不同水泥摻量下乳化瀝青冷再生混合料性能試驗(yàn)研究

徐國(guó)棟，劉斌清，石希信，葉超強(qiáng)

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國(guó)各等級(jí)公路里程增加，現(xiàn)存的部分公路已達(dá)到服役年限，即將面臨大中修，將會(huì)產(chǎn)生大量的舊瀝青混合料(RAP)，加之我國(guó)廢物資源化和環(huán)保要求，對(duì)RAP料的處理逐漸提上日程。目前，較為穩(wěn)妥的處理方式為將RAP料用于路面再生。路面再生主要有熱再生和冷再生兩種工藝，其中冷再生以其RAP料用量大、造價(jià)便宜、工藝簡(jiǎn)單而極有前途。同時(shí)，冷再生為常溫施工，能源消耗少，有助于我國(guó)碳減排計(jì)劃實(shí)施。冷再生主要分為乳化瀝青冷再生和泡沫瀝青冷再生，而乳化瀝青冷再生由于工藝成熟、混合料性能較好而在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。乳化瀝青冷再生混合料盡管應(yīng)用廣泛，但也存在前期強(qiáng)度不足、養(yǎng)生時(shí)間長(zhǎng)、水穩(wěn)定性不好等缺點(diǎn)。有研究表明，添加水泥可有效提高乳化瀝青冷再生混合料性能，有助于彌補(bǔ)其缺陷。因此，本文選取85%和98%兩種RAP摻量乳化瀝青冷再生混合料，研究水泥摻量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料性能的影響。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本文試驗(yàn)選用85%RAP摻量和98%RAP摻量的乳化瀝青冷再生混合料，RAP料取自某一級(jí)公路，乳化瀝青為自配，乳化劑為國(guó)外公司生產(chǎn)的進(jìn)口高端乳化劑，水為飲用水，水泥為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5R。RAP料分為3檔，分別為0～5 mm、5～10 mm、10～30 mm，新料為10～20 mm。乳化瀝青和水泥材料技術(shù)指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)表

表2 水泥指標(biāo)表

RAP篩分結(jié)果及級(jí)配合成如表3所示。其中，合成級(jí)配1的摻配比例為RAP(0～5 mm)∶RAP(5～10 mm)∶RAP(10～30 mm)∶新料(10～20 mm)∶礦粉∶水泥=36∶15∶47∶0∶2∶1.5；合成級(jí)配2的摻配比例為RAP(0～5 mm)∶RAP(5～10 mm)∶RAP(10～30 mm)∶新料(10～20 mm)∶礦粉∶水泥=36∶12∶37∶13∶2∶1.5。合成級(jí)配1為85%RAP摻量，合成級(jí)配2為98%RAP摻量。

表3 新舊料篩分結(jié)果及級(jí)配合成表

1.2 確定最佳含水率、乳化瀝青用量

根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTGT 5521-2019)，在級(jí)配確定的情況下，乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)大致流程為先確定合成礦料最佳含水率OWC，再確定乳化瀝青冷再生混合料最佳乳化瀝青用量。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2019)確定最佳含水率；最佳乳化瀝青用量采用馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)確定，試驗(yàn)參照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTGT 5521-2019)要求進(jìn)行。

采用重型擊實(shí)確定合成礦料最佳含水率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

(a)合成礦料1

從圖1可以看出，隨著含水率的增加，合成礦料1干密度快速增加并在4.5%含水率處出現(xiàn)峰值，且在5.5%含水率處出現(xiàn)下降。因此，確定合成礦料1的最佳含水率為4.5%。而合成礦料2干密度隨含水率變化并沒(méi)有合成礦料1劇烈，但也在4.5%處出現(xiàn)峰值，兩者的最佳含水率幾乎無(wú)差別。

采用馬歇爾擊實(shí)儀成型乳化瀝青冷再生混合料，測(cè)試空隙率后，開(kāi)展干濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

從表4和表5可以看出，85%RAP和98%RAP的干濕劈裂強(qiáng)度比均在3.4%乳化瀝青用量處出現(xiàn)峰值，且干劈裂強(qiáng)度相較其余乳化瀝青含量處于較高水平，可以認(rèn)為3.4%乳化瀝青含量下的乳化瀝青冷再生混合料兼顧強(qiáng)度和水穩(wěn)定性要求，可以作為最佳乳化瀝青含量。同時(shí)，98%RAP摻量的乳化瀝青冷再生混合料在相同乳化瀝青含量水平下，干濕劈裂強(qiáng)度均低于85%RAP含量的乳化瀝青冷再生混合料，且空隙率呈相反規(guī)律。因此，盡管二者的最佳乳化瀝青用量一致，但RAP含量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的物理和力學(xué)性能影響不可忽視。

表4 混合料空隙率及力學(xué)強(qiáng)度表(85%RAP)

表5 混合料空隙率及力學(xué)強(qiáng)度表(98%RAP)

85%RAP含量和98%RAP含量乳化瀝青冷再生混合料最終選用的最佳含水率均為4.5%，最佳乳化瀝青用量均為3.4%。

2 路用性能

2.1 高溫性能

在最佳含水率和最佳乳化瀝青用量下，以0.5%為間隔，設(shè)置0%～3%水泥摻量變化，成型車(chē)轍板試件。采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)不同水泥摻量下乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性。試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，碾壓速度為42次/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，兩種乳化瀝青冷再生混合料均具有優(yōu)異的高溫性能，摻水泥后的乳化瀝青冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTGT 5521-2019)的要求，且兩種RAP摻量乳化瀝青冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨水泥摻量穩(wěn)定增加，且在水泥摻量在2%以后逐漸穩(wěn)定，增加較小。表明水泥對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度形成具有至關(guān)重要的作用，但過(guò)高的水泥摻量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度的提高并不明顯。仔細(xì)觀(guān)察圖2，可以發(fā)現(xiàn)兩種RAP摻量下的乳化瀝青冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化規(guī)律有所差別：85%RAP摻量乳化瀝青冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨著水泥摻量平穩(wěn)上升，規(guī)律較為明顯，而98%RAP摻量乳化瀝青冷再生混合料盡管動(dòng)穩(wěn)定度變化規(guī)律與85%RAP摻量相同，但在1%水泥摻量處有明顯拐點(diǎn)。上述差異主要由于RAP摻量不同所導(dǎo)致，RAP摻量高，乳化瀝青混合料性能略差，水泥對(duì)其強(qiáng)度形成將會(huì)更加明顯。

圖2 不同水泥摻量下動(dòng)穩(wěn)定度曲線(xiàn)圖

2.2 水穩(wěn)定性

開(kāi)展干濕劈裂試驗(yàn)，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)溫度為15 ℃，采用干濕劈裂強(qiáng)度比來(lái)評(píng)價(jià)不同水泥摻量下乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果如后頁(yè)圖3所示。

從圖3可以看出，隨著水泥摻量的增加，乳化瀝青冷再生混合料干濕劈裂強(qiáng)度比逐漸增加，表明水泥對(duì)乳化瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性能提高有明顯作用。從圖中還可以得出：隨著水泥摻量的增加，干濕劈裂強(qiáng)度比穩(wěn)定增加且在水泥摻量>2%后基本穩(wěn)定，增加幅度不大。同時(shí)，85%RAP摻量下的乳化瀝青冷再生混合料干濕劈裂強(qiáng)度比并未高于98%RAP摻量。因此，本文將干劈裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)列于后頁(yè)圖4中，以解釋該現(xiàn)象。

圖3 不同水泥摻量下干濕劈裂強(qiáng)度比曲線(xiàn)圖

從圖4可以看出，85%RAP摻量下的乳化瀝青冷再生混合料干劈裂強(qiáng)度的確高于98%RAP摻量。因此，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能在于干濕劈裂強(qiáng)度比這個(gè)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)乳化瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性能未必完美，加之乳化瀝青冷再生混合料有養(yǎng)生過(guò)程，中間的因素較為復(fù)雜，要探討合適的水穩(wěn)定指標(biāo)需要后續(xù)的研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 不同水泥摻量下干劈裂強(qiáng)度曲線(xiàn)圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)RAP摻量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料物理性質(zhì)和強(qiáng)度性能有不可忽視的作用，在實(shí)際乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮RAP含量對(duì)其性能的影響，謹(jǐn)慎選擇RAP摻量。

(2)隨著水泥摻量的增加，乳化瀝青冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度和干濕劈裂強(qiáng)度比逐漸增加，且水泥摻量在2%以后處于平穩(wěn)區(qū)間，提升幅度并不明顯。因此，建議在實(shí)際中對(duì)水泥摻量設(shè)置為1.2%～2%之間。

(3)干濕劈裂強(qiáng)度比并不能很好地評(píng)價(jià)不同RAP摻量的乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性能。