水泥-乳化沥青冷再生混合料配合比设计及其水稳定性评价

李俊晓 ，尹晓波 ，徐娟，袁健

(1.山东省海洋环境检测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001;2.华润水泥控股有限公司运营部，广西 南宁 530000)

我国高等级路面结构中沥青路面所占比例约为75%，按照每年12%的高等级公路路面需要维修来计算，每年就有约220 万吨的沥青回收料(recaimed asphalt pavement，RAP)产生［1］。若直接将RAP 废弃处置，不仅会对环境造成污染，同时也是一种对资源的严重浪费，所以对RAP 再生技术进行研究十分必要。乳化沥青冷再生技术是一种能够重新利用RAP，使再生混合料具有良好的和易性且可在常温下施工的沥青混合料再生技术，是一种成本效益高的沥青路面养护维修、升级方式［2-3］。目前，国内外关于乳化沥青冷再生方面的研究进展很快，均取得了一定成果，且得到了广泛的应用。

乳化沥青冷再生的效果受多种因素影响，如乳化沥青的种类及用量、混合料的级配、新集料的用量、拌和用水量、水泥的种类及用量等。本文以不同比例的RAP 与新集料进行配合，设计了3 种不同级配的乳化沥青冷再生混合料，通过击实试验确定了混合料的最佳用水量，以干湿劈裂强度比为指标分别评价了水泥用量和RAP 用量对混合料水稳定性的影响，并得到了最优试验级配。本文研究结果可为实际乳化沥青冷再生工程配合比设计提供一定的参考。

1 原材料

乳化沥青为自制改性阳离子乳化沥青，各项技术指标见表1。RAP 为某废弃沥青路面的铣刨料，本研究仅将其看做黑色集料，RAP 中老化沥青在冷再生过程中的机理暂不考虑。单纯使用RAP 作为再生混合料集料，达不到设计的级配要求，故需要引入一定量的新集料，本研究使用的新集料有3 种，为石灰岩质，其技术指标满足规范要求，RAP 与新集料级配见表2。水泥为华新水泥厂生产的P.O.425 普通硅酸盐水泥，其化学成分见表3。水为一般自来水。

表1 乳化沥青技术指标Table 1 Technical parameters of asphalt emulsion

表2 RAP 与新集料级配Table 2 Gradation of RAP and new mixture

表3 水泥化学组成Table 3 Chemical compositions of the cement

2 配合比设计

2.1 级配设计

关于冷再生混合料的级配设计，国内外规范很多，但尚无统一标准。本研究的级配设计参照了《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)［4］中对乳化沥青冷再生混合料工程设计级配范围的要求，按照不同的RAP 用量，设计了3 个级配的冷再生混合料，3 种混合料各集料质量分数为:混合料1 为25%RAP+40%1#新集料+35%2#新集料，混合料2 为50%RAP+25%1#新集料+25%2#新集料，混合料3 为75%RAP+15%1#新集料+5%2#新集料+5%3#新集料。3 个级配均满足文献［4］所规定的中粒式级配要求。图1 为冷再生混合料合成级配曲线，与规范级配进行了比较。

图1 冷再生混合料合成级配曲线Fig.1 Gradation curves of cold recycling mixtures

2.2 水泥和乳化沥青用量

水泥在本研究中仅作为稳定剂，而不将其看做活性填料，不考虑其对混合料级配的影响。为了考察水泥掺量变化对混合料水稳定性的影响，本研究设定了5 个水平的水泥掺量，依次为RAP +新集料总质量的0%，1%，2%，3%和4%;乳化沥青在本研究中掺量固定为RAP+新集料总质量的4.2%。

2.3 级配设计

混合料拌和均匀需要适量水分。如水分过少，则乳化沥青难以分散、集料颗粒间润滑不足，导致混合料难以压实，同时水泥也不能充分水化;如水分过多，则由于动水压力增加，也会导致混合料难以压实，同时还会使乳化沥青与水泥浆流失、水化物晶体发展不充分、养生时间延长、材料强度降低［5］。因此，需要通过试验确定最佳拌和用水量。

将乳化沥青用量固定为4.2%，参照现行《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)［6］中规定的方法，变化含水率对混合料进行击实试验，得到3 种混合料各自在不同水泥掺量时的最大干密度，此时混合料的含水率即为最佳含水率OWC。本试验所用RAP 与新集料均为风干料，可认为它们含水率为0，故外加水量就等于混合料的最佳含水率OWC 与沥青乳液所含水量的差值。表4 为通过击实试验求得的混合料最佳液体总量和最大干密度，并计算出了试验时所需的实际外加水量。

从表4 可以看出，所有混合料的最大干密度均在2.00～2.20 g·cm-3之间。

表4 击实试验结果Table 4 Compaction test results

3 混合料水稳定性评价

3.1 试验方法

本试验采用15℃湿劈裂强度与干劈裂强度的比值来对混合料的水稳定性进行评价。具体试验方法为:按配合比将混合料拌和均匀后，参照《公路的工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)［7］规定的方法，双面各击实75 次，制作标准马歇尔试件;完成击实后，将试样连同试模一起侧放在60℃的鼓风烘箱中养生72 h;然后将试模从烘箱中取出，侧放在地面上，在室温下冷却20 h 后脱模。用于测定干劈裂强度的试件需先在15℃的空气浴中放置1 d，然后进行15℃劈裂试验;用于测定湿劈裂强度的试件需要先浸泡在25℃的恒温水浴中23 h，再在15℃的恒温水浴中浸泡1 h，然后取出试件进行15℃劈裂试验。

3.2 水泥用量对混合料水稳定性的影响

图2 反映了3 种混合料各自在不同水泥掺量下，其干劈裂强度与湿劈裂强度的变化情况。

图2 混合料干湿劈裂强度与水泥掺量的关系Fig.2 Relationship between dry and wet splitting strength of mixtures and cement content

从图2 可以看出，混合料3 的干劈裂强度和湿劈裂强度均随着水泥掺量的提高而增大;当水泥掺量低于3%时，混合料1 和混合料2 的干劈裂强度和湿劈裂强度也随着水泥掺量的提高而增大，而当水泥掺量为4%时，它们的干劈裂强度和湿劈裂强度均比3%水泥掺量时略低。

表5 为3 种冷再生混合料在不同水泥掺量时的水稳定性。从表中可以看出，对于3 种类型的混合料，其水稳定性随着水泥掺量的提高而增加;将1%水泥掺量与0%水泥掺量两种情况进行对比时，发现3 种混合料的水稳定性增幅分别达到了20.3%，20.8%和22.6%，水泥的加入对混合料水稳定性的提升作用十分明显。

表5 不同水泥掺量下混合料的干湿劈裂强度比Table 5 Ratio of dry and wet splitting strength of different cement content mixtures

以水化硅酸钙凝胶为主的水泥水化产物一方面以水泥颗粒为中心向四周空间发展，逐渐将混合料内的毛细空间填满，从而形成均匀、密实、孔隙闭合的整体结构;另一方面水泥水化产物晶体结构也会在沥青乳液的水相中形成和发展，与乳液破乳后放出的沥青相互缠绕聚结，将混合料紧密结合为一个整体。在这两方面的共同作用下，混合料的劈裂强度和水稳定性随水泥掺量的增加而得以提高。但是水泥掺量并不是越高越好，因为水泥用量的增加会导致混合料干缩增加［8］，从而产生严重收缩裂缝使强度降低。这是水泥掺量为4%时，混合料2 和混合料3 的强度比3%水泥掺量时略低的原因。因此，确定本试验最佳水泥用量为3%。

3.3 RAP 用量对混合料水稳定性的影响

选取水泥掺量为3%时，3 种混合料的干湿劈裂强度值进行比较，结果如图3 所示。

图3 3 种不同类型混合料干湿劈裂强度对比Fig.3 Contrast of dry and wet splitting strength of three different types of mixtures

混合料1～料3 的RAP 用量分别为25%、50%和75%，从图3 可以看出，随着混合料中RAP 比的增加，混合料的干、湿劈裂强度均逐渐减小;3 种混合料的干湿劈裂强度比分别为0.967，0.955，0.804，也是呈降低规律，但25%RAP 掺量的混合料水稳定性仅比50%RAP 掺量的混合料大1.2%，比75%RAP 掺量的混合料大16.3%。这是由于随着RAP 用量的增加，混合料中石屑的含量会相对降低，从而导致集料与乳化沥青的粘附作用减弱，使混合料的干、湿劈裂强度和水稳定性降低。由于水泥的胶结作用，RAP 掺量从25%上升到50%的过程中，混合料的干、湿劈裂强度和水稳定性降低幅度较小;当进一步增加混合料中RAP 用量时，水泥的胶结作用不足以补偿因集料与乳化沥青粘附作用减弱而损失的那部分强度，从而在宏观上表现为混合料干、湿劈裂强度和水稳定性较大幅度的降低。

实际冷再生施工时，混合料中新集料用量越少，则材料成本越低;但RAP 用量越大，混合料的性能往往越差。综合考虑这两方面的因素，本试验确定混合料2 级配为最优级配。

4 结语

(1)通过添加一定掺量和颗粒组成的新集料，与RAP 进行配合，可以设计出满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)工程设计级配要求的乳化沥青冷再生混合料。

(2)水泥的加入可显著提高乳化沥青冷再生混合料的干、湿劈裂强度和水稳定性，但过高的水泥掺量会使混合料中形成严重收缩裂缝，反而会降低混合料的强度。

(3)随着RAP 用量的增加，3 种混合料的干、湿劈裂强度和水稳定性均降低;但50% RAP 掺量的混合料与25% RAP 掺量的混合料相比，干、湿劈裂强度和水稳定性降低幅度较小;75% RAP 掺量的混合料与25%RAP 掺量的混合料相比，干、湿劈裂强度和水稳定性降低幅度较大。

(4)本研究最佳混合料配比为50%RAP+25%1#新集料+25%2#新集料，水泥掺量3%，乳化沥青掺量4.2%，外加水量5.15%。最佳配合比混合料的15℃干劈裂强度为0.554 MPa，15℃湿劈裂强度为0.529 MPa，干湿劈裂强度比为0.955，均满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)对乳化沥青冷再生混合料的设计技术要求。

［1］王国科，周志莉.厂拌泡沫沥青冷再生技术在路面改造中的应用［J］.交通标准化，2010(8):112 -117.

［2］权登州，王磊，赵永波，等.乳化沥青冷再生混合料设计方法研究［J］.中外公路，2009，29(2):228 -231.

［3］MURPHY D T，EMERY J J.Modified cold in-place asphalt recycling［J］.Transportation Research Record，1996，1545:143 -150.

［4］JTG F41-2008，公路沥青路面再生技术规范［S］

［5］钟梦武，吴超凡，于永生，等.掺加水泥的乳化沥青冷再生沥青混合料设计方法研究［J］.公路，2008(1):195 -199.

［6］JTG E51-2009，公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］.

［7］JTJ 052-2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.

［8］拾方治，马卫民.沥青路面再生技术手册［M］.北京:人民交通出版社，2006.