化瀝青冷再生混合料早期形成黏聚力的情況.

2 結(jié)果與討論

2.1 黏聚力影響因素

2.1.1 成型時間影響

根據(jù)HVEEN黏聚力試驗方法，在乳化瀝青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%以及90%RAP摻量條件下成型試件，測試放置不同時間后試件黏聚力大小，結(jié)果見圖2.

由圖2可知，乳化瀝青冷再生混合料黏聚力隨放置時間增加呈先增大后減小趨勢，放置約2 h試件黏聚力最大.由于乳化瀝青前期并未破乳，具有良好和易性，后期隨著水分揮發(fā)，乳化瀝青開始破乳凝結(jié)，冷再生混合料逐步失去和易性，對成型后試件黏聚力有影響，這也說明黏聚力最大值存在于乳化瀝青冷再生混合料和易性良好時[9].

2.1.2 乳化瀝青特性及用量影響

根據(jù)HVEEN黏聚力測試方法，在乳化瀝青用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP摻量條件下成型試件，考察4種乳化瀝青E1、E2、E3、E4對混合料黏聚力的影響，結(jié)果見圖3；在乳化瀝青用量(E1)4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP摻量條件下成型試件，考察4種乳化瀝青用量3.0%、3.5%、4.0%、4.5%對混合料黏聚力的影響，結(jié)果見圖4.

由圖3可知，乳化劑種類對乳化瀝青冷再生混合料黏聚力指標有影響，黏聚力由大到小依次為E2、E1、E4、E3，乳化瀝青平均粒徑由大到小依次為E3、E4、E2、E1，從乳化瀝青E2、E3、E4的黏聚力來看，說明粒徑越小黏聚力越大，但從乳化瀝青E1與E2的黏聚力來看，并非完全說明粒徑越小黏聚力就越大，可能還與乳化劑本身分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)系.

由圖4可知，乳化瀝青用量在3.0%～4.0%變化時，黏聚力隨著乳化瀝青用量增加而增大；乳化瀝青用量在4.0%～4.5%變化時，黏聚力反而有所下降，因此冷再生混合料黏聚力最大值存在于乳化瀝青用量為4.0%～4.5%時.由于乳化瀝青用量較少，一方面會導致乳化瀝青破乳后瀝青裹復(fù)舊料面積較小，另一方面需要拌和用水量會增多，水分蒸發(fā)時間延長，殘留空隙較大；乳化瀝青用量較多時，殘留瀝青相應(yīng)增多，雖然空隙率有所降低，但未形成材料的合理級配，同樣黏聚力也會降低.

2.1.3 拌和用水量影響

在乳化瀝青(E1)用量4.0%、90%RAP摻量條件下成型試件，考察4種拌和用水量3.1%、3.6%、4.1%、4.6%對冷再生混合料黏聚力的影響，結(jié)果見圖5.由圖5可知，拌和用水量在3.1%～3.6%變化時，黏聚力隨用水量增加而變大；在3.6%～4.6%變化時，用水量增大黏聚力反而下降.若拌和用水量過少，冷再生混合料潤濕不夠，和易性會變差，同樣乳化瀝青用量下，裹覆舊料程度不一，導致黏聚力較差；若拌和用水過多，雖能充分潤濕舊料，和易性也在合理范圍，但乳化瀝青冷再生混合料強度形成的過程也是水分不斷蒸發(fā)的過程，水分越多，強度形成越慢，殘留空隙越大，早期強度就越差.另外也可以看出黏聚力試驗對應(yīng)的最佳含水量與基于劈裂強度確定的含水量具有良好的一致性，這在一定程度上也說明了黏聚力測試方法的合理性.

2.1.4 RAP摻量影響

在乳化瀝青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%時，改變RAP摻量分別為70%、80%、90%，考察RAP摻量對冷再生混合料黏聚力的影響，結(jié)果見圖6.由圖6可知，隨RAP摻量增加乳化瀝青冷再生混合料黏聚力增大.RAP摻量70%時黏聚力為112 g/cm2，80%RAP的黏聚力相比70%RAP增加18%，90%RAP的黏聚力相比80%RAP增加3%.表明乳化瀝青冷再生混合料黏聚力并非新料越多越好，黏聚力形成主要依靠于乳化瀝青冷再生混合料膠漿的強度，新料越多，表面需要裹覆的瀝青越多，同樣乳化瀝青用量下，膠漿強度偏低；另外新料與舊料的相容性也并非一致.

2.2 相關(guān)性分析

為分析RAP摻量、拌和用水量、乳化瀝青特性與用量對冷再生混合料黏聚力的影響程度，進行單因素SPSS方差分析[10]，結(jié)果見表3.

表3 影響因素的方差分析結(jié)果

由表3可知：RAP摻量、拌和用水量、乳化瀝青特性及用量的顯著性水平均小于0.05，說明4個因素在5%顯著性水平下對乳化瀝青冷再生混合料黏聚力均有顯著影響；從4個因素統(tǒng)計量(F)來看，乳化瀝青用量與拌和用水量對其冷再生混合料黏聚力影響最大，乳化瀝青特性次之，RAP摻量最小.

2.3 黏聚力指標要求

根據(jù)HVEEN試驗方法，在乳化瀝青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP摻量條件下成型試件，養(yǎng)生不同時間后立即進行取芯試驗并測試其黏聚力大小，其結(jié)果見圖7、8.

如圖8所示，對養(yǎng)生8 h后的試件取芯，取芯機未到試件底部時，發(fā)現(xiàn)試件外側(cè)已完全松散，在取芯機內(nèi)側(cè)，試件僅有小塊殘留，大部分處于松散的狀態(tài)，說明乳化瀝青冷再生混合料尚未形成強度.對養(yǎng)生24 h后的試件取芯，取芯機到試件底部時，試件外側(cè)完全裂開，但未見松散；取芯機內(nèi)側(cè)，試件有大塊殘留，未出現(xiàn)完全松散狀態(tài)，說明乳化瀝青冷再生混合料正處于強度形成初始階段.對養(yǎng)生30 h后的試件取芯，取芯機到試件底部時，試件外側(cè)裂開，觀察取芯機內(nèi)側(cè)，發(fā)現(xiàn)試件基本完整，完整率約80%，說明乳化瀝青冷再生混合料已具有一定強度，處于強度逐步形成階段.對養(yǎng)生54 h后的試件取芯，取芯機到試件底部時，試件外側(cè)未裂開，僅有局部輕微掉落，進一步觀察取芯機內(nèi)側(cè)，發(fā)現(xiàn)試件成型完好，完整率在95%以上，說明乳化瀝青冷再生混合料已形成較好的強度.

由圖7可知，隨著養(yǎng)生時間增加，試件黏聚力呈對數(shù)函數(shù)變化趨勢，相關(guān)系數(shù)0.998 8，說明養(yǎng)生前期(養(yǎng)生1 d)冷再生混合料黏聚力增加速度較快，后期增加速度相對較慢，相比于4 h的標準養(yǎng)生時間，養(yǎng)生24、36、60、72 h冷再生混合料黏聚力分別增加20%、6%、5%、3%，表明合理養(yǎng)生時間對冷再生混合料早期強度的影響至關(guān)重要.根據(jù)上述室內(nèi)試驗結(jié)果，并結(jié)合實際工程經(jīng)驗確定當乳化瀝青冷再生混合料試件能取出完整芯樣時其黏聚力應(yīng)至少大于163 g/cm2.

2.4 黏聚力增強技術(shù)

黏聚力大小是表征乳化瀝青冷再生混合料強度形成的重要指標，如何有效提升乳化瀝青冷再生混合料早期強度是其工程應(yīng)用的重要方面.根據(jù)HVEEN試驗方法，在乳化瀝青(E1)用量4.0%、最佳拌和用水量3.6%及90%RAP摻量條件下成型試件，考察RA、BRA、BF及采用SBR膠乳改性4種不同技術(shù)方式對其冷再生混合料黏聚力提升的影響.結(jié)果見圖9.

分析圖9可知：摻加BRA、RA及采用SBR膠乳對冷再生混合料黏聚力改善較明顯，其中改善最顯著的是摻加BRA，而摻加BF稍降低了冷再生混合料早期黏聚力.相對普通乳化瀝青冷再生混合料黏聚力而言，摻加BRA、RA及SBR膠乳的冷再生混合料黏聚力分別提升了68%、38%、33%；而摻加BF的混合料黏聚力降低了2%.

摻加BRA對其冷再生混合料黏聚力改善明顯，一方面由于BRA是天然瀝青，與舊瀝青相容性有天然優(yōu)勢；另一方面BRA中有石灰?guī)r礦物質(zhì)，不僅粒度細，而且吸油能力非常好，可以提高瀝青與集料間的黏附性，包含的一部分礦物成分能很好地填充混合料空隙，從而提升材料強度[11-12].RA主要作用是降低老化瀝青黏度，軟化過硬的舊瀝青，壓實過程中能進一步均勻分散，提高瀝青材料黏附性；另外部分RA滲入RAP中，充分與舊瀝青組分融合，改善瀝青流變特性，使得混合料更易壓實[13-14].SBR通常以“膠?！钡男问椒稚⒃跒r青中，瀝青是連續(xù)相，SBR是分散相，SBR和瀝青的共混讓瀝青表現(xiàn)出較好的黏彈性質(zhì)，改善了混合料的黏結(jié)力[15].首先，BF比表面積大又表面粗糙，會降低和易性，增加壓實難度；其次，BF具有良好的親水性，當BF投入冷再生混合料后，隨即分散成極細的絮狀纖維絲，包裹這些絮狀纖維絲需要大量漿體，難以確保舊料的裹覆效果；再者，BF難以分散，拌和時容易成團，可能會削弱乳化瀝青與舊瀝青或集料間界面[16].

3 結(jié)論

1)推薦采用HVEEN黏聚力試驗儀對乳化瀝青冷再生混合料黏聚力定量評價；冷再生混合料黏聚力大小隨放置時間、乳化瀝青用量及拌和用水量增加呈先增大后減小趨勢，隨RAP摻量增加而增大，且最大黏聚力值存在于冷再生混合料和易性良好時；乳化瀝青平均粒徑越小并非黏聚力越大；黏聚力試驗與劈裂強度試驗確定最佳拌和用水量具有良好的一致性.

2)RAP摻量、拌和用水量、乳化瀝青特性及用量對乳化瀝青冷再生混合料黏聚力影響顯著，其中乳化瀝青用量和拌和用水量影響最大，乳化瀝青特性次之，舊料摻量影響最小.隨著養(yǎng)生時間增加，乳化瀝青冷再生混合料黏聚力呈對數(shù)函數(shù)變化特征，養(yǎng)生前期黏聚力增加速度較快，后期增加較慢，建議乳化瀝青冷再生混合料早期黏聚力應(yīng)不小于163 g/cm2.

3)摻加BRA、RA及采用SBR改性乳化瀝青對冷再生混合料黏聚力有明顯改善作用，改善最明顯的是在冷再生混合料中摻加BRA的技術(shù)方式，其次是摻加RA的方式以及采用SBR改性乳化瀝青的方式，而摻加BF的方式稍降低了冷再生混合料早期黏聚力.