改性乳化瀝青冷再生混合料高溫性能研究

趙福利，竇維禹，吳軍銀，趙軒

( 1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230000；2.東南大學，江蘇 南京 211189 ) *

乳化瀝青就地冷再生技術是一項綠色環(huán)保的再生技術，由于其節(jié)約工程材料，環(huán)境污染較小、RAP料利用率高等優(yōu)點在高速公路大中修工程中得到了推廣與利用[1-3].該技術目前多用于高速公路的基層或者下面層，或者低等級公路.隨著我國對冷再生混合料的不斷深入研究，其應用層位和應用范圍也在不斷擴大，對冷再生混合料的高溫抗車轍性能的要求也在不斷提高.參考在熱瀝青中添加改性劑來不斷提高瀝青的各項性能，改性乳化瀝青冷再生技術也在近幾年得到了越來越多的應用.目前道路建設最常用的改性劑為聚合物改性劑，如熱塑性樹脂類的SBS和橡膠類的SBR等.而SBR膠乳因為其制備簡易、能提高混合料的各項路用性能而在乳化瀝青中得到廣泛的應用.潘懷兵[4]采用凍融劈裂強度試驗、高溫車轍試驗、低溫彎曲梁試驗分析了SBR改性乳化瀝青冷再生混合料的路用性能, 并與普通乳化瀝青冷再生混合料進行了對比分析.結果表明SBR的摻入能有效改善冷再生混合料的抗水損性能、提高冷再生混合料的抗裂和高溫性能；GAO[5]基于路面實際的溫度場和應力場設計了一種新的循環(huán)動態(tài)蠕變試驗，對比了不同水泥摻量的冷再生混合料作為下面層的整體高溫性能；結果表明水泥摻量從1.5%提高到2.0%，可以改善冷再生路面的高溫性能；通過與新建路面結構的對比，驗證了將冷再生層作為下面層的路面結構具有良好的高溫性能.

本文基于新開發(fā)的多序列重復蠕變加載試驗，模擬得到冷再生層作為高速公路的中面層的實際溫度；基于實際的溫度場，分析不同路面結構的整體高溫性能以驗證改性乳化瀝青冷再生混合料在高速公路的適用性.

1 原材料

1.1 RAP料

本文的RAP料由某高速公路的上中面層通過大型銑刨機銑刨獲得，得到的RAP經過烘干干燥后測出其級配，避免由于水分造成細集料的粘結聚團現(xiàn)象.其級配如表1所示.

表1 RAP料篩分級配表

1.2 乳化瀝青

本文所使用的乳化瀝青有兩種，分別為普通乳化瀝青和添加3%SBR膠乳的改性乳化瀝青.SBR膠乳通過攪拌機以1 000 r/min的轉速加入乳化瀝青中進行機械攪拌.

冷再生混合料所采用的兩種乳化瀝青結果如表2所示，其技術要求參考江蘇省地方規(guī)程《乳化瀝青就地冷再生技術應用指南及施工技術規(guī)程》(以下簡稱規(guī)程).依據中華人民共和國交通部行業(yè)標準《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)，檢測結果表明兩種乳化瀝青均合格.

表2 冷再生乳化瀝青試驗檢測結果

1.3 水泥

為了提高混合料的性能，添加1.5%～2.5%的水泥，除了能增加再生混合料獲得強度的速率(獲得較快的早期強度)和提高水穩(wěn)定性外，另外沒有與水發(fā)生反應的一部分水泥可以作為填料[6].就地冷再生混合料中采用的水泥標號為P.O 42.5，參考設計文件中對水泥性能的要求，具體的水泥試驗技術指標如表3所示.

表3 水泥檢測結果

乳化瀝青就地冷再生技術所用的水純凈無雜質均可使用.

2 試件準備及試驗方法

2.1 試件準備

冷再生混合料均按照2%的水泥、2.79%的外摻水量和3.5%的乳化瀝青的摻量配比設計進行成型，使用旋轉壓實儀壓實30次進行成型.成型結束后按照先自然養(yǎng)生12h，60℃鼓風烘箱養(yǎng)生48h，再自然冷卻12h的養(yǎng)生方式進行養(yǎng)生.養(yǎng)生結束后進行試件的切割.按照試驗確定的試件厚度進行切割，切割流程圖和照片如圖1所示.

圖1 半圓試件切割流程

本文使用AC-20和Sup-20熱拌瀝青混合料與冷再生混合料進行對比.

2.2 試驗方法

多序列重復加載動態(tài)蠕變試驗共分為預加載階段與多序列加載階段.對于預加載階段：荷載級別0.7 MPa，單個加載周期1s，應力脈沖時間0.1s，分層試件加載500次，整體試件加載1 000次.多序列加載階段：本階段共包含30個加載序列，分層試件的加載應力幅值范圍為0.5～1.0MPa，整體試件加載應力幅值范圍為0.6～1.1MPa，都是分為6個荷載等級，每一級別提高0.1 Pa.分層試件每種荷載級別下的脈沖時長的作用次數(shù)為50，整體試件每種荷載級別下的脈沖時長的作用次數(shù)為100，單個加載周期時長固定為1 s.

整體試件需將各層試件通過乳化瀝青粘結后得到.將四周和底部分兩次刷涂 ZS-1 型耐高溫隔熱保溫涂料，待足夠定固化時間后(3 天左右)，放入UTM試驗機里在確定的溫度下試驗.

2.3 評價指標

根據多序列局部加載試驗提出了復合平均應變率(CASR)和復合蠕變剛度模量(CCSM)兩個指標.平均應變率也可以被認為是在每個加載序列中累積應變的斜率.計算每個加載序列在整個多序列加載中所占的比例，并乘以對應加載序列的應力級別大小，然后疊加即得到材料的復合平均應變率.復合蠕變勁度模量的計算需要用到試件在多序列局部加載試驗中受到的等效應力.與復合平均應變率不同的是，復合蠕變勁度模量的計算既包含了多序列加載產生的累計永久應變，也包括了試件在預加載階段產生的累計應變.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.4 試驗方案

2.4.1 分層動態(tài)蠕變試驗

通過多序列重復加載分層動態(tài)蠕變試驗對比改性前后乳化瀝青冷再生混合料高溫性能的差異，再與兩種級配AC-20和Sup-20熱拌瀝青混合料的高溫抗車轍性能進行對比；最后通過全厚式的多級加載動態(tài)蠕變試驗驗證其在高速公路面層的適用性.為了后文敘述方便，將普通乳化瀝青冷再生混合料簡稱為CEAM，改性乳化瀝青冷再生混合料簡稱為MCEAM，試驗方案見表4.

表4 分層蠕變試驗方案

2.4.2 全厚式動態(tài)蠕變試驗

本文為了對比不同路面材料在整體結構中的高溫性能，提出的6種路面結構進行全厚式多序列局部加載蠕變試驗，試驗方案見表5.

表5 全厚式動態(tài)蠕變試驗

3 溫度場模擬

由于冷再生層的厚度和材料性質的原因，在實際應用中其層位的溫度與傳統(tǒng)的熱料有所區(qū)別，且以往學者研究冷再生層的溫度往往以24h的溫度變化來研究，選取的樣本較少，無法準確模擬冷再生層的溫度，本文基于comsol軟件來模擬蕪合高速冷再生層的夏季溫度場，分析蕪合高速路面的溫度場的分布及變化規(guī)律.考慮到comsol中只有三維模型能夠添加外部輻射源并將其定義為太陽輻射源來模擬一天中太陽在不同時間的輻射角度的變化，因此本文建立三維路面模型.

路面中各層材料的參數(shù)數(shù)據見參考文獻[7]，包括密度、恒壓熱容、熱傳導率、泊松比和彈性模量等.定義太陽輻射吸收率為0.90，路面發(fā)射率為0.81.comsol有自帶的環(huán)境氣象數(shù)據，模擬時可以直接調用當?shù)氐臏囟?、露點、風速、氣壓、以及太陽直接輻照度和散射輻照度隨日期和時間變化的關系等.本文調用合肥夏天兩個月的氣象數(shù)據(7～8月).

最后進行網格剖分和瞬態(tài)研究，設置相應的研究步長和總研究時間，以研究在不同氣溫環(huán)境下，路面溫度場的變化規(guī)律.求解的時間范圍為0～1 440 h，在外部輻射源中規(guī)定了求解的起始時間分別為7月1日～8月29日，此處的0即為當日的零點開始計算，步長0.5 h，計算1 440 h(60天)內的溫度變化.模擬結果見圖2.

圖2 蕪合高速夏季溫度場三維模型及溫度變化規(guī)律

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在7-8月份的夏季，瀝青路面表面的最高溫度在59～64℃，距離路表2cm的最高溫度約為58～60℃，冷再生層層頂?shù)淖罡邷囟仍?0～56℃，與路表溫度相比下降了約8℃，冷再生層層底的最高溫度在44～48℃.

夏季時，路表在太陽輻射和大氣溫度的共同作用下，吸收大量熱量溫度快速升高，經過冷再生層的傳熱后，溫度下降明顯.這是由于一方面乳化瀝青冷再生混合料其空隙較熱拌瀝青混合料空隙較大，但并非連通空隙，造成材料的導熱系數(shù)相對較低，傳遞熱量時耗散較多；另一方面冷再生層厚度較厚，熱量傳遞到冷再生層底也較慢，與路表溫度相比下降了約15℃.這表明10cm的冷再生層可以有效降低路面結構層溫度.根據AASHTO的瀝青路面設計規(guī)范，應當取距離路表面2cm處的溫度作為最不利狀態(tài)下的溫度.因此在夏季高溫條件下冷再生層的試驗溫度設定為51℃.董尼婭[8]運用comsol研究了傳統(tǒng)高速公路瀝青路面結構的夏季溫度場，并與實測溫度作為對比，確定了中面層的試驗溫度為58℃.

4 試驗結果分析

4.1 分層蠕變試驗結果分析

4種不同類型的瀝青混合料的MSRL試驗所得的累積微應變曲線如圖3所示.

圖3 四種瀝青混合料累積永久應變與荷載作用次數(shù)對應關系

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：

(1)4種瀝青混合料的累積永久變形均未超過20 000 με，仍處于蠕變穩(wěn)定階段，產生的累積微應變從大到小順序為：CEAM>MCEAM>AC-20>Sup-20，表明普通乳化瀝青冷再生混合料的抗高溫變形能力較差，Sup-20熱拌瀝青混合料最優(yōu)；

(2)2種冷再生混合料與熱拌瀝青混合料相比，在蠕變遷移階段產生的應變快速增加，永久應變快速積累，但是應變發(fā)展速率逐漸降低.這是由于冷再生混合料的空隙率較大約為10%，而熱料在4%左右，在施加荷載的初始階段會產生較大的變形；

(3)MCEAM在加載結束后與CEAM相比，其累積微應變約減少25%，這意味著SBR膠乳可以顯著改善冷再生混合料的高溫性能；而MCEAM與AC-20曲線較為接近，且蠕變發(fā)展速率小于AC-20，表明改性乳化瀝青冷再生層作為高速公路中面層具有良好的高溫抗變形能力.

表6為4種瀝青混合料的復合平均應變率和復合蠕變勁度模量.

表6 四種瀝青混合料的高溫蠕變參數(shù)

從表6中可以看出MCEAM與AC-20、Sup-20熱拌瀝青混合料的復合蠕變速率均在2.2～2.4 με/次之間，遠小于普通乳化瀝青的3.52με/次，表明改性乳化瀝青冷再生混合料具有良好的抗車轍性能.復合蠕變勁度模量CCSM因為考慮了預加載階段的累積應變，所以對于蠕變遷移階段變形較大的冷再生混合料，其勁度模量均小于熱拌瀝青混合料.

4.2 全厚式蠕變試驗結果分析

6種路面結構的MSRL試驗所得的累積微應變曲線如圖4所示.

圖4 六種路面結構累積永久應變與荷載作用次數(shù)對應關系

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)6種路面結構組合蠕變試驗的累積微應變從大到小的順序為：A>D>C>E>F>B.A>D>C>B驗證了上文改性乳化瀝青冷再生層的高溫性能優(yōu)于普通乳化瀝青冷再生層的結論，同時表明AC-13+MCEAM+AC-25這種路面結構與傳統(tǒng)的高速公路瀝青路面結構相比，具有更好的抵抗變形能力；C>E>F意味著冷再生層作為下面層其整體的高溫性能優(yōu)于AC-13+AC-20+AC-25路面結構；B是在改性乳化瀝青冷再生層作為中面層的條件下，在其上面加鋪4cmAC-13的路面結構組合，可以看出這種路面結構的累積微應變最小，其抵抗車轍變形能力最強.

圖5和圖6為全厚式蠕變試驗得到的蠕變參數(shù)復合平均應變率和復合蠕變勁度模量以及二者的相關性.從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：

(1)A的復合平均應變率最大且復合蠕變勁度模量最小，表明普通乳化瀝青冷再生層作為高速公路的中面層，其整體的高溫性能較差，容易產生車轍病害，影響路面的使用壽命，不建議使用.

(2)B的復合平均應變率最小，復合蠕變勁度模量較大，說明改性乳化瀝青冷再生層作為高速公路中面層均有較好的抗車轍能力；同時B的復合蠕變勁度模量最大，表明其剛度最大，試驗加載完產生的累積應變最小.

圖6 復合蠕變勁度模量與復合平均應變率相關性分析

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)復合蠕變勁度模量與復合平均應變率呈明顯的負相關，相關系數(shù)為0.83，相關性良好.

5 結論

(1)冷再生層作為高速公路的的中面層路面，在夏季高溫條件下，層底的溫度與路表相比下降了約15℃，表明10 cm的冷再生層可以有效降低路面結構層溫度；

(2)改性乳化瀝青冷再生混合料的復合蠕變速率與兩種熱料接近，均在2.2～2.4 με/次之間，遠小于普通乳化瀝青的3.52 με/次，表明改性乳化瀝青冷再生混合料具有良好的抗車轍性能.

(3)AC-13+MCEAM+AC-25這種路構與傳統(tǒng)的高速公路瀝青路面結構相比，具有更好的抵抗變形能力.

(4)在整體結構中，冷再生層作為高速公路的下面層，其整體的高溫性能優(yōu)于傳統(tǒng)的路面結構；

(5)高溫蠕變參數(shù)復合蠕變勁度模量與復合平均應變率呈明顯的線性負相關，相關性良好.