級(jí)配和水泥摻量對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料路用性能的影響

李強(qiáng)，許傲，陳浩，商健林，張帥

級(jí)配和水泥摻量對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料路用性能的影響

李強(qiáng)1, 2，許傲1，陳浩3，商健林4，張帥4

(1. 南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 機(jī)電產(chǎn)品包裝生物質(zhì)材料國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南京 210037；3. 常州星河協(xié)通房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，江蘇 常州 213100；4. 江蘇北極星交通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南通 226010)

為評(píng)價(jià)級(jí)配和水泥摻量的影響，分別采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)不同類型泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性進(jìn)行測(cè)試。研究結(jié)果表明：在再生料中摻加新集料可以降低2.3%～3.3%的空隙率。通過(guò)同時(shí)摻加新粗、細(xì)集料和礦粉來(lái)進(jìn)行再生料級(jí)配優(yōu)化可以獲得最優(yōu)的力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，但是其水穩(wěn)定性和低溫抗裂性不如僅摻加新細(xì)集料和礦粉的情況。雖然再生料路用性能隨著水泥摻量的增加而不斷提高，但是考慮到潛在的收縮開(kāi)裂問(wèn)題，建議在控制水泥摻量的前提下通過(guò)優(yōu)化級(jí)配來(lái)改善泡沫瀝青冷再生混合料的路用性能。級(jí)配和水泥摻量對(duì)于不同的路用性能的影響顯著性有所差異。級(jí)配對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響更加顯著，而水泥劑量對(duì)水穩(wěn)定性的影響更加顯著。

瀝青混合料；泡沫瀝青冷再生；級(jí)配；水泥摻量；顯著性分析

在極短的時(shí)間內(nèi)將眾多細(xì)微水體顆粒噴入高溫瀝青中，水體顆粒遇熱形成氣泡使瀝青體積迅速膨脹，從而產(chǎn)生大量的瀝青泡沫，瀝青泡沫隨后會(huì)出現(xiàn)破裂，這種包含水、氣、瀝青的三相混合體就是泡沫瀝青。近年來(lái)廢舊路面材料回收及再生技術(shù)受到了極大的關(guān)注，泡沫瀝青主要適用于冷再生和溫拌技術(shù)[1?2]。與溫拌技術(shù)相比，泡沫瀝青冷再生技術(shù)不僅同樣能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，而且還能有效使用廢舊路面材料，兼具節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)。泡沫瀝青冷再生混合料主要用于道路底面層或基層，其路用性能一直是研究的熱點(diǎn)。在級(jí)配設(shè)計(jì)方面，李鵬飛等[3]提出摻加20%的19～26.5 mm粗集料能夠提升AC-25泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度和穩(wěn)定度；劉玉國(guó)[4]發(fā)現(xiàn)級(jí)配較細(xì)的泡沫瀝青混合料具有更高的抗壓強(qiáng)度；王玥珩[5]認(rèn)為摻加20%的機(jī)制砂可以使再生料達(dá)到最優(yōu)的高溫性能。在水泥摻量方面，喬得偉[6]發(fā)現(xiàn)摻加1.5%的水泥的再生料具有良好的高溫性能和水穩(wěn)定性；LI等[7]提出為保證再生料低溫抗裂性，建議水泥摻量不大于2%。上述研究表明在泡沫瀝青冷再生混合料級(jí)配設(shè)計(jì)理念方面還存在一定的爭(zhēng)議，另外在最佳水泥摻量方面也缺乏明確的結(jié)論。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性進(jìn)行研究，并評(píng)價(jià)級(jí)配和水泥摻量對(duì)其路用性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

通過(guò)對(duì)某實(shí)體道路工程AC-13普通瀝青混凝土層進(jìn)行銑刨獲取舊瀝青混合料。從表觀上看舊料主要由大量完全被瀝青裹覆的集料和少量未被瀝青裹覆或被瀝青部分裹覆的集料組成，說(shuō)明已出現(xiàn)瀝青與集料剝離的現(xiàn)象。銑刨料的最大顆粒粒徑小于26.5 mm，4.75 mm以下銑刨料的砂當(dāng)量為60.3%，滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)的技術(shù)要求(≥50%)。經(jīng)抽提試驗(yàn)檢測(cè)得到銑刨料油石比為5.0%。選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥和滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)性能要求的石灰?guī)r新集料及礦粉[8]。經(jīng)比選最終采用韓國(guó)雙龍70號(hào)瀝青進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)，新舊瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。最佳發(fā)泡條件為發(fā)泡溫度170 ℃和發(fā)泡用水量2.0%，在此條件下測(cè)得的最大膨脹率為12倍，半衰期為11.5 s[9]。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

級(jí)配是影響瀝青混合料性能的關(guān)鍵因素[10]。根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)中規(guī)定的中粒式級(jí)配范圍，綜合考慮銑刨料級(jí)配和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了3種再生料組成設(shè)計(jì)方案，分別是同時(shí)摻加新粗、細(xì)集料(級(jí)配A)、只摻加新細(xì)集料(級(jí)配B)和未摻加任何新集料(級(jí)配C)，用以對(duì)比不同級(jí)配優(yōu)化方法對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料性能的影響。各方案中舊料、新粗集料(9.5～19.0 mm)、新細(xì)集料(0～2.36 mm)、新礦粉的質(zhì)量比分別為：級(jí)配A(70%:10%:15%:5%)、級(jí)配B(80%: 0%:15%:5%)、級(jí)配C(100%:0%:0%:0%)。在每種級(jí)配下分別采用3種水泥摻量，分別為集料質(zhì)量的1.0%，1.5%和2.0%。銑刨料和3種再生料的級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 級(jí)配曲線

采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定泡沫瀝青冷再生混合料的最大干密度和最佳含水量，將再生料最佳含水量的80%作為最佳拌和用水量，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。成型馬歇爾試件，將其放置在40±2 ℃的通風(fēng)烘箱內(nèi)養(yǎng)生72 h。采用25 ℃劈裂試驗(yàn)測(cè)試泡沫瀝青冷再生混合料的干、濕劈裂強(qiáng)度(ITSD和ITSW)與劈裂強(qiáng)度比(ITS)，以此為指標(biāo)確定其最佳瀝青用量。根據(jù)表3所示結(jié)果，級(jí)配A，B和C再生混合料的最佳瀝青用量分別為2.5%，2.5%和2.0%。

配合比設(shè)計(jì)結(jié)果表明在相同的瀝青用量級(jí)配A和B再生料的空隙率基本相同，在7%～9%之間，比未摻加新集料的級(jí)配C下降了2.3%～3.3%。這說(shuō)明摻加新細(xì)集料和礦粉可以有效地填充再生料的空隙，但是同時(shí)摻加新粗集料對(duì)空隙率的影響很小。其主要是因?yàn)閾郊有麓旨弦环矫婵梢詢?yōu)化級(jí)配，使再生料更密實(shí)；另一方面也會(huì)使再生料級(jí)配變粗，兩方面作用相互抵消。再生料空隙率隨著水泥摻量的增加稍有降低或者幾乎不變，這是由于水泥水化產(chǎn)物的空隙填充作用有限。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表3 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方法

分別采用25 ℃無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、60 ℃車轍試驗(yàn)、?10 ℃小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同級(jí)配和水泥摻量下泡沫瀝青冷再生混合料的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。其中，將試件放置在40±2 ℃的通風(fēng)烘箱內(nèi)養(yǎng)生72 h后再進(jìn)行性能測(cè)試，其余試驗(yàn)步驟同《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。不同級(jí)配再生料3 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨水泥摻量的增加而顯著增大。其原因是水泥水化后會(huì)發(fā)揮一定的膠結(jié)作用，同時(shí)還能改善礦料表面棱角性，有利于分散的泡沫瀝青膠漿黏附在礦料表面。與級(jí)配C相比，在相同的水泥摻量下級(jí)配A再生料的抗壓強(qiáng)度提高了36%～70%，級(jí)配B再生料的抗壓強(qiáng)度提高幅度略低，為35%～43%。這說(shuō)明級(jí)配的優(yōu)化有利于提高再生料的力學(xué)性能，其中粗集料含量對(duì)其骨架結(jié)構(gòu)的形成更具決定性的作用，這一點(diǎn)與抗拉性能規(guī)律有所區(qū)別。級(jí)配對(duì)再生料強(qiáng)度的影響隨著水泥摻量的增加而愈發(fā)顯著。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水泥摻量的相關(guān)關(guān)系

2.2 水穩(wěn)定性

浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。在相同的水泥摻量下，級(jí)配B再生料表現(xiàn)出最優(yōu)的水穩(wěn)定性，其次為級(jí)配A，最差的是級(jí)配C。根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)，雖然大部分再生料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比R都滿足重及以上交通荷載等級(jí)的技術(shù)要求(FT≥75%)，但是僅在水泥摻量達(dá)到2.0%的條件下級(jí)配C混合料的馬歇爾穩(wěn)定度才超過(guò)6 kN。與級(jí)配C相比，級(jí)配A再生料的浸水前和浸水后馬歇爾穩(wěn)定度1和2分別提高了1.0～1.2倍和1.0～1.1倍，凍融前和凍融后劈裂強(qiáng)度σ1和σ2分別提高了0.7～1.4倍和0.8～1.5倍；級(jí)配B再生料1和2的增幅更是分別達(dá)到2.0～2.4倍和2.1～2.6倍，σ1和σ2的增幅也達(dá)到1.2～1.6倍和1.3～1.8倍。這說(shuō)明級(jí)配對(duì)于再生料水穩(wěn)定性的影響非常顯著，摻加新細(xì)集料和礦粉(尤其是粉料)有助于形成足夠的新瀝青砂漿，可以有效彌補(bǔ)因水分侵蝕和凍融作用而引起的空隙增大和黏附性能劣化[11]。與級(jí)配B相比，級(jí)配A再生料中摻加10%新粗集料替代銑刨料，因此需要更多的瀝青砂漿對(duì)其進(jìn)行裹覆；但是由于其細(xì)集料和粉料含量偏小，無(wú)法形成足夠的瀝青砂漿。另外，新粗集料與瀝青砂漿的裹覆性也不如銑刨料，因此造成摻加新粗集料后再生料水穩(wěn)定性有所降低。這與文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)果不一致，其主要原因是兩者銑刨料級(jí)配的粗細(xì)程度存在明顯差異。由于水泥可以同時(shí)起到膠結(jié)和填充效果，水化產(chǎn)物和分散的泡沫瀝青膠漿相互交織，可以進(jìn)一步阻礙水分的侵蝕，提高再生料的水穩(wěn)定性。因此，再生料水穩(wěn)定性隨著水泥摻量的增加而不斷增強(qiáng)，但是其增幅逐漸下降。

表4 浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.3 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。摻加水泥可以顯著改善再生料的高溫穩(wěn)定性，其動(dòng)穩(wěn)定度增幅隨著水泥劑量的增加而不斷增大。這是因?yàn)樵诟邷貭顟B(tài)下以“點(diǎn)焊”形式包裹在集料表面的泡沫瀝青容易發(fā)生流動(dòng)變形，而水泥水化產(chǎn)物和瀝青膠漿的交織作用會(huì)在再生料內(nèi)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以有效地限制其變形[12]。根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)，雖然3種級(jí)配再生料動(dòng)穩(wěn)定度在任何水泥摻量下均滿足要求(≥2 000次/mm)，在相同的水泥摻量下，級(jí)配A再生料的動(dòng)穩(wěn)定度比級(jí)配C混合料高68%～86%，級(jí)配B再生料的動(dòng)穩(wěn)定度比級(jí)配C混合料高54%～64%?？紤]到過(guò)高的水泥摻量會(huì)引起混合料收縮開(kāi)裂問(wèn)題，說(shuō)明通過(guò)改善級(jí)配來(lái)提升再生料的高溫穩(wěn)定性更為可行。其中新粗集料的摻加(級(jí)配A)可以使再生料由懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)向骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而表現(xiàn)出最優(yōu)的高溫穩(wěn)定性。

圖3 動(dòng)穩(wěn)定度和水泥摻量的相關(guān)關(guān)系

2.4 低溫抗裂性

小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。隨著水泥摻量的增加，不同級(jí)配再生料的抗彎拉強(qiáng)度σ和應(yīng)變能密度E逐漸增大，破壞應(yīng)變ε逐漸減小。表明再生料逐漸脆化，但是總體上低溫抗裂性能有所提升。在相同的水泥摻量下，級(jí)配B再生料表現(xiàn)出最優(yōu)的低溫抗裂性，其次為級(jí)配A再生料。與級(jí)配C相比，級(jí)配A再生料的σ，ε和E分別提高57%～63%，11%～12%和74%～84%，級(jí)配B再生料的σ，ε和E分別提高25%～30%，4%～5%和32%～35%。這說(shuō)明改善級(jí)配有利于提高再生料的低溫抗裂性能，尤其是在摻加新細(xì)集料和礦粉后，可以形成足夠的瀝青砂漿以保證其與集料之間存在良好的黏結(jié)力。

表5 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6 方差分析結(jié)果

2.5 顯著性分析

采用SPSS軟件在95%置信水平下對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，對(duì)比不同因素對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料各項(xiàng)路用性能的影響顯著性，結(jié)果如表6所示。統(tǒng)計(jì)分析表明級(jí)配和水泥摻量對(duì)再生料抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性均有顯著影響，對(duì)低溫抗裂性的影響不顯著。其中，水泥摻量對(duì)抗凍融性能的影響程度大于級(jí)配，而級(jí)配對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響大于水泥摻量，對(duì)于其他性能兩者影響顯著性相當(dāng)。

3 結(jié)論

1) 通過(guò)摻加新細(xì)集料和礦粉來(lái)優(yōu)化級(jí)配可以使得泡沫瀝青冷再生混合料空隙率減小2.3%～3.3%，并顯著改善其抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。

2) 在摻加新細(xì)集料和礦粉的基礎(chǔ)上再摻加新粗集料有利于形成骨架結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高其力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，但是對(duì)其水穩(wěn)定性和低溫抗裂性略有不利影響。

3) 隨著水泥摻量的增加，泡沫瀝青冷再生混合料的抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗彎拉強(qiáng)度不斷提高，低溫破壞應(yīng)變不斷減小?？紤]到收縮開(kāi)裂問(wèn)題，建議通過(guò)改善級(jí)配和控制水泥摻量來(lái)提升泡沫瀝青冷再生混合料的路用性能。

4) 級(jí)配和水泥摻量對(duì)于不同的路用性能的影響顯著性有所差異。水泥摻量對(duì)抗凍融性能的影響程度大于級(jí)配，級(jí)配對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響大于水泥劑量，兩者對(duì)于其他性能的影響顯著性相當(dāng)。

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Effects of aggregate gradations and cement content on pavement performance of cold recycled mixture with foamed asphalt

LI Qiang1, 2, XU Ao1, CHEN Hao3, SHANG Jianlin4, ZHANG Shuai4

(1. College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. National-Provincial Joint Engineering Research Center of Electromechanical Product Packaging, Nanjing 210037, China;3.Changzhou Galaxy Xietong Real Estate Development Co., Ltd., Changzhou 213100, China;4. Jiangsu Polaris Transportation Industry Group Co., Ltd., Nantong 226010, China)

The unconfined compressive test, immersion Marshall test, freeze-thaw splitting test, wheel tracking test, and beam bending test were conducted on different types of cold recycled mixtures with foamed asphalt to measure the mechanical strength, moisture stability, high-temperature performance, and low-temperature performance, respectively. The effects of aggregate gradations and cement content were evaluated. It is found that adding new aggregates in recycled mixtures reduces the air void by 2.3%～3.3%. The best mechanical and high-temperature performance can be achieved by adding new coarse and fine aggregates as well as fillers to optimize the gradation. However, its moisture stability and low-temperature performance are poorer than those by only adding fine aggregates and fillers. Although the performance of recycled mixtures is enhanced constantly with the increase of the cement content, it is recommended that the performance of cold recycled mixtures with foamed asphalt should be improved by the gradation optimization based on the limitation of the cement content in consideration of the potential shrinkage cracking problem. The effect significance of aggregate gradations and cement content varies with the pavement performance. Aggregate gradations show a more significant effect on the high-temperature performance whereas the cement content has a more significant effect on the moisture stability.

asphalt mixture; cold recycled mixture with foamed asphalt; gradation; cement content; significance analysis

U416.26

A

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200329

1672 ? 7029(2021)02 ? 0402 ? 06

2020?04?20

江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)資助項(xiàng)目(BK20181404)；江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”資助項(xiàng)目(蘇教師(2016)15號(hào))；江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2017ZD146)；南京林業(yè)大學(xué)“青年骨干教師培養(yǎng)對(duì)象”資助項(xiàng)目(2017年)

李強(qiáng)(1982?)，男，江蘇新沂人，教授，博士，從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面研究；E?mail：liqiang2526@njfu.edu.cn

(編輯 涂鵬)