養(yǎng)生條件對乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響

楊普新

（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 613000）

0 引言

隨著道路交通量和車輛軸載量日益提高，公路瀝青路面出現(xiàn)不同程度的病害，導(dǎo)致路面維修養(yǎng)護(hù)里程逐年增大［1-3］，產(chǎn)生大量廢舊瀝青路面材料（Reclaimed Asphalt Pavement，簡 稱RAP）。 若 對RAP 進(jìn)行合理再生利用，既減少優(yōu)質(zhì)砂石材料的消耗，又降低能源消耗和碳排放［3-5］，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。當(dāng)前，乳化瀝青冷再生技術(shù)因工藝簡便、再生混合料性能良好、能耗低、污染小，逐步應(yīng)用于瀝青路面再生工程［6］。針對乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)、性能及應(yīng)用研究，國內(nèi)外學(xué)者取得了一定成果。Birgisson等［7］、Roncella 等［8］等采用室內(nèi)簡單拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)評價(jià)了冷再生混合料抗裂性能；陳海民等［9］對比現(xiàn)有乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)方法，提出基于冷再生混合料早期黏聚力、抗磨耗性能及芯樣強(qiáng)度的最佳乳化瀝青用量設(shè)計(jì)方法；李鋒等［10］研究了水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料早期強(qiáng)度影響，過高水泥摻量導(dǎo)致冷再生混合料低溫性能降低；武澤鋒等［11］對比研究了擊實(shí)特性和養(yǎng)生時(shí)間對廠拌冷再生混合料體積參數(shù)的影響規(guī)律，“二次擊實(shí)”時(shí)間間隔為4 h 時(shí)，室內(nèi)試件與現(xiàn)場混合料體積參數(shù)相近；江濤［12］研究了冷再生混合料攤鋪碾壓和上層碾壓熱拌瀝青混合料碾壓過程對冷再生混合料體積參數(shù)的影響，室內(nèi)采用“二次擊實(shí)”吻合實(shí)體工程壓實(shí)效果；丁武洋等［13］依托S325 省道路面大修工程研究了水泥摻量對冷再生混合料強(qiáng)度影響規(guī)律，并分析了其強(qiáng)度形成機(jī)理，提出了廠拌冷再生混合料設(shè)計(jì)方法；李瑞紅［14］研究表明：乳化瀝青冷再生混合料高溫性能和抗永久變形性能優(yōu)于熱拌瀝青混合料；裴曉梅等［15］依托舊路養(yǎng)護(hù)工程，驗(yàn)證了乳化瀝青冷再生混合料具有良好的路用性能。

上述研究成果是基于試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方法得到，而現(xiàn)場自然環(huán)境與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件存在較大差異，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生乳化瀝青冷再生混合料性能不能如實(shí)反映再生實(shí)體工程路用性能。乳化瀝青冷再生混合料早期強(qiáng)度低，若混合料養(yǎng)生效果不佳，嚴(yán)重影響瀝青路面使用性能。鑒于此，本文根據(jù)乳化瀝青冷再生混合料試驗(yàn)路壓實(shí)效果，并成型馬歇爾試件，通過室內(nèi)模擬不同自然條件，研究養(yǎng)生時(shí)間、養(yǎng)生溫度及水對乳化瀝青冷再生混合料路用性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

乳化瀝青冷再生混合料路用性能試驗(yàn)材料選用RAP、乳化瀝青、新集料、礦粉、水泥和水。

RAP 選用湖南省某二級公路瀝青路面銑刨料，舊瀝青含量為4.58%，RAP 篩分試驗(yàn)結(jié)果見表1；乳化瀝青選用慢裂型陽離子乳化瀝青，技術(shù)性質(zhì)見表2；新集料選用石灰?guī)r，公稱最大粒徑為26.5 mm，技術(shù)性質(zhì)見表3，級配組成見表4；填料選用磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉和32.5 級普通硅酸鹽水泥，礦粉技術(shù)性質(zhì)見表5，水泥技術(shù)性質(zhì)見表6；水選用飲用水。

表1 RAP 篩分試驗(yàn)結(jié)果

表2 乳化瀝青技術(shù)性質(zhì)

表3 新集料技術(shù)性質(zhì)

表4 新集料級配

表5 礦粉技術(shù)性質(zhì)

表6 水泥技術(shù)性質(zhì)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

按《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）設(shè)計(jì)粗粒式級配的乳化瀝青冷再生混合料，RAP 摻量為88%，新集料摻量為10%，礦粉摻量為2%；按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）重型擊實(shí)試驗(yàn)方法和《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)要求，依次確定乳化瀝青冷再生混合料最佳流體含量、最佳乳化瀝青用量和最佳水泥摻量。

乳化瀝青冷再生混合料礦料級配見表7，最佳流體含量為5.4%，最佳乳化瀝青用量為3.5%，最佳水泥摻量為1.5%。

表7 礦料級配

2 研究方案

2.1 試驗(yàn)方案

為保證不同自然條件下乳化瀝青冷再生混合料良好的路用性能，研究養(yǎng)生條件對乳化瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。具體方案如下：

（1）研究養(yǎng)生時(shí)間對現(xiàn)場及室內(nèi)乳化瀝青冷再生混合料穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度影響規(guī)律，結(jié)合水泥穩(wěn)定材料強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，養(yǎng)生時(shí)間擬采用1 d、3 d、5 d、7 d、14 d。

（2）研究養(yǎng)生溫度對乳化瀝青冷再生混合料穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度影響規(guī)律，結(jié)合季節(jié)性溫度及《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41-2008）乳化瀝青冷再生混合料養(yǎng)生溫度，養(yǎng)生溫度擬采用10 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃。

（3）研究水對乳化瀝青冷再生混合料穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度影響規(guī)律，評價(jià)乳化瀝青冷再生混合料抗水損害能力，試件按表8 進(jìn)行養(yǎng)生處理。

表8 試件養(yǎng)生處理方法

2.2 試件制備

結(jié)合乳化瀝青冷再生混合料試驗(yàn)路壓實(shí)效果，以冷再生混合料空隙率為控制指標(biāo)，采用“二次擊實(shí)”試驗(yàn)法成型?152.4 mm×95.3 mm 馬歇爾試件，馬歇爾試件第一次擊實(shí)次數(shù)為100 次；60 ℃條件下，試件養(yǎng)生48 h 后，第二次擊實(shí)次數(shù)為50 次。每組試驗(yàn)采用5 個(gè)平行試件?，F(xiàn)場乳化瀝青冷再生混合料試件采用芯樣。

2.3 性能測試方法

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、劈裂（凍融）強(qiáng)度試驗(yàn)測定乳化瀝青冷再生混合料路用性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 養(yǎng)生時(shí)間影響

室內(nèi)及現(xiàn)場養(yǎng)生條件下，養(yǎng)生時(shí)間對乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響見圖1?，F(xiàn)場冷再生混合料試件養(yǎng)生1 d 和7 d 時(shí)，試件內(nèi)部分別呈褐色和黑色，見圖2。室內(nèi)養(yǎng)生溫度為（25±2）℃，現(xiàn)場養(yǎng)生溫度為24～32 ℃。

圖1 養(yǎng)生時(shí)間對乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響

圖2 不同養(yǎng)生時(shí)間的乳化瀝青冷再生混合料試件

由圖1 可知：隨著養(yǎng)生時(shí)間增加，室內(nèi)及現(xiàn)場養(yǎng)生環(huán)境下乳化瀝青冷再生混合料穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度增長規(guī)律一致，且現(xiàn)場養(yǎng)生條件下冷再生混合料性能優(yōu)于室內(nèi)養(yǎng)生條件的混合料，較同養(yǎng)生時(shí)間的室內(nèi)混合料穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度分別平均提高5.5%、10.7%，這是因?yàn)槭覂?nèi)混合料成型過程中受試模邊界影響，較現(xiàn)場壓實(shí)效果存在差異，從而導(dǎo)致現(xiàn)場芯樣強(qiáng)度略高。另外，現(xiàn)場溫度略高于室內(nèi)養(yǎng)生溫度，一定程度上加快了乳化瀝青破乳和水泥水化速率，促進(jìn)了混合料強(qiáng)度增長。因此，室內(nèi)乳化瀝青冷再生混合料可較好表征實(shí)體工程路用性能，本文以室內(nèi)養(yǎng)生環(huán)境下冷再生混合料為例，分析養(yǎng)生時(shí)間對混合料路用性能影響規(guī)律。

（1）乳化瀝青冷再生混合料穩(wěn)定度與養(yǎng)生時(shí)間正相關(guān)，隨養(yǎng)生時(shí)間增加，冷再生混合料穩(wěn)定度提高速率逐漸減小至穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S養(yǎng)生時(shí)間增加，冷再生混合料內(nèi)部水分不斷被消耗，乳化瀝青、水泥水化產(chǎn)物等材料組成膠結(jié)性材料，包覆連接集料，提高混合料毛體積密度，減小空隙率，致使結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，從而冷再生混合料穩(wěn)定度提高。同時(shí)，在養(yǎng)生初期，水泥水化反應(yīng)生成較多的水泥硅酸鈣等凝膠物質(zhì)填充混合料空隙，而隨養(yǎng)生時(shí)間增加，水泥不斷被消耗，水化產(chǎn)物逐漸減小，因此冷再生混合料穩(wěn)定度提高速率減緩。當(dāng)養(yǎng)生時(shí)間≤3 d，養(yǎng)生時(shí)間增加1 d，冷再生混合料穩(wěn)定度平均提高12.9%；養(yǎng)生時(shí)間由3 d 增加至5 d，冷再生混合料穩(wěn)定度平均提高4.3%；養(yǎng)生時(shí)間≥5 d 時(shí)，養(yǎng)生時(shí)間增加1 d，冷再生混合料穩(wěn)定度平均提高2.5%。說明養(yǎng)生齡期≥5 d 時(shí)，冷再生混合料穩(wěn)定度增長速率減緩。

（2）隨養(yǎng)生時(shí)間增加，乳化瀝青冷再生混合料劈裂強(qiáng)度逐漸增大，前7 d 劈裂強(qiáng)度增長速率明顯大于后7 d 劈裂強(qiáng)度增長速率，試件養(yǎng)生至7 d 時(shí)，其劈裂強(qiáng)度為0.53 MPa，滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）技術(shù)要求，即冷再生混合料劈裂強(qiáng)度≥0.5 MPa。這是因?yàn)槠迫榈娜榛癁r青增強(qiáng)了集料間的黏聚力，提高了冷再生混合料結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。當(dāng)養(yǎng)生時(shí)間≤7 d，養(yǎng)生時(shí)間增加1 d，冷再生混合料劈裂強(qiáng)度平均提高4.1%以上；養(yǎng)生時(shí)間由7 d 增加至14 d 時(shí)，養(yǎng)生時(shí)間增加1 d，冷再生混合料劈裂強(qiáng)度平均提高0.8%。

（3）隨養(yǎng)生時(shí)間增加，冷再生混合料凍融劈裂強(qiáng)度比先減小后增加。在養(yǎng)生時(shí)間5 d 時(shí)，其凍融劈裂強(qiáng)度比最小，為72.3%，較養(yǎng)生1 d 的混合料凍融劈裂強(qiáng)度比降低了15.1%；當(dāng)養(yǎng)生時(shí)間≥7 d，養(yǎng)生時(shí)間增加1 d，冷再生混合料凍融劈裂強(qiáng)度比平均提高0.6%。這是因?yàn)轲B(yǎng)生初期，大部分乳化瀝青未發(fā)生破乳，冷再生混合料強(qiáng)度以內(nèi)摩擦力為主；而隨養(yǎng)生時(shí)間增加，破乳的乳化瀝青、水泥水化產(chǎn)物、礦粉等材料組成具有膠結(jié)能力的填充集料，冷再生混合料初步形成整體結(jié)構(gòu)，致使混合料劈裂強(qiáng)度逐步增大，但在低溫應(yīng)力和浸水條件下，具有膠結(jié)能力的填充集料對骨料固結(jié)作用減弱，從而混合料凍融劈裂強(qiáng)度比偏??；當(dāng)養(yǎng)生時(shí)間達(dá)到7 d 時(shí)，冷再生混合料形成穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，具有良好的劈裂強(qiáng)度，因此混合料凍融劈裂強(qiáng)度比提高。另外，養(yǎng)生時(shí)間≥1 d，乳化瀝青冷再生混合料凍融劈裂強(qiáng)度比滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）技術(shù)要求，即冷再生混合料凍融劈裂強(qiáng)度比≥70%，說明乳化瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性良好。對此，建議乳化瀝青冷再生混合料養(yǎng)生時(shí)間為7 d。

3.2 養(yǎng)生溫度影響

養(yǎng)生溫度對室內(nèi)乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響見圖3。

圖3 養(yǎng)生溫度對乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響（養(yǎng)生時(shí)間：7 d）

由圖3 可知：

（1）隨養(yǎng)生溫度升高，乳化瀝青冷再生混合料穩(wěn)定度逐漸提高，說明高溫養(yǎng)生環(huán)境有利于提高冷再生混合料的穩(wěn)定度。養(yǎng)生溫度由10 ℃升高至25 ℃，冷再生混合料穩(wěn)定度提高了27.3%；溫度由25 ℃升高至40 ℃，混合料穩(wěn)定度提高了10.4%；溫度從40 ℃升高至60 ℃，混合料穩(wěn)定度提高了6.5%。這是因?yàn)楦邷丨h(huán)境下乳化瀝青破乳和水泥水化速率加快，破乳的乳化瀝青、水泥水化產(chǎn)物、礦粉等材料組成更多的具有膠結(jié)能力的填充集料，增強(qiáng)了混合料內(nèi)部黏聚力，從而混合料結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，穩(wěn)定度逐漸提高。

（2）隨養(yǎng)生溫度升高，乳化瀝青冷再生混合料劈裂強(qiáng)度先提高后減小，在養(yǎng)生溫度40 ℃時(shí)，混合料劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，為0.61 MPa；在養(yǎng)生溫度10 ℃、60 ℃時(shí)，混合料劈裂強(qiáng)度分別為0.34 MPa、0.48 MPa，不滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）的技術(shù)要求，較養(yǎng)生溫度40 ℃條件下冷再生混合料劈裂強(qiáng)度分別降低了44.3%、21.3%。這是因?yàn)榈蜏丨h(huán)境下乳化瀝青破乳和水泥水化速率較慢，產(chǎn)生的膠結(jié)料較少，不能較好地黏結(jié)骨料，致使混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性偏低；隨著養(yǎng)生溫度升高，水泥瀝青膠漿體含量增多，可有效地固結(jié)骨料和填充骨料間的空隙，增強(qiáng)混合料結(jié)構(gòu)密實(shí)性和穩(wěn)定性；當(dāng)溫度升高至60 ℃，乳化瀝青破乳和水泥水化速率加快，混合料內(nèi)部黏聚力增大，致使試件第二次擊實(shí)成型中壓實(shí)度降低、空隙率增大，從而溫度從40 ℃升高至60 ℃，馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度降低。對此，建議乳化瀝青冷再生混合料養(yǎng)生溫度為25～40 ℃。

3.3 水影響

水對室內(nèi)乳化瀝青冷再生混合料影響見圖4。

圖4 水對乳化瀝青冷再生混合料路用性能影響

由圖4 可知：

（1）不同養(yǎng)生條件下，乳化瀝青冷再生混合料含

水率相差較大，D 組馬歇爾試件含水率最高，為4.2%，較A、B、C 組試件含水率分別提高了147%、82.6%、13.5%；隨冷再生混合料含水率增加，試件空隙率先增加后減小，在含水率2.3%時(shí)，混合料空隙率最大；含水率為1.7%時(shí)，混合料空隙率幾乎降至最低。這是因?yàn)锽 養(yǎng)生條件下，試件表面水分增加，混合料內(nèi)部水分蒸發(fā)量減少，致使試件在第二次擊實(shí)中，試件密實(shí)度降低，空隙率相對增大；養(yǎng)生條件從B 到C、D，混合料內(nèi)部含水率提高明顯，多余水分填充骨料間空隙，試件毛體積相對密度提高，從而空隙率降低。

（2）隨含水率增加，馬歇爾試件穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸減小，抗水損害能力減弱。這是因?yàn)槔湓偕旌狭显嚰试黾?，抑制乳化瀝青破乳和水泥水化反應(yīng)，影響瀝青水泥膠漿體的產(chǎn)生，其與骨料的黏聚力減弱，降低冷再生混合料結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，且多余水分填充骨料間空隙，致使試件在第二次擊實(shí)中，試件密實(shí)度相對降低，抵抗外部荷載作用能力降低，從而冷再生混合料穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度降低。

（3）當(dāng)養(yǎng)生條件由A 到B，即冷再生混合料含水率由1.7%增加至2.3%，其穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別降低了1.3%、3.8%、6.2%；養(yǎng)生條件從B 到C，即冷再生混合料含水率由2.3%增加至3.7%，其穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別降低了11.2%、23.5%、12.3%；養(yǎng)生條件從C 到D，即冷再生混合料含水率由3.7%增加至4.2%，其穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別降低了4.4%、7.7%、7.0%；養(yǎng)生條件C、D 下，冷再生混合料劈裂強(qiáng)度不滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

（1）同一試驗(yàn)條件下，現(xiàn)場養(yǎng)生條件下乳化瀝青冷再生混合料較同養(yǎng)生時(shí)間的室內(nèi)混合料穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度分別平均提高5.5%、10.7%。

（2）隨養(yǎng)生時(shí)間增加，乳化瀝青冷再生混合料路用性能整體呈提高趨勢，提高速率減緩。當(dāng)養(yǎng)生時(shí)間≥7 d，冷再生混合料路用性能滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）技術(shù)要求。建議乳化瀝青冷再生混合料養(yǎng)生時(shí)間為7 d。

（3）隨養(yǎng)生溫度升高，乳化瀝青冷再生混合料穩(wěn)定度逐漸提高，劈裂強(qiáng)度先提高后減小。在養(yǎng)生溫度40 ℃時(shí)，冷再生混合料路用性能最優(yōu)，其穩(wěn)定度較10 ℃、25 ℃分別提高了40.5%、10.4%，劈裂強(qiáng)度較10 ℃、25 ℃分別提高了79.4%、15.1%。建議乳化瀝青冷再生混合料養(yǎng)生溫度為25～40 ℃。

（4）隨含水率增加，乳化瀝青冷再生混合料路用性能逐漸降低。在冷再生混合料含水率為2.3%時(shí)，試件空隙率最大；含水率為3.7%、4.2%時(shí)，試件冷再生混合料劈裂強(qiáng)度不滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）技術(shù)要求。