乳化沥青冷再生混合料技术性能研究

2015-11-04刘洋边秀奇

城市道桥与防洪 2015年1期

关键词：稳定度乳化力学性能

刘洋，边秀奇

（1. 同济大学土木工程学院，上海市200092；2. 天津城建设计院有限公司，天津市300121）

乳化沥青冷再生混合料技术性能研究

刘洋1，边秀奇2

（1. 同济大学土木工程学院，上海市200092；2. 天津城建设计院有限公司，天津市300121）

冷再生工艺是一种常用的环保型的道路养护技术，为了研究乳化沥青冷再生混合料的力学性能，进行了无侧限抗压强度、劈裂强度、回弹模量三种试验，分析了冷再生材料力学性能的变化规律。路用性能方面，对冷再生混合料的高温稳定性和水稳定性进行了研究，通过车辙试验和马歇尔试验发现水泥含量和击实次数对高温稳定性和水稳定性有一定的影响。冷再生混合料技术的应用具有良好的经济效益和社会效益。

冷再生；力学性能；路用性能；效益

0　引言

随着交通事业的迅猛发展，公路使用中早期破坏的现象也日益显著，这使得人们越来越关注公路的养护工作。冷再生技术是指将旧沥青路面材料进行铣刨加工后的重复利用，适当加入部分新骨料或细集料，并掺入适量的外掺剂和水，经过拌合、摊铺压实成型，形成新的结构层［1］。这种方法具有节约资金、减轻环境压力等诸多优点，随着人们对环保重视度的提高，冷再生技术也越来越广泛被应用于公路养护中。本文从沥青混合料再生技术出发，对其力学性能、路用性能以及社会效益几个方面进行了分析，发现沥青混合料冷再生技术可以提高路面使用性能，增加其使用寿命，具有良好的社会效益和经济效益。

1　力学性能和路用性能评价指标

1.1力学性能评价指标

（1）无侧限抗压强度

抗压强度是材料性能的基本指标，从试件的制备到试验本身都比较简单易行。本文主要采用无侧限抗压强度试验来评价冷再生材料的强度。

（2）劈裂强度

路面的开裂对道路的使用带来很大的负面影响。水泥稳定类混合料抗拉强度通常采用弯拉试验和劈裂进行评定［2］。两种方法相比较而言，劈裂试验更为简便，因此许多国家将劈裂强度作为评定混合料的抗拉强度指标，并把它应用于路面设计的应力检验中。本文也将采用劈裂强度作为评定冷再生混合料力学性能的一个指标［3］。

（3）回弹模量

路面结构建立的目的就是为保护路基，路面直接接触车辆荷载并将应力扩散到路基。在路面设计时，设计的原则是控制路基的顶面压力和垂直位移量防止出现过大的沉降。在道路病害的研究中发现，路面损坏很大程度上是因为土基强度不足、稳定性差引起的，因此控制土基的变形，提高土基抗变形的能力是提高路面使用性能的主要措施。土基回弹模量作为路面设计的重要指标对整个路面结构有很大的影响，所以本文采用回弹模量作为评定其力学性能的指标之一［4］。

1.2路用性能评价指标

（1）高温稳定性

沥青路面的车辙或永久变形就是沥青及沥青混合料粘弹特性的直接反映。沥青混合料的高温稳定性通常以车辙试验来测定，以评价沥青混合料的高温抗车辙能力。

（2）水稳定性

水稳定性主要是指沥青混合料抵抗水损害的能力。水损害是沥青路面的主要病害之一，本文主要采用浸水马歇尔试验来评价沥青混合料的水稳定性。

（3）干缩特性

处于自然条件下的基层材料在经历温度和湿度变化时，会产生一定量的收缩。在收缩比较严重的情况下，往往基层表面会出现有规律的横向裂缝，并进一步发展到面层形成反射裂缝，从而缩短道路的使用寿命，因此必须重视基层材料的干温缩性能。本文主要采用收缩系数评价基层材料的收缩特性［5］。

2　力学性能研究

为了评价冷再生混合料的力学性能，本文对冷再生混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量进行了试验，从而更好地了解原材料对冷再生混合料性能的影响。

本文进行力学性能试验所采用的混合料为以下三种级配方案：

（1）抽提材料+新骨料+水泥+乳化沥青；

（2）RAP+新骨料+水泥+乳化沥青；

（3）RAP+水泥+乳化沥青。

其中旧沥青混合料的级配类型为密级配AC-16（中粒式）。

2.1无侧限抗压强度

本次试验按照无机结合料稳定粒料的无侧限抗压强度试验方法进行。为了保证试件的温度达到要求的试验温度，将试件在养生期的最后一天置于恒温水槽中保温一天。三种混合料试件的无侧限抗压强度试验结果如图1所示。

图1　三种混合料无侧限抗压强度变化规律

从图1可以看出，三种混合料的抗压强度普遍偏低。三种混合料的抗压强度值由高到低的顺序为：冷再生混合料1、冷再生混合料2、冷再生混合料3。这是因为原材料的性质而使得结果不同，主要体现在以下三个方面：（1）级配的不同。混合料1是由抽提料、骨料、水泥、乳化沥青经过配制而成，材料之间的嵌挤比较合理。混合料2和混合料3中的旧沥青含量比较多，旧混合料在长期的车辆荷载作用下，粗集料因压碎而含量低，难以形成骨架结构。（2）旧沥青中较多沥青油膜使得水泥难以进入旧沥青的团料结构中，从而影响水泥水化物的产生，进而影响了强度的提高。（3）老化的旧沥青变得比较脆，在荷载作用下，矿料与沥青之间可能发生了破坏。

此外，三种冷再生混合料的无侧限抗压强度随着龄期的增长而不断增高，但是增长的幅度不同。前期增长快，后期较慢，三种混合料3 d龄期的抗压强度基本为28 d龄期强度值的60%，前两种混合料7 d龄期的抗压强度为28 d龄期强度值的78%，第三种7 d龄期的抗压强度差不多达到28 d龄期强度值的94%。这说明冷再生混合料的早期强度值较高，这对施工和路面性能都能带来好的影响。一方面开放交通的时间较早，有利于缩短工期；另一方面可以增强路面结构抵抗车辆荷载的能力，延长路面的使用寿命。

2.2劈裂强度

将三种混合料成型为φ150mm×150mm的圆柱体试件，经标准养生后，测其劈裂强度。具体试验结果见图2。

图2　三种混合料的劈裂强度变化规律

由图2可以看出，三种混合料的劈裂强度变化规律与无侧限抗压强度的变化规律基本一致。三种混合料早期的劈裂强度较高，早期增长快，随着龄期的增长强度的提高趋于缓慢。这是由于早期的强度是由材料组成的结构形式以及原材料自身的力学性能所提供的，结合料还并未和原材料相互粘结组成整体结构。因此，足够的胶结物和合理的级配能够在一定程度上提高冷再生混合料的劈裂强度。

2.3回弹模量

三种冷再生混合料的回弹模量测试结果如图3。

由图3可以看出，冷再生混合料的回弹模量变化趋势与抗压强度和劈裂强度的变化趋势相似。冷再生混合料的力学性能基本符合一般水泥稳定类材料的力学特征，而且性能有所提高，这是添加了稳定剂的缘故。三种混合料的原材料级配的差异使得三种混合料在力学性能也表现出一定的差异性。第一种混合料的抽提料比旧沥青材料更容易与新骨料形成骨架结构，添加的两种稳定剂在一定程度上提升了混合料各方面的性能。第二种混合料尽管受到旧沥青材料的负面影响，但是两种添加料还是使混合料应有的性能得到了显现。第三种混合料与前两种相比较而言，力学性能稍差一些，但是它在可操作性和经济性方面有较明显的优势。

3　路用性能研究

在进行冷再生混合料的路用性能研究时，采用的三种混合料是用RAP、水、乳化沥青、水泥与一定的矿粉按照一定比例配置而成。其中，旧沥青混合料的级配类型为密级配AC-16（中粒式），矿粉含量为4.6%，选用标号为325的水泥作为添加剂，三种类型混合料的水泥含量分别为1.0% 、1.5%、2.0% ，同时根据试验确定不同水泥含量的最佳乳化沥青用量。

3.1高温稳定性

三种混合料分别成型为300mm×300mm×60mm的板形试块，在60℃的温度条件下进行60min的反复碾压，轮压为0.7 MPa，测定试块的动稳定度，即每产生1mm车辙所需要的碾压次数，以评价沥青混合料的抗车辙能力。车辙试验的动稳定度结果如图4所示。

图4　三种类型混合料动稳定度试验结果

由试验结果可以看出，乳化沥青冷再生混合料的动稳定度在3 600～6 300间，表明乳化沥青冷再生混合料具有较好的抗车辙的能力，高温稳定性较好，也满足规范对沥青混合料动稳定度的要求。三种类型的混合料中所掺入的水泥含量是逐渐增多的，说明水泥含量对混合料的动稳定度有一定的影响作用，水泥含量的增加在一定程度上能够增大混合料的动稳定度，进而提高混合料的高温稳定性。

3.2水稳定性

采用马歇尔试验进行水稳定性的测定，将三种混合料分别进行标准马歇尔试验和浸水马歇尔试验，每种试验情况击实次数分别为50次、75次，试验结果如图5、图6。

由图5和图6可以看出，击实50次和75次的马歇尔稳定度基本能满足稳定度要求，击实75次的混合料试件稳定度和浸水稳定度相差不大。

图5　击实50次的稳定度和浸水稳定度

图6　击实75次的稳定度和浸水稳定度

三种混合料类型的水泥含量是逐渐增大的，稳定度却没有明显提高，这是因为三种混合料的乳化沥青含量不同，混合料的强度是由水泥、乳化沥青和矿料共同起作用的，与水泥的相关性不大。

3.3收缩特性

将三种混合料成型10cm×10cm×40cm的中梁，然后用保鲜膜包裹防止水分的散失，在20℃条件下进行养护24 h，待梁的强度达到能够使梁直立起来的时候小心去除保鲜膜，然后测其失水量，计算干缩系数，并与半刚性材料相比较，对比结果如表1所示。

表1　不同材料的干缩系数比较

从表1中可以看出，三种冷再生混合料的干缩系数高于几种半刚性基层，三种混合料均满足基层要求。冷再生混合料的干缩机理在于沥青的存在减少了混合料内部的毛细孔隙，甚至有一些变成了封闭孔隙，经过稳定剂的处置以及水化物的产生，进一步减少内部孔隙，使得内部水分难以蒸发，具有一定的抗干缩能力。

4　效益分析

4.1经济效益分析

本文以一实验路段冷再生项目为例，进行费用和工期比较。实验路段长200m，再生路面宽12m，再生方案是在原路面加铺7cm厚乳化沥青冷再生混合料。

（1）费用比较

冷再生方案和挖填新建方案的费用比较见表2。

表2　冷再生方案与挖填新建方案的费用比较

由表2可以看出，乳化沥青冷再生混合料作为下面层与普通方案相比，直接省去了基层费用，冷再生技术方案与普通方案相比费用节省了将近50%，具有较好的经济效益。

（2）工期比较

冷再生方案和挖填新建方案的工期比较见表3。

表3　冷再生方案与挖填新建方案的工期比较

通过两种方案的比较可以看出，冷再生工艺的施工工期是挖填新建方案的1/5，大大缩短了工期，同时也减少了中断交通的时间，对提高综合运输效益和社会效益是极其有利的。

4.2社会环境效益分析

冷再生工艺充分利用旧路材料，不仅能够减少废料给环境带来的污染，而且也避免了更多的开采矿物材料对环境的破坏，从环境效益方面来讲，冷再生工艺产生的社会价值是无价的。

与此同时，冷再生工艺的施工还带来一些其他方面的社会效益：（1）工期的大大缩短，将减少交通中断时间，也就降低了发生交通事故的概率；（2）冷再生施工不存在沥青烟气，对施工人员带来极大的切身利益，不用担心有害物质对人的伤害，同时也不像热沥青摊铺工作给施工人员带来恶劣的高温作业环境，减少了改善施工环境方面的开支，也减少了因职业病而引发的社会福利方面的费用；（3）冷再生工艺基本是就地取材，减少了开山取石的需求量，能够有效地节约资源、保护资源，同时也降低了因运输材料向大气中排放的货车尾气，从而避免了一定程度的空气污染。

综上所述，冷再生技术所产生的社会环境效益，甚至比直接的经济效益更大，冷再生技术将在今后的道路养护方面扮演更重要的角色。