基于振動(dòng)攪拌的復(fù)合冷再生混合料性能研究

周浩南， 鄭世倫， 梁旭之， 曹勁楠， 陳 偉

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.貴州省遵義公路管理局， 貴州 遵義 563100；3.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074； 4.云南大永高速公路建設(shè)指揮部， 云南 邵通 657000)

近年來(lái)，我國(guó)很多半剛性基層瀝青路面不僅瀝青面層使用功能衰退嚴(yán)重，半剛性基層結(jié)構(gòu)也遭到不同程度破壞，甚至喪失了承載能力，已不再適合作為基層使用。因此，路面改造時(shí)不僅要考慮瀝青面層的再生利用，還要充分考慮半剛性基層材料的再生利用與結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。針對(duì)此情況，近年來(lái)一些瀝青路面維修改造工程采用了“復(fù)合冷再生技術(shù)”，即將銑刨的瀝青面層舊料(RAP料)和半剛性基層舊料按一定的比例進(jìn)行摻配，并加入一定量的水泥、乳化瀝青或泡沫瀝青等，就地或廠拌形成再生混合料，直接用于路面上基層[1-2]。與目前普遍采用的瀝青面層與半剛性基層單獨(dú)再生利用的技術(shù)相比，復(fù)合冷再生技術(shù)具備以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：1) 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了瀝青面層和基層舊料的再生利用，幾乎可以實(shí)現(xiàn)100%廢舊利用的目標(biāo)[3]；2) 復(fù)合冷再生基層剛?cè)峒鎮(zhèn)?，不但彌補(bǔ)了半剛性基層開(kāi)裂或柔性基層強(qiáng)度與剛度不足的缺點(diǎn)，而且對(duì)傳統(tǒng)半剛性基層的干溫縮開(kāi)裂、抗沖刷等性能有改善，是對(duì)傳統(tǒng)半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)化，特別適合瀝青面層較薄的二級(jí)及以下等級(jí)公路[4-6]。

盡管如此，復(fù)合冷再生也存在舊料利用率與再生質(zhì)量成反比的現(xiàn)象。目前復(fù)合冷再生技術(shù)實(shí)際工程應(yīng)用案例表明，再生混合料水泥裹附效果不均勻、各項(xiàng)性能不穩(wěn)定、耐久性差等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題并未得到有效解決，導(dǎo)致復(fù)合冷再生的技術(shù)優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到很好的發(fā)揮。分析原因主要有以下幾方面：

1) 忽略了材料組成的復(fù)雜性。在材料組成上，復(fù)合再生要比單獨(dú)的瀝青面層或者半剛性基層再生復(fù)雜。銑刨的舊瀝青面層混合料為柔性材料、舊基層混合料為半剛性材料，二者物理、化學(xué)以及水理性能均存在較大差異。在采用水泥冷再生時(shí)，粗糙的現(xiàn)場(chǎng)冷再生方式和普通廠拌(連續(xù)式靜力攪拌)冷再生方式不足以使水泥對(duì)2種不同性質(zhì)的材料有同等的裹附效果，造成水泥結(jié)團(tuán)、再生混合料性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，這是一直以來(lái)被忽視的關(guān)鍵問(wèn)題[7-9]。

2) 缺乏系統(tǒng)的研究支撐。根據(jù)對(duì)相關(guān)方面研究文獻(xiàn)的查閱和分析，目前對(duì)復(fù)合再生技術(shù)的研究成果雖然有一些，但不夠系統(tǒng)和全面，還不足以支撐該技術(shù)更好地推廣應(yīng)用。比如半剛性水穩(wěn)和柔性瀝青混合料材料復(fù)合再生強(qiáng)度的形成機(jī)理、材料性質(zhì)評(píng)價(jià)、再生混合料組成設(shè)計(jì)以及再生方式的適應(yīng)性等均缺乏深入研究[10-11]。

綜上分析，為顯著提高復(fù)合冷再生技術(shù)的應(yīng)用性能，除了對(duì)機(jī)理、材料組成、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)等進(jìn)行系統(tǒng)研究外，還需對(duì)復(fù)合冷再生的攪拌工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。近年出現(xiàn)的振動(dòng)攪拌技術(shù)，是以提高水泥混凝土和水泥穩(wěn)定碎石混合料性能、提高結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度和使用耐久性的一項(xiàng)新技術(shù)，其技術(shù)原理是通過(guò)下臥軸的連續(xù)激振作用，使水泥混凝土和水泥穩(wěn)定碎石在攪拌過(guò)程中始終處于振動(dòng)狀態(tài)，有效消除攪拌低效區(qū)、提高水泥裹附效果和利用率、提升混合料攪拌均質(zhì)性和穩(wěn)定性、降低變異性，從而提高混合料的各項(xiàng)力學(xué)性能和路用性能[12-13]。多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用表明：采用振動(dòng)攪拌技術(shù)可使水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度提高10%～20%，變異性降低 10%～20%，且干溫縮和抗沖刷性能均有顯著改善[14]。由此可見(jiàn)，振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)提升以水泥為膠結(jié)料的混合料性能效果顯著。此外，振動(dòng)攪拌技術(shù)可降低試驗(yàn)變異性，可減小混合料成型過(guò)程中引起的誤差，有利于提升實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可準(zhǔn)確定位混合料性能的影響因素。

為此，基于實(shí)際需要，本文主要研究舊瀝青面層與基層材料的性狀綜合分析評(píng)價(jià)、基于振動(dòng)攪拌的舊面層與基層復(fù)合再生材料組成設(shè)計(jì)方法及復(fù)合再生混合料性能影響與評(píng)價(jià)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 回收料性能評(píng)價(jià)

本文回收料主要來(lái)自貴州G243湄潭月亮壩至余慶公路部分路段瀝青面層材料和水泥穩(wěn)定基層材料，其主要性能指標(biāo)如表1所示。其中回收料的含泥量嚴(yán)重超出規(guī)范[15]范圍，含泥量高會(huì)直接導(dǎo)致混合料的吸水率偏大，以致影響復(fù)合冷再生混合料的強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性等，同時(shí)也會(huì)增大混合料的收縮變形。

表1 回收料性能指標(biāo)

1.2 復(fù)合冷再生配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料舊料、水泥穩(wěn)定碎石舊料篩分結(jié)果如表2所示。

表2 舊料篩分結(jié)果

根據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石或礫石的推薦級(jí)配范圍，選擇C-C-2的級(jí)配中值作為參考級(jí)配，回收料比例摻配設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 不同摻配比例再生混合料級(jí)配

參照相關(guān)規(guī)范[15]中丙類(lèi)擊實(shí)方法，進(jìn)行一系列擊實(shí)試驗(yàn)后，確定了不同級(jí)配、水泥摻量條件下的復(fù)合再生材料的最佳含水率，最終復(fù)合材料的配合比如表4所示。

表4 復(fù)合再生混合料配合比

1.3 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)主要涉及復(fù)合再生混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、干縮性能、溫縮性能及凍融性能等試驗(yàn)，試驗(yàn)均參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中相應(yīng)試驗(yàn)方法進(jìn)行。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性能

本文首先對(duì)不同攪拌方式的復(fù)合再生混合料進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，其中每個(gè)強(qiáng)度值進(jìn)行6組平行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

由表 5可知，振動(dòng)攪拌對(duì)復(fù)合再生混合料的強(qiáng)度提升效果較普通靜力拌和顯著，且提升幅度可超過(guò)30%，這足以滿足等級(jí)路面基層的強(qiáng)度需求。此外，從標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)來(lái)看，振動(dòng)攪拌可明顯減小強(qiáng)度試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差，這主要是由于振動(dòng)攪拌可減小攪拌過(guò)程中的團(tuán)聚現(xiàn)象，使得混合料更均勻，性能更穩(wěn)定。因此，本文后續(xù)性能測(cè)試試驗(yàn)均采用振動(dòng)攪拌方式進(jìn)行。

表5 不同攪拌方式復(fù)合再生混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

通過(guò)研究復(fù)合再生混合料不同齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度，可得到無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的代表值，結(jié)果如表6所示。

表6 復(fù)合再生混合料強(qiáng)度代表值

從表6試驗(yàn)結(jié)果可以看出，RAP料摻量對(duì)再生混合料強(qiáng)度的影響不是單調(diào)的，當(dāng)RAP料摻量為30%時(shí)，其各齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度均高于其余2個(gè)試驗(yàn)組，且7 d抗壓強(qiáng)度已超過(guò)4 MPa，基本滿足等級(jí)路面使用需求。

回收料之所以能再次形成強(qiáng)度，混合成復(fù)合再生混合料，并且使強(qiáng)度滿足投入使用的要求，是因?yàn)榛厥账€(wěn)材料針片狀含量低，很多集料表面裹覆著舊水泥砂漿，混合后進(jìn)行振動(dòng)攪拌時(shí)產(chǎn)生了二次放熱現(xiàn)象，再加上回收水穩(wěn)材料的表面粗糙，具有較好的棱角性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了再生混合料再粘結(jié)時(shí)的嵌擠作用。

2.2 路用性能

2.2.1 干縮性能

再生料的干縮性能與失水率有著密切聯(lián)系，因此，在公路大修改造項(xiàng)目中需注意前期的養(yǎng)護(hù)，防止失水過(guò)多造成對(duì)再生基層的不利影響。本文對(duì)復(fù)合再生混合料進(jìn)行了干縮性能試驗(yàn)，測(cè)試了不同齡期的失水率與干縮量，其變化情況如圖1、圖2所示。

從圖1可見(jiàn)，隨著齡期增加，所有摻配比例下的再生混合料的失水率都在逐漸變大，其中前20 d的失水率比較明顯。這可能是由于舊料含泥量較高、吸水性較強(qiáng)，同時(shí)前期擊實(shí)試驗(yàn)中最佳含水率偏高，部分摻配比例達(dá)到了9%的加水量，因此水分流失也較快。另外，由于回收料在成型初期的二次放熱作用，使得混合料內(nèi)部在齡期較短時(shí)溫度略微上升，使得水分更容易蒸發(fā)，引起再生材料中的毛細(xì)管張力作用、吸附水和分子間力作用、干燥收縮的層間水作用以及碳化脫水作用，最終引發(fā)材料整體的體積發(fā)生變化。而從圖2可知，水分的散失引發(fā)了材料的收縮變形，隨著齡期的增加，混合料的干縮量也在不斷增大，且變化趨勢(shì)與失水率大致相同；當(dāng)回收料摻配比例為60∶40時(shí)，混合料的干縮量最小。

圖1 復(fù)合再生混合料失水率

圖2 復(fù)合再生混合料干縮量

2.2.2 溫縮性能

復(fù)合再生混合料的溫縮系數(shù)如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，3種摻配比例下，再生混合料的溫縮系數(shù)隨溫度的降低呈先下降再上升的趨勢(shì)，在0 ℃～40 ℃時(shí)，溫縮系數(shù)出現(xiàn)下降，在-10 ℃～0 ℃時(shí)，溫縮系數(shù)上升，在0 ℃～10 ℃這個(gè)區(qū)間均出現(xiàn)最小值。在-10 ℃～40 ℃變化過(guò)程中，各組溫縮系數(shù)從大到小分別為：60∶40>70∶30>80∶20，表明RAP料對(duì)于溫度的變化更敏感，且RAP料含量的增加，再生料的溫縮系數(shù)逐漸增大，特別在回收RAP料增加到40%時(shí)，溫縮系數(shù)增加顯著。

材料的溫度脹縮性是由基層材料熱學(xué)性質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的綜合效應(yīng)決定的，具體表現(xiàn)為復(fù)合冷再生基層材料整體的體積變化。半剛性基層材料的固相是由回收料顆粒之間經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成具有膠結(jié)作用的結(jié)晶體和凝膠體。當(dāng)溫度較高時(shí)，瀝青表面軟化，展現(xiàn)出了粘連性；當(dāng)溫度偏低時(shí)，復(fù)合再生混合料的粘結(jié)界面會(huì)變脆，容易開(kāi)裂，使混合料膠結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致反射裂縫的產(chǎn)生，從而使得材料抵抗溫度收縮應(yīng)力的能力減弱。

圖3 復(fù)合再生混合料溫縮系數(shù)

2.2.3 抗凍融性能

為了研究再生混合料的抗凍融性能，本文主要測(cè)試了3種摻配比例下，冷再生材料在經(jīng)歷不同次數(shù)的凍融循環(huán)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)及質(zhì)量損失率(Wn)的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表7所示。

表7 復(fù)合再生混合料凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由表7可見(jiàn)，隨著凍融次數(shù)的增加，復(fù)合冷再生基層材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在逐漸降低，而質(zhì)量的損失率逐漸增大，表明凍融的過(guò)程使復(fù)合冷再生基層材料的路用性能降低。凍融循環(huán)后，隨著RAP料摻量從20%增加到40%，抗壓強(qiáng)度的損失百分比越小，即隨著RAP料摻量的增加，使抗壓強(qiáng)度的損失率減小。

而在凍融循環(huán)次數(shù)從10次到15次過(guò)程中，無(wú)論是質(zhì)量損失還是抗壓強(qiáng)度損失的幅度，均大于凍融循環(huán)從0次到5次、5次到10次的損失幅度，而凍融循環(huán)次數(shù)小于10次時(shí)，損失幅度較為穩(wěn)定。這表明當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較小時(shí)，再生混合料的抗凍融性能衰減速度較為穩(wěn)定，但凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)一定次數(shù)后，再生混合料的抗凍融性能會(huì)顯著下降，甚至影響路面的正常使用。

3 結(jié)論與建議

本文主要研究了在振動(dòng)攪拌條件下，復(fù)合冷再生混合料的力學(xué)性能與路用性能的影響因素及發(fā)展?fàn)顩r，主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 振動(dòng)攪拌能有效改善再生混合料的攪拌均勻性，并提升復(fù)合再生混合料的強(qiáng)度，提升幅度可達(dá)30%。

2) RAP料摻量較多時(shí)，含泥量也較多，會(huì)使得材料吸水性增大，但也更容易鎖住材料內(nèi)部水分，這均會(huì)影響混合料的干縮性能，本文試驗(yàn)組中RAP料摻量為40%時(shí)，干縮量最小。

3) RAP料對(duì)溫度變化更敏感。當(dāng)其摻量較大時(shí)，混合料的溫縮應(yīng)變也較大，本文試驗(yàn)中RAP料摻量為20%時(shí)，溫縮系數(shù)最小。

4) 隨著RAP料摻量從20%增加到40%，抗壓強(qiáng)度的損失百分比逐漸減小，即RAP料摻量的增多使得復(fù)合再生混合料凍融后，抗壓強(qiáng)度的損失率下降。

5) 本文原材料均來(lái)源于同一條國(guó)道的局部路段，對(duì)其余道路回收料復(fù)合再生情況并不具備更廣的代表性。