水泥穩(wěn)定基層泡沫瀝青就地冷再生配合比及性能研究*

暢曉鈺

(1.山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030006；2. 山西省交通科技研發(fā)有限公司， 山西 太原 030006)

中國(guó)現(xiàn)有高速公路大多采用水穩(wěn)類基層，與面層相比，基層厚度、體量更大，針對(duì)水穩(wěn)類基層的再生利用可更大程度處理廢舊材料，降低公路建設(shè)成本。水穩(wěn)碎石基層泡沫瀝青就地冷再生技術(shù)利用現(xiàn)有水泥穩(wěn)定基層材料，在廢舊無(wú)機(jī)回收料(RAI)中添加適量的泡沫瀝青、集料、水等進(jìn)行再生循環(huán)利用，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)銑刨、重新拌合、鋪筑成型性能良好的新結(jié)構(gòu)層。文獻(xiàn)[2]分析了不同水泥摻量、粗集料摻量下泡沫瀝青就地冷再生混合料的力學(xué)性能，并推薦了摻量取值。文獻(xiàn)[3]分析了不同類型瀝青及其摻量、養(yǎng)生方式、拌合用水量對(duì)泡沫瀝青混合料抗拉強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[4] 揭示了開放養(yǎng)生、半密封養(yǎng)生、半密封+全密封養(yǎng)生3種養(yǎng)生方式下泡沫瀝青就地冷再生混合料的強(qiáng)度變化規(guī)律。文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了水泥穩(wěn)定基層泡沫瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)方法研究。文獻(xiàn)[6]對(duì)水泥穩(wěn)定基層泡沫瀝青再生進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化，并通過(guò)劈裂、抗壓強(qiáng)度和回彈模量探究了混合料的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[7]通過(guò)室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了水泥穩(wěn)定基層泡沫瀝青就地冷再生技術(shù)的工程應(yīng)用。該文采用純銑刨料和摻加新料2組級(jí)配進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)及對(duì)比分析，研究養(yǎng)生方式、水泥摻量和泡沫瀝青用量等影響下再生混合料性能變化規(guī)律。

1 原材料

1.1 瀝青

選擇中海70#瀝青進(jìn)行發(fā)泡制作泡沫瀝青，經(jīng)檢測(cè)，其指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求。進(jìn)行室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)，不同條件下泡沫瀝青膨脹率和半衰期見(jiàn)表1。

表1 發(fā)泡試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

從表1可看出：瀝青加熱溫度升高、發(fā)泡用水量加大時(shí)，泡沫瀝青膨脹率慢慢增大，半衰期則慢慢減小。綜合兩項(xiàng)指標(biāo)，最佳發(fā)泡條件為155 ℃、2.0%。

1.2 銑刨料RAI

基層再生料RAI通過(guò)銑刨山西某高速公路原路面水泥穩(wěn)定基層獲取，按照再生規(guī)范要求篩分計(jì)算獲得級(jí)配，RAI篩分結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：對(duì)水穩(wěn)碎石基層進(jìn)行銑刨，獲取的銑刨料中細(xì)料偏少，已偏出規(guī)范要求的下限值，粗料也貼著規(guī)范要求的上限值。建議摻部分粗細(xì)集料優(yōu)化銑刨料級(jí)配，增強(qiáng)混合料的整體強(qiáng)度。

表2 RAI篩分試驗(yàn)結(jié)果

按照再生規(guī)范要求測(cè)試RAI的性能指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 RAI性能指標(biāo)檢測(cè)值

1.3 水泥

水泥的添加可提升再生混合料的早期強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。采用普通硅酸鹽水泥，其初凝時(shí)間為287 min，終凝時(shí)間為456 min。

1.4 新?lián)郊?/h3>

摻加10～20 mm粗集料、0～5 mm細(xì)集料對(duì)級(jí)配進(jìn)行改善，新?lián)郊系暮Y分結(jié)果見(jiàn)表4。經(jīng)檢測(cè)，新?lián)酱旨?xì)集料的各指標(biāo)都達(dá)到規(guī)范要求。

表4 集料篩分試驗(yàn)結(jié)果

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

水泥穩(wěn)定基層在路面服役過(guò)程中會(huì)受到車輛荷載的作用，銑刨過(guò)程中刀頭的破碎會(huì)導(dǎo)致RAI級(jí)配在一定程度上細(xì)化，同時(shí)水泥的存在，細(xì)料部分極大程度上會(huì)依附于其他顆粒中，導(dǎo)致細(xì)料欠缺。因此，RAI在級(jí)配上表現(xiàn)為粗細(xì)料同時(shí)缺乏，而中間檔集料較多，前文銑刨篩分結(jié)果也說(shuō)明了這一點(diǎn)。根據(jù)RAI篩分結(jié)果，19 mm篩孔通過(guò)百分率為91.5%，而0.075 mm只有2.4%，對(duì)于基層，缺少粗集料形成骨架，細(xì)集料也不足以填充密實(shí)。為探討級(jí)配對(duì)混合料性能的影響，選擇2組級(jí)配(1#原銑刨料RAI，2#摻加新集料)進(jìn)行分析。

1#級(jí)配不摻加任何新料，水泥摻量為1.7%，即RAI∶水泥=98.3%∶1.7%。2#級(jí)配銑刨料中摻加部分新料，為保證再生利用率，摻加70%銑刨料，水泥摻量為1.7%，2#級(jí)配為RAI∶10～20 mm∶0～5 mm∶水泥=70%∶10%∶18.3%∶1.7%。2種混合料的合成級(jí)配見(jiàn)圖1。

圖1 混合料級(jí)配曲線

2.2 最佳含水率

水泥摻量采用1.7%。對(duì)2組級(jí)配分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 1#級(jí)配的擊實(shí)曲線

由圖2、圖3可知：2#級(jí)配由于摻加新集料，尤其是細(xì)集料的摻加，最佳含水率比1#級(jí)配略大。根據(jù)有關(guān)研究，一般以擊實(shí)試驗(yàn)最佳含水率OMC的60%～80%作為再生混合料最合理的拌合用水量?？紤]到RAI表面沒(méi)有裹覆瀝青且粉塵略多，所需拌合用水量可能比瀝青混合料回收料(RAP)大，拌合用水量采用80%OMC。通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算分析，2組級(jí)配的最佳拌合用水量分別為4.4%、4.8%。

圖3 2#級(jí)配的擊實(shí)曲線

2.3 最佳瀝青用量

分別選取2.0%、2.5%、3.0%、3.5%泡沫瀝青用量，根據(jù)最佳拌合用水量成型水泥穩(wěn)定基層再生混合料試件，放置于60 ℃溫度環(huán)境下養(yǎng)生40 h。參照J(rèn)TG/T 5521—2019進(jìn)行干、濕劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 1#級(jí)配劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖5 2#級(jí)配劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖4、圖5可知：1) 隨著泡沫瀝青用量的增大，2組級(jí)配混合料的劈裂強(qiáng)度先升高后下降，均在2.5%～3.0%用量時(shí)達(dá)到峰值。表明合理的泡沫瀝青用量能提升混合料的強(qiáng)度及性能。若泡沫瀝青用量不足，則提供給混合料的黏結(jié)強(qiáng)度較低；若泡沫瀝青用量過(guò)多，瀝青膠漿容易在集料顆粒界面形成潤(rùn)滑，導(dǎo)致再生混合料強(qiáng)度及性能下降。2) 泡沫瀝青用量由2.5%提高至3.0%時(shí)，1#級(jí)配混合料的干劈裂強(qiáng)度及干濕劈裂強(qiáng)度比略微下降，而2#級(jí)配混合料略微提高。2組級(jí)配的泡沫瀝青最佳用量為2.5%～3.0%，2#級(jí)配由于摻加細(xì)集料，瀝青用量會(huì)略高一點(diǎn)。對(duì)2組級(jí)配劈裂強(qiáng)度進(jìn)行擬合，1#級(jí)配、2#級(jí)配的最佳瀝青用量分別為2.6%、2.8%。

雖然1#級(jí)配中細(xì)料部分偏出規(guī)范范圍，含量偏低，但由于未摻加新料，尤其是細(xì)集料，其最佳瀝青用量比2#級(jí)配略低。從試驗(yàn)結(jié)果分析，2組級(jí)配混合料劈裂強(qiáng)度差異并不明顯?？梢?jiàn)，級(jí)配稍差時(shí)，合理?yè)搅康呐菽瓰r青和水泥水化所形成的強(qiáng)度依然能使混合料強(qiáng)度及性能有較好的表現(xiàn)。

2.4 凍融劈裂性能

分別按2組級(jí)配成型水泥穩(wěn)定基層再生混合料試件，通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)其性能，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 2組級(jí)配混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知：2組級(jí)配混合料的劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求。1#級(jí)配的凍融劈裂強(qiáng)度比只有75.6%；而2#級(jí)配通過(guò)添加集料加以改善，級(jí)配更合理，尤其是細(xì)集料的填充使試件成型后更密實(shí)，其凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)到84.9%，比1#級(jí)配增加9.3%，對(duì)于水穩(wěn)定性有較大提升作用。為提高泡沫瀝青再生混合料的性能，新集料的添加十分有必要，尤其是將其用于更高層位或?qū)λ€(wěn)定性的要求較高時(shí)。

3 性能影響因素分析

選擇性能試驗(yàn)結(jié)果較優(yōu)的2#級(jí)配，對(duì)水泥穩(wěn)定基層再生混合料進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，探究各因素條件下混合料的強(qiáng)度及性能。

3.1 養(yǎng)生條件的影響

目前水泥穩(wěn)定基層再生混合料試件的養(yǎng)生方式有2種：一種是在60 ℃溫度下養(yǎng)生40 h；另一種是對(duì)試件進(jìn)行包裹，并在40 ℃溫度下養(yǎng)生48 h。在2種方式下分別養(yǎng)生1、3、5、7 d后進(jìn)行混合料強(qiáng)度及含水率檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 2種養(yǎng)生方式下水泥穩(wěn)定基層再生混合料強(qiáng)度

圖8 2種養(yǎng)生方式下水泥穩(wěn)定基層再生混合料含水率

從圖7、圖8可看出：1) 2種養(yǎng)生方式下，隨著養(yǎng)生時(shí)間的延長(zhǎng)，試件強(qiáng)度逐漸升高，含水率逐漸減小。2) 采用養(yǎng)生方式一時(shí)，試件養(yǎng)生3 d時(shí)的強(qiáng)度即可達(dá)到較高的水平，約為7 d強(qiáng)度的95%，此時(shí)含水率為0.28%，在這種條件下水分消耗及強(qiáng)度提升都較快，一般養(yǎng)生3 d即可；養(yǎng)生方式二條件下，水分散失較慢，強(qiáng)度提高也較慢，7 d養(yǎng)生期內(nèi)強(qiáng)度呈現(xiàn)持續(xù)平穩(wěn)上升的趨勢(shì)。3) 含水率在混合料強(qiáng)度形成過(guò)程中發(fā)揮著極其重要的作用。在養(yǎng)生方式一條件下，水分蒸發(fā)消耗較快，水泥水化受到抑制，部分水泥未水化形成強(qiáng)度，導(dǎo)致混合料的強(qiáng)度增長(zhǎng)受到限制；而養(yǎng)生方式二條件下，水分散失較慢，含水率高，導(dǎo)致早期強(qiáng)度較低，但水泥水化作用更充分，隨著水分消耗與蒸發(fā)，強(qiáng)度慢慢增長(zhǎng)，而且成型更充分。

3.2 水泥摻量的影響

水泥在混合料中的主要作用：一部分以填料的形式與瀝青結(jié)合；另一部分在拌合時(shí)與拌合用水發(fā)生水化作用，形成一定的強(qiáng)度。分別取水泥摻量0、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%，采用2#級(jí)配成型水泥穩(wěn)定基層再生混合料試件，養(yǎng)生后測(cè)試其性能，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 水泥用量對(duì)水泥穩(wěn)定基層再生混合料強(qiáng)度的影響

從圖9可看出：提高水泥摻量，試件的劈裂強(qiáng)度逐漸增大，干濕劈裂強(qiáng)度比先增大后減小，抗壓強(qiáng)度逐漸增大(呈線性相關(guān))。水泥摻量由零升至1%時(shí)，試件的干劈裂強(qiáng)度上升41.4%，干濕劈裂強(qiáng)度比提高16%，抗壓強(qiáng)度增大近1倍。提高水泥摻量有利于混合料強(qiáng)度的提高，但超過(guò)1.5%后，濕劈裂強(qiáng)度上升不明顯，會(huì)導(dǎo)致干濕劈裂強(qiáng)度比下降。干濕劈裂強(qiáng)度比在1.5%摻量時(shí)達(dá)到最大值92.6%。

3.3 瀝青用量的影響

取泡沫瀝青用量為1.5%、2.5%、3.5%，分析其對(duì)混合料性能的影響。采用2#級(jí)配成型水泥穩(wěn)定基層再生混合料試件，養(yǎng)生后進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖10。

從圖10可看出：隨著泡沫瀝青用量的增大，試件的劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。泡沫瀝青用量從1.5%升至2.5%時(shí)，混合料的干劈裂強(qiáng)度、濕劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度比、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有一定提高；泡沫瀝青用量為2.5%左右時(shí)，劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，干、濕劈裂強(qiáng)度分別為0.69、0.63 MPa，干濕劈裂強(qiáng)度比為91.5%，抗壓強(qiáng)度為1.76 MPa；用量繼續(xù)加大，強(qiáng)度有所下降。采用合理的泡沫瀝青用量，混合料具有較好的強(qiáng)度及性能。其用量不足時(shí)，提供的黏結(jié)強(qiáng)度較低；用量過(guò)多時(shí)，瀝青膠漿容易在集料顆粒界面形成潤(rùn)滑，導(dǎo)致再生混合料強(qiáng)度及性能下降。

圖10 泡沫瀝青用量對(duì)水泥穩(wěn)定基層再生混合料強(qiáng)度的影響

4 結(jié)論

(1) 純銑刨料和摻加新料的2組級(jí)配的最佳拌合用水量分別為4.4%、4.8%，最佳瀝青用量分別為2.6%、2.8%；其強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，但凍融劈裂強(qiáng)度比有所差異。建議再生時(shí)適當(dāng)摻加部分粗集料及細(xì)集料進(jìn)行級(jí)配改善，提高再生混合料的承載能力、密實(shí)度和水穩(wěn)定性，尤其是在用于更高層位或?qū)λ€(wěn)定性的要求較高時(shí)。

(2) 養(yǎng)生方式?jīng)Q定水分在強(qiáng)度形成中發(fā)揮作用的程度。采用包裹試件后在40 ℃溫度下養(yǎng)生48 h的養(yǎng)生方式，水泥水化強(qiáng)度形成更充分，但其強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢；采用60 ℃溫度下養(yǎng)生40 h的養(yǎng)生方式，后期強(qiáng)度雖略低，但在3 d養(yǎng)生期即可達(dá)到較高的強(qiáng)度水平，在室內(nèi)研究時(shí)可減少養(yǎng)生時(shí)間，提高效率。

(3) 水泥摻量增大可同時(shí)提高混合料的劈裂及抗壓強(qiáng)度，但摻量超過(guò)1.5%時(shí)會(huì)導(dǎo)致干濕劈裂強(qiáng)度比降低，且摻量過(guò)大會(huì)增加混合料的剛性，增大開裂風(fēng)險(xiǎn)。工程應(yīng)用時(shí)，建議將水泥摻量嚴(yán)格按照規(guī)范中1.8%上限進(jìn)行控制。

(4) 合理的泡沫瀝青用量能提升混合料的強(qiáng)度及性能，其用量不足時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度較低，過(guò)多時(shí)集料顆粒界面形成潤(rùn)滑，導(dǎo)致再生混合料強(qiáng)度及性能下降。