乳化沥青冷再生混合料抗剪特性试验研究

(新疆交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830094)

乳化沥青冷再生是一种应用较为广泛的路面工程施工技术，它具有工程造价低、节能环保等优点，且可循环利用路面旧料，目前已经在公路工程的大修及改扩建项目中取得了较为明显的社会效益和经济效益。在使用过程中，研究人员发现乳化沥青冷再生混合料易出现车辙病害，并针对这种现象展开了大量的试验研究。发生车辙病害的根本原因在于基质材料的剪切变形，但国内外学者的研究均基于车辙试验，对于冷再生混合料的抗剪性能研究较少。本文基于单轴贯入试验与无侧限抗压强度试验，研究水泥用量、乳化沥青用量与类型和沥青旧料掺量对乳化沥青冷再生混合料抗剪性能的影响，并选择剪切强度、粘聚力、内摩擦角等作为混合料抗剪性能的评价指标，对影响乳化沥青冷再生混合料抗剪性能的参数进行分析，为乳化沥青冷再生技术的进一步广泛应用打下理论和试验基础。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

乳化沥青为实验室制备，其主要性能技术指标如表1所示。沥青旧料为某高速公路路面沥青层铣刨所得。水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥，经实验室测试，该水泥的初凝时间为4.5 h，终凝时间约为7 h，0.075 mm方孔筛通过率为95%。集料为石灰岩，含泥量为1.2%，表观密度为2.7 g/cm3，其余各性能指标均符合国家相关规范要求。

为减少其他因素对实验结果的干扰，所有测试组矿料级配均相同，混合料的级配组成如表2所示。采用马歇尔试验法成型试件，试件为101.6 mm×63.5 mm的圆柱体，成型后的试件在60 ℃烘箱中放置48 h。

1.2 方案设计

主要研究水泥用量、乳化沥青用量、乳化沥青类型和沥青旧料掺量对乳化沥青冷再生混合料剪切强度、粘聚力、内摩擦角等抗剪性能的影响，因此对这4种影响因素设计9组试验，所有测试组分别在25 ℃和60 ℃条件下进行抗剪性能试验，试验方案设计如表3所示。

表2 混合料级配组成%类别通过以下筛孔(mm)的百分比37 526 513 24 752 360 300 075规范要求100 080 0～100 060 0～80 025 0～60 015 0～45 03 0～20 01 0～7 0本文级配100 096 270 542 628 18 23 54

表3 乳化沥青冷再生混合料试验方案设计编号水泥用量/%乳化沥青用量/%旧料掺量/%乳化沥青类型A102 6100aA21 82 6100aA32 82 6100aA41 81 6100aA51 83 6100aA61 82 6100bA71 82 6100cA81 82 685 0aA91 82 695 0a

1.3 试验方法

基于文献所述[1]选择单轴贯入法测试混合料的抗剪性能，这种方法通过力学分析计算单轴贯入强度参数。单轴贯入法试验设备和试验方法简单，易于操作，首先根据贯入试验得出试件破坏时的贯入强度(UPS)，然后利用有限元建立单轴贯入模型，进而求出单位贯入强度作用下的强度参数，试验中取泊松比为0.35[2]。试验中的主应力通过实际应力乘以相应的强度参数计算得出，粘聚力c和内摩擦角φ一般用来表征混合料的抗剪性能，根据莫尔库伦理论，这两种参数通过无侧限抗压强度试验得到，计算方法如式(1)，(2)所示。

(1)

(2)

式中:σu为经无侧限抗压强度试验得到的压应力。

2 结果与分析

2.1 试验结果

对设计的9组乳化沥青冷再生混合料分别在25 ℃和60 ℃条件下进行无侧限抗压强度试验和单轴贯入试验，试验得到抗剪参数如表4所示。

表4 乳化沥青冷再生混合料抗剪参数结果温度/℃混合料σu/MPaUPS/MPaτmax/MPac/MPaφ/(°)A11 9125 2121 7800 41144 272A22 3586 5642 2620 49244 877A32 4687 1622 4650 50845 612A42 3626 8862 3410 48245 72925A52 2296 1722 1240 46144 803A62 1826 7292 3220 43446 662A72 3126 6392 2860 47845 458A82 4296 6982 3060 50844 722A92 3686 5682 2640 49844 836A10 3660 6260 2180 11526 175A20 6891 7860 6150 15243 516A30 7722 0340 7010 16643 829A40 6861 9270 6620 14645 07860A50 5061 0660 3680 12637 678A60 6361 9280 6640 12846 347A70 7011 8320 6310 15243 666A80 7361 9580 6780 15744 068A90 7221 9320 6660 15644 126

2.2 影响因素分析

2.2.1 水泥用量的影响

水泥质量分数对乳化沥青冷再生混合料抗剪性能的影响结果如图1所示。

图1 水泥用量对混合料性能的影响

由图1中可以看出，随着水泥用量的增多，冷再生混合料的剪切强度、粘聚力和内摩擦角均增大。在试验温度为25 ℃时，水泥用量从0增至1.8%，冷再生混合料的剪切强度提高了26%；水泥用量从1.8%增至2.8%，冷再生混合料的剪切强度提高了9%。在试验温度为60℃时，水泥用量从0增至1.8%，冷再生混合料的剪切强度提高了186%；水泥用量从1.8%增至2.8%，冷再生混合料的剪切强度提高了14%。因此，对于同一温度条件下的混合料，水泥用量从1.0%增至2.8%时，混合料的剪切强度明显小于水泥用量从0增至1.8%。乳化沥青冷再生混合料中同时有沥青和水泥存在，水泥水化后生成的水化产物与沥青膜之间相互搭接交织，形成复杂的空间网架结构，改善了沥青混合料的内部结构，提高了冷再生混合料的整体性；另一方面，水泥的水化产物填充在沥青混合料的空隙中，进一步提高冷再生混合料的整体密实性，提高了冷再生混合料的剪切强度和粘聚力以及内摩擦角。因此，对于乳化沥青冷再生混合料，在设计时加入一定量的水泥有利于提高其抗剪性能。

2.2.2 乳化沥青用量与类型的影响

乳化沥青用量对乳化沥青冷再生混合料抗剪性能的影响如图2所示。

图2 沥青用量对混合料性能的影响

由图2中沥青对于剪切强度的影响曲线中，随着沥青用量的增加，冷再生混合料的剪切强度逐渐减小，其中在25 ℃时，沥青用量从1.6%增加到2.6%时，剪切强度下降了5%；从2.6%增加到3.6%时，剪切强度下降了6%；在60℃时，沥青用量从1.6%增加到2.6%时，剪切强度下降了7%；从2.6%增加到3.6%时，剪切强度下降了40%。因此，高温条件下，沥青用量对冷再生混合料的剪切强度影响更大。在粘聚力与沥青用量关系曲线中，在25 ℃和60 ℃时，其随着乳化沥青用量的增加而出现先增加后减小的趋势；在内摩擦角与沥青用量关系曲线中，在25℃和60℃时，其随着乳化沥青用量的增加变化不明显。沥青在混合料中起到包覆和润滑的作用，对混合料的粘结性影响较大。冷再生混合料中存在着老化沥青，旧料中集料的活性较低，沥青用量的增加改变了混合料的界面结构，使冷再生混合料的内摩擦角发生一定的变化，但是混合料的内摩擦角主要是由混合料的矿料级配和集料的特性决定。

由表4可知，乳化沥青类型对冷再生混合料抗剪强度影响不大，但对粘聚力和内摩擦角有一定影响，分析原因可能是由于乳化沥青与旧料间的配伍性不一致。

2.2.3 旧料掺量的影响

旧料掺量对乳化沥青冷再生混合料抗剪性能的影响如图3所示。

图3 旧料掺量对混合料性能的影响

由图3中可以看出，在同一温度条件下，随着旧料掺量的增加，冷再生混合料的剪切强度和粘聚力逐渐降低，但是内摩擦角变化不明显。在冷再生混合料设计时，加入一定量的新集料改善了混合料的密实度，但是对混合料的矿料级配影响不大，因此新旧集料比例的改变，对冷再生混合料的内摩擦角影响不大，对混合料的粘聚力有一定的影响。对于冷再生混合料来说，为提高混合料的抗车辙能力，应适当增加一定量的新集料。

3 结论

1) 随着水泥用量的增多，冷再生混合料的剪切强度、粘聚力和内摩擦角均增大；对于同一温度条件下的混合料，水泥用量从1.8%增加到2.8%时，混合料的剪切强度明显小于水泥用量从0增加到1.8%。因此，对于乳化沥青冷再生混合料，在设计时加入一定量的水泥有利于提高其抗剪性能。

2) 沥青对于剪切强度的影响曲线中，随着沥青用量的增加，冷再生混合料的剪切强度逐渐减小；粘聚力与沥青用量关系曲线中，在25 ℃和60 ℃时，其随着乳化沥青用量的增加而出现先增加后减小的趋势；在内摩擦角与沥青用量关系曲线中，在25 ℃和60 ℃时，其随着乳化沥青用量的增加变化不明显。乳化沥青的类型对其冷再生混合料抗剪参数影响不大。

3) 在同一温度条件下，随着旧料掺量的增加，冷再生混合料的剪切强度和粘聚力逐渐降低，内摩擦角变化不明显。对于冷再生混合料来说，为提高其抗车辙能力，应适当增加一定量的新集料。

[1] 毕玉峰,孙立军.沥青混合料抗剪试验方法研究[J].同济大学学报(自然科学版),2005,33(8):1036-1040.

[2] 陈光伟,刘黎萍,苏凯,等.基于沥青路面抗剪性能的车辙预估模型标定[J].西南交通大学学报,2013,48(4):672-677.