路面基層廠拌冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)與性能研究

崔鵬舉

(河南交投交通建設(shè)集團(tuán)有限公司豫南分公司 漯河市 462000)

0 引言

隨著服役年限增加,早期建成的各等級(jí)公路普遍會(huì)出現(xiàn)路面老化等病害,需要進(jìn)行大中修養(yǎng)護(hù)。對(duì)于養(yǎng)護(hù)過(guò)程產(chǎn)生大量的路面銑刨?gòu)U料,如何充分利用廢舊銑刨料,減少環(huán)境污染,成為亟待解決的問(wèn)題。乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)是常用的廢舊銑刨料再利用方法[1-2],該方法受環(huán)境影響較小,便于控制質(zhì)量,廢舊料利用率高達(dá)90%以上,綜合成本相對(duì)較低。

諸多學(xué)者對(duì)乳化瀝青冷再生技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)研究。郝林等[3]研究了不同試件成型方法對(duì)于面層用乳化瀝青冷再生混合料的空隙率、強(qiáng)度等性能的影響,認(rèn)為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法效果最佳。戶桂靈等[4]通過(guò)Witzack模型和Hircsh模型預(yù)估乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)態(tài)模量。郭天星等[5]針對(duì)影響乳化瀝青冷再生混合料早期強(qiáng)度的因素,分別進(jìn)行試驗(yàn)研究。此外也有冷再生混合料反射裂縫、性能衰變規(guī)律等相關(guān)研究[6-7]。綜上,當(dāng)前冷再生混合料相關(guān)研究主要集中在路面面層,對(duì)于廠拌冷再生混合料的基層應(yīng)用研究較少。

基于此,文章以某高速公路改擴(kuò)建工程為依托,將乳化瀝青廠拌冷再生混合料應(yīng)用于路面基層,研究其配合比設(shè)計(jì)和路用性能,以期為乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)的工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

銑刨料分為10～20mm舊料、5～10mm舊料和0～5mm舊料。添加的10～30mm新集料采用石灰?guī)r集料。乳化瀝青為陽(yáng)離子慢裂型,蒸發(fā)殘留物含量在60%～65%。新集料和乳化瀝青指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。

1.2 試驗(yàn)方法

冷再生混合料用于基層時(shí),主要評(píng)價(jià)其抗反射裂縫性能。通過(guò)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和半圓彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)基層混合料在減緩裂縫的發(fā)生與發(fā)展方面的性能。四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011),試驗(yàn)儀器采用IPC UTM-30,試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 疲勞試驗(yàn)參數(shù)

半圓彎曲試驗(yàn)參照AASHTO TP124標(biāo)準(zhǔn),試驗(yàn)儀器采用UTM-30,測(cè)試溫度為-10℃和10℃,加載速率為5mm/min。從150mm圓柱形試件中切出厚度50mm的圓柱片,再將圓柱片平均切割為兩個(gè)半圓片,在半圓片對(duì)稱軸位置垂直切割預(yù)裂縫,深度15mm,寬度1.5mm,測(cè)試過(guò)程中試件底部支撐跨徑120mm,具體見(jiàn)圖1。

圖1 半圓彎曲試驗(yàn)示意圖

高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行。擊實(shí)試驗(yàn)參照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)進(jìn)行。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3441-2024)進(jìn)行。

2 冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

文章根據(jù)ATB-25級(jí)配范圍確定各檔集料摻配比例。盡可能使級(jí)配曲線呈現(xiàn)平滑的“S”形,減少混合料離析,提高施工和易性,利于攤鋪碾壓,保障施工質(zhì)量。參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)級(jí)配范圍,確定冷再生混合料各檔集料摻配比例和合成級(jí)配,具體見(jiàn)表2和表3。

表2 冷再生混合料各檔集料摻配比例

表3 冷再生混合料合成級(jí)配

2.2 確定最佳含水量及最大干密度

乳化瀝青冷再生混合料中的水分源于乳化瀝青中的水及外加水。為確定冷再生混合料外加水量,結(jié)合以往工程實(shí)例,固定乳化瀝青用量為4%,變化外加水量,采用擊實(shí)試驗(yàn)確定最佳含水量和最大干密度。外加水量以3.0%為基準(zhǔn),上下浮動(dòng)0.5%和1.0%。另外,乳化瀝青中含有1.6%水分,總計(jì)含水量為3.6%、4.1%、4.6%、5.1%和5.6%。不同含水量下的干密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同含水量下冷再生混合料干密度

根據(jù)圖2可知,含水量與干密度之間呈現(xiàn)二次函數(shù)曲線關(guān)系,當(dāng)外加水量為3.0%,總計(jì)含水量為4.6%時(shí),干密度最大。因此,乳化瀝青冷再生混合料最佳含水量為4.6%,對(duì)應(yīng)的最佳外加水量為3.0%。

2.3 乳化瀝青最佳含量確定

結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn),乳化瀝青冷再生混合料選擇3.50%為起始摻量,以0.25%增量遞增,共計(jì)5個(gè)摻量。不同乳化瀝青摻量下,混合料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為馬歇爾試驗(yàn)空隙率以及劈裂試驗(yàn)的干、濕劈裂強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同乳化瀝青用量下冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度和空隙率

由圖3可知,當(dāng)乳化瀝青冷再生混合料中乳化瀝青的含量逐漸增加時(shí),混合料空隙率以不同速率減小。當(dāng)乳化瀝青摻量小于4.0%時(shí),隨著乳化瀝青用量增加,空隙率變化緩慢;當(dāng)乳化瀝青摻量大于4.0%時(shí),隨著乳化瀝青用量增加,空隙率變化速率顯著加快。同時(shí),冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度在乳化瀝青摻量為4.0%時(shí)達(dá)到峰值。為使冷再生混合料同時(shí)具有較好的高溫穩(wěn)定性和抗水損害能力,其應(yīng)具有較高的劈裂強(qiáng)度和適宜的空隙率。因此優(yōu)先選擇乳化瀝青用量為4%。

2.4 水泥摻量確定

2.4.1不同水泥摻量下的干縮性能

在混合料中添加不同劑量的水泥時(shí),冷再生混合料干縮系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可知,齡期7d時(shí),不同水泥摻量冷再生混合料的干縮系數(shù)均顯著增長(zhǎng)。齡期7d后,干縮系數(shù)增速減緩并趨于穩(wěn)定。齡期28d時(shí),水泥摻量越高,混合料干縮系數(shù)越大。

圖4 不同水泥摻量下的干縮系數(shù)

2.4.2不同水泥摻量下的高溫穩(wěn)定性

不同水泥摻量下混合料的高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)采用車轍試驗(yàn)得到的動(dòng)穩(wěn)定度,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知,隨著冷再生混合料中水泥摻量增加,變形整體呈減小趨勢(shì),動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大,再生混合料柔性減小,剛性增加,抗變形能力提高。

表4 乳化瀝青冷再生混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

目前,通常要求面層冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度大于3000次/mm,應(yīng)用于基層的冷再生混合料無(wú)動(dòng)穩(wěn)定度要求。參照面層動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)要求,不同水泥摻量下,冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度均大于規(guī)范要求值。同時(shí),基層動(dòng)穩(wěn)定度不宜過(guò)大,否則混合料剛性過(guò)大,在荷載作用下容易產(chǎn)生裂縫。

2.4.3水泥摻量對(duì)水穩(wěn)定性的影響

不同水泥摻量的冷再生混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,隨著乳化瀝青冷再生混合料中水泥用量增大,混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比先增大后減小。當(dāng)水泥摻量為1.5%時(shí),凍融劈裂強(qiáng)度比最大。不同水泥摻量的混合料凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求。

表5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.4.4水泥摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同水泥摻量的冷再生混合料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知,冷再生混合料強(qiáng)度與水泥用量之間呈正相關(guān)變化趨勢(shì)。當(dāng)水泥摻量小于1.5%時(shí),冷再生混合料的強(qiáng)度增長(zhǎng)較快;水泥摻量大于1.5%時(shí),冷再生混合料的強(qiáng)度增長(zhǎng)減緩。水泥摻量由1.0%增加至1.5%和2.0%時(shí),冷再生混合料強(qiáng)度分別增加了1.22MPa和0.28MPa。水泥摻量大于1.5%時(shí),乳化瀝青冷再生混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)規(guī)范要求。

表6 不同水泥摻量下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3 冷再生混合料性能

為分析冷再生混合料性能,增設(shè)熱拌瀝青混合料試驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比。兩者級(jí)配相同,熱拌混合料油石比根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和試拌效果選定3.3%。

3.1 疲勞性能

冷再生混合料和熱拌混合料疲勞壽命測(cè)試在每個(gè)條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 兩種混合料疲勞壽命測(cè)試結(jié)果

由于混合料疲勞壽命屬性特征,試驗(yàn)結(jié)果通常離散性較大。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)兩種混合料的疲勞性能,采用Weibull分布分析試驗(yàn)結(jié)果,分布函數(shù)如式1,經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換如式2[8],分析前先行驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果是否服從Weibull分布。

(1)

(2)

兩式中:Np表示保證率為p時(shí)的疲勞壽命;N0為最小疲勞壽命參數(shù),試驗(yàn)取最小測(cè)試結(jié)果的50%;Na表示36.8%存活率的特征疲勞壽命;p為存活率,p=1-i/(1+n),n=3,i=1,2,3;b為形狀參數(shù)。

兩種混合料疲勞壽命測(cè)試結(jié)果Weibull分布檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。由表8可知,回歸方程相關(guān)系數(shù)均在90%以上,證明疲勞壽命服從Weibull分布。

表8 疲勞壽命Weibull分布檢驗(yàn)

分別令表8中p=95%和p=50%,得到兩種混合料在兩種保證率下的疲勞壽命,如圖5所示。

圖5 熱拌混合料和冷再生混合料疲勞壽命

由圖5可知,兩種混合料的疲勞性能差異并不顯著。95%保證率下,與熱拌瀝青混合料相比,冷再生瀝青混合料疲勞壽命在200με時(shí)提高11.5%,在400με時(shí)降低9.2%,600με時(shí)兩者疲勞壽命相當(dāng)。50%保證率下變化趨勢(shì)相似。

3.2 抗裂性能

根據(jù)半圓彎曲試驗(yàn)得到的斷裂過(guò)程應(yīng)力-位移曲線,評(píng)價(jià)混合料抗裂性能的主要指標(biāo)為最大斷裂荷載和對(duì)應(yīng)的斷裂位移與斷裂能。斷裂能計(jì)算如式3,其中積分即為應(yīng)力-位移曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積。兩種混合料半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

(3)

圖6 兩種混合料斷裂性能

式3中:G為斷裂能,單位為kJ/m2;h為試件厚度;r為試件半徑;d為切口深度;u為破壞位移;P為破壞荷載。

分析圖6可知,與熱拌混合料相比,-10℃條件下,冷再生混合料斷裂荷載提升11%,斷裂位移減小15%,斷裂能基本相當(dāng)。這主要是由于再生混合料中存在老化瀝青,低溫下脆性較強(qiáng);10℃條件下,兩種混合料的斷裂荷載、斷裂位移及斷裂能差異不明顯。

4 結(jié)論

通過(guò)上述冷再生混合料配合比及性能試驗(yàn),得出以下結(jié)論:

(1)為提高施工性能,冷再生混合料中0～5mm舊料、5～10mm舊料、10～20mm舊料、10～30mm新料以及礦粉用量分別為28.0%、11.0%、28.0%、29.0%和4.0%。

(2)根據(jù)不同含水量下的干密度,確定最優(yōu)乳化瀝青用量為4.0%,對(duì)應(yīng)的外加水量為3.0%。

(3)乳化瀝青冷再生混合料干縮系數(shù)、動(dòng)穩(wěn)定度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加逐漸增大。水穩(wěn)定性能在水泥摻量為1.5%時(shí)最優(yōu)。為避免水泥摻量增加引起再生混合料剛性過(guò)大,綜合確定水泥摻量為1.5%。

(4)廠拌乳化瀝青冷再生混合料與熱拌混合料的疲勞性能和抗裂性能基本相當(dāng),可用于路面基層。