乳化型冷拌冷铺沥青混合料室内加速模拟养生条件

李思童，何志敏，蔡硕果，黄玉颖，冯晓萍

1. 北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 100044

2. 北京首发公路养护工程有限公司，北京 102600

3. 北京特希达交通勘察设计有限公司，北京 100071

4. 北京顺通公路交通工程技术咨询有限责任公司，北京 100052

0 引 言

冷拌沥青混合料是指能够在常温下施工的沥青混合料，它具有节约能源、便于储存运输、延长施工季节等优点。冷拌沥青混合料不同于热拌沥青混合料，其强度的形成需要养生过程，因此学者们对冷拌沥青混合料的养生条件进行了研究。丁成志对影响混合料马歇尔稳定度的沥青养生条件和水泥掺量进行研究，并由正交试验法得到最佳试验条件为采用2.5%水泥量、击实100次、60 ℃养护2 h后击实25次[1]。张俊等学者对乳化沥青冷补料马歇尔试件的成型、养生和试验方法进行了研究，结果表明：乳化沥青冷补料马歇尔试件在60 ℃烘箱中养生48 h后二次击实，符合冷补路面的实际情况，在40 ℃水浴条件下进行马歇尔稳定度试验，其结果接近热沥青对比试件的试验结果[2]。王宏等学者揭示了养生方式对乳化沥青冷再生混合料细微观空隙分布特征的影响机理，推荐采用半封闭40 ℃养生作为乳化沥青冷再生混合料的室内加速养生条件[3-4]。何东坡等学者通过正交试验对不同养生条件和击实次数下的沥青混合料性能进行试验，最终发现要使混合料的各项性能居于最佳，应在试件成型后12~15 h进行二次击实，击实次数为15次，养生温度为60 ℃[5]。Rhode Island的Lee博士对冷再生的乳化沥青混合料进行了蠕变和间接拉伸试验，推荐以养生6 h和24 h模拟短期和长期的固化时间，采用60 ℃和25 ℃的温度分别代表夏季典型路面的高温和低温条件[6]。Sebaaly等学者采用弹性模量作为评价指标，采用25 ℃下养生15 h作为初始固化条件；在60 ℃下养生3 d作为最终固化条件；在60 ℃下养生30 d作为最终的养生条件[7]。在以往的研究中，将冷拌沥青混合料作为冷补料或者在冷再生工艺中使用，对用于公路面层的冷拌沥青混合料的养生条件研究较少。在选取养生条件时，尤其是在养生温度的设定和每个养生温度对应养生时间的选取时，并没有足够的依据[8]。本文以特制SBS改性乳化沥青为结合料，采用水泥为添加剂，开发一种新型冷拌冷铺乳化沥青混合料，用于重载交通的上面层。综合考虑室内养生条件对乳化沥青混合料低温性能、高温性能、水稳定性及试件强度等因素的影响，确定适当的室内养生温度和时间，从而较好地模拟室外自然养生。

1 试验部分

1.1 原材料

为了满足路面层的要求，本文采用符合要求的高标准SBS改性乳化沥青，性能参数见表1。

1.2 试验方法

根据SHRP计划温度公式计算出北京所在地区的最高地面温度为60℃左右。中国现行的《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中对冷拌混合料的养生温度规定为110 ℃。分别选取60 ℃、110 ℃以及两者的中值90 ℃作为室内烘箱养生温度，对试件进行不脱模、半封闭的养生处理。

为了研究温度对试件性能的影响及室内养生试件性能与室外养生的差异性，必须控制养生时长这一变量。为此，本文所选用的养生时间为乳化型冷拌冷铺沥青混合料的强度和质量趋于平缓的时间。此时，温度是影响乳化型冷拌冷铺沥青混合料的惟一变量。

通过方差和差值分析，对乳化型冷拌冷铺沥青混合料试件在不同养生温度下的性能进行测试，确定了室内模拟条件下最适宜的室内加速养护条件[9-11]。单因素方差分析的方法判断60 ℃、90 ℃、110 ℃和室外养生之间是否存在差异。如果在性能上没有显著差异，且差值分析结果在可接受误差范围内，即差值小于8%，则该养生条件为推荐的最佳养生条件。

1.3 乳化沥青混合料的级配设计

本文选取AC-13型沥青混合料作为研究对象，混合料合成级配见表2。

根据最佳流体量经验公式得出AC-13乳化型冷拌冷铺沥青混合料的乳化沥青用量为8%，随后通过试拌法确定水的用量为2%。现有研究结果表明，在常温拌合沥青混合料中加入少量水泥能提高混合料强度，因而本研究中掺入1%的水泥作为添加剂。

2 养生条件的选取

养生条件主要由2部分组成：一部分是养生温度，一部分是养生时间。养生时间与养生温度相关，本文选取60 ℃、90 ℃和110 ℃作为养生温度，随后通过质量和强度的变化确定养生时间。

2.1 室外养生

在室外进行自然养生的混合料试件的质量变化如图1所示，强度变化如图2所示。

在研究过程中，为了减小试验误差，采取平行试验的方法，即每组4个马歇尔试件，每天对其质量进行测量，从而发现其质量变化规律。由图1可知，AC-13乳化型冷拌冷铺沥青混合料的质量变化主要集中在前7 d。7 d后，质量变化趋于平缓。气温逐渐变化，混合料试件每天蒸发的水量也有所变化。随着养生时间的增加，水量的蒸发越来越少，失水率逐渐减少[12-14]。最终可以计算得到AC-13乳化型冷拌冷铺沥青混合料的室外养生失水率为91.07%。

表1 改性乳化沥青性能参数

表2 AC-13乳化型冷拌冷铺沥青混合料级配

图1 AC-13乳化型冷拌冷铺沥青混合料的质量变化

图2 AC-13乳化型冷拌冷铺沥青混合料的强度变化

图3 AC-13乳化型冷拌冷铺沥青混合料烘箱养生的质量变化

乳化型冷拌冷铺沥青混合料的强度形成需要一定的龄期，在第7 d时，其强度可以达到10 MPa以上，失水率达85%以上，满足规范要求。因此将7 d作为室外养生的最佳时间。

2.2 烘箱养生

采用60 ℃烘箱养生时，AC-13乳化型冷拌冷铺沥青混合料的质量变化如图3所示。通过图3可以明显的看到：前24 h内试件质量变化较大，减少48 g，占总减少质量的94.1%；在24~48 h时试件质量变化较小；而在48~72 h时试件质量没有明显变化。当其养生48 h后强度为8.3 MPa，达到规范要求。因此60 ℃的最佳养生时间为48 h。

在采用90 ℃烘箱养生时，试件质量的变化主要集中在前24 h内，质量共减少54 g，失水率已经达到了96.43%。在此之后，混合料的质量基本没有明显变化。试件强度在第24 h已经达到了14.1 MPa，远远超过了规范要求的8 MPa。因此90 ℃的最佳养生时间为24 h。

在采用110 ℃烘箱养生时，AC-13乳化型冷拌冷铺沥青混合料的质量在24 h后变化不明显，24 h失水率达到98.21%。因此110 ℃的最佳养生时间为28 h。

3 试验结果

AC-13乳化型冷拌冷铺沥青混合料分别在60 ℃、90℃、110 ℃烘箱中养生后的路用性能对比见表3。

由表3可以看出，混合料110 ℃烘箱养生24 h的动稳定度和冻融劈裂强度均好于90 ℃烘箱养生24 h，但是强度和水稳定性均弱于90 ℃烘箱养生24 h。

4 试验结果分析

4.1 分析思路

为讨论养生温度对于试件性能的影响，及烘箱养生结果与室外养生的差异性，本文采用单因素方差分析的方法。应注意的是，方差分析应满足3个假设条件，因此在单因素方差分析前需进行方差分析的假设验证分析。对各性能指标做描述性统计与分析，了解数据的大致分布，再进行方差假设验证，最后进行单因素方差分析[15-18]。

4.2 描述性统计与分析

本文采用spss22.0对数据进行分析，其过程为“分析—描述统计—描述”，选择5个性能指标，对其进行描述性统计分析，结果见表4。

描述性统计可以通过均值、标准差、最大值、最小值、SK、K等来描述数据的离散趋势、集中趋势和分布形状，初步呈现数据的分布状况。其中SK为偏度，当SK的值大于0，分布右偏；SK的值小于0，分布左偏。K为风度指标，反应分布的尖耸程度，K的值大于0为尖峰，K的值小于0为平峰。

4.3 方差分析假设验证

为了确定各变量数据的正态分布情况，选用Shapiro-Wilk正态性检验（S-W检验）。由于S-W检验更适合做小样本量的正态分布性检验，考虑到人力资源的局限性，本文每种性能检测的平行试验有4组，故选择S-W检验更为合理。在spss22.0中，经过“分析—描述性—探索”整理后便可得出表5。S-W检验的原假设为服从正态分布。当假设检验结果的参数P值大于0.05时，则无法拒绝原假设，可认为其分布服从正态分布。

在计算结果中，每个P值均大于0.05，则说明每个指标的数据样本均来自正态分布总体，均满足单因素方差分析的第一个假设，可以继续分析。

4.4 因素方差分析

方差分析是以自变量为分类变量、因变量为连续型变量的一种回归分析方法，主要通过分析差异的来源从而比较不同水平下的差异，最终得出因素对因变量是否有影响的结论。

4.4.1 ANOVA方差分析

表6为ANOVA方差分析结果。由表6可知，温度对于稳定度、残留稳定度、动稳定度、低温弯曲均有显著性影响。

4.4.2 多重比较分析

由方差分析得出显著性的结果后，需要进一步探究各水平之间的差异，从而明确这种显著性差异的来源。由于稳定度、残留稳定度、动稳定度、低温弯曲4个变量满足方差分析的假设条件，因此对于多重比较可以直接选择LSD检验，而冻融劈裂强度比不满足方差分析的假设条件，需用unnett T3检验来比较不同温度下性能指标的差异。

表7是LSD检验的结果。在表7中，对于稳定度，在5%的显著性水平下烘箱60 ℃和室外有显著性差异，烘箱90 ℃、110 ℃和室外均无显著性差异；对于残留稳定度，在5%的显著性水平下60 ℃和室外有显著性差异，90 ℃、110 ℃和室外均无显著性差异；对于动稳定度，60 ℃、90 ℃、110 ℃均和室外有显著性差异；对于低温弯曲应变，60 ℃和室外没有显著性差异，90 ℃、110 ℃和室外有显著性差异。

表3 AC-13型乳化型冷拌冷铺沥青混合料路用性能

表4 描述性统计

表5 Shapiro-Wilk正态性检验

表8是冻融劈裂强度比的多重比较结果，采用的是Dunnett T3检验。从表8可以看出：不同的养生方式两两比较下，冻融劈裂指标均无显著性差异。这一方面说明了冻融劈裂强度比这个性能指标几乎不受温度影响，另一方面说明对冻融劈裂这个指标而言，60 ℃、90 ℃、110 ℃均和室外无显著性差异。

4.5 分析总结

经过上面的分析，得出以下结论。

（1）温度会影响试件稳定度、残留稳定度、动稳定度、低温弯曲应变4个性能指标，但对冻融劈裂强度比没有显著性影响。

（2）对不同指标而言，不同养生温度对乳化型冷拌冷铺沥青混合料的各项性能的影响有所不同。

（3）对于乳化型冷拌冷铺沥青混合料的稳定度、残留稳定度，60℃和室外有显著性差异；90 ℃、110℃和室外养生均无显著性差异；对于动稳定度，60 ℃、90 ℃、110 ℃均和室外有显著性差异；对于低温弯曲应变，60 ℃和室外没有显著性差异，90 ℃、110 ℃和室外有显著性差异。

（4）对于动稳定度和低温弯曲应变来说，虽然90 ℃与室外养生存在差异，但是差值分析结果小于8%，所以90 ℃养生24 h是最佳模拟室外养生的条件。

5 差值分析

由于方差分析并未给出更加贴近室外养生的温度，随即进行差值分析，分析结果如表9所示。

表6 ANOVA方差分析

表7 多重比较-LSD检验

表8 冻融劈裂强度比的多重比较Dunnett T3检验

由稳定度、残留稳定度分析结果可以得出：60 ℃养生48 h和室外自然养生有显著性差异，90 ℃、110 ℃和室外均无显著性差异；对于动稳定度，60 ℃、90 ℃、110 ℃均和室外均有显著性差异，但其差异均小于8%；对于低温弯曲应变，60 ℃和室外自然养生没有显著性差异，90 ℃、110 ℃和室外有显著性差异，但90 ℃与室外养生的差值分析小于8%。综合上述结果，考虑选取90 ℃养生24 h作为室内加速养生的最佳条件。

表9 AC-13型乳化型冷拌冷铺沥青混合料烘箱养生与室外养生差值分析

6 结语

本文通过对室外自然养生和室内养生的混合料进行路用性能测试，分析室内加速养生及室外自然养生之间的关系，得到以下结论。

（1）通过对不同养生方式下质量随时间的变化曲线以及强度随时间的变化曲线进行分析，得出不同养生温度下的养生时间为：自然养生（包括室内和室外自然养生）需7 d；60 ℃烘箱养生需48 h； 90 ℃烘箱养生需24 h；110 ℃烘箱养生需24 h。

（2）乳化型冷拌冷铺沥青混合料的室内室外养生结果显示，其路用性能均达到热拌改性沥青混合料的标准。

（3）对于低温弯曲应变和动稳定度，虽然90 ℃烘箱养生与室外自然养生存在差异，但差异小于8%。因此，选取90 ℃养生24 h作为模拟室外养生的室内加速养生的最佳条件。

参考文献：

[1] 丁成志. 乳化沥青冷再生材料影响因素及性能分析[J].北方交通,2013(6):52-54.

[2] 张 俊,楚 好,逯艳华,等.乳化沥青冷补料成型、养生和试验方法研究[J].中外公路,2014,34(4):268-271.

[3] 王 宏,刘 锋,余建荣,等.乳化沥青冷再生混合料养生方式研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2015,39(3):641-646.

[4] 王 宏,刘 锋,张葆永.不同养生温度乳化沥青冷再生混合料空隙分布特征[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2015,39(2):388-392.

[5] 何东坡,金 钊.基于空隙率的水泥乳化沥青冷再生混合料配合比设计方法研究[J].中外公路,2016(4):284-288.

[6] LEE K W, BRAYTON T E, VEYERA G, et al. Modifled Superpave Mix-Design for Cold In-Place Recycling Asphalt Mixtures[C]// International Symposium on Maintenance & Rehabilitation of Pavements & Technological Control Segundo Simposio Sobre Manutencao E Rehabilitacao De Pavimentos E Controle Technologico. 2001.

[7] SEBAALY P, BAZI G, HITTI E, et al.Performance of Cold In-Place Recycling in Nevada[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board,2004, 1896(1):162-169.

[8] 杜少文.水泥乳化沥青再生水泥稳定碎石基层材料研究[J].公路,2012(7):250-253.

[9] 何 亮,张 捷,金康康,等.乳化沥青冷再生混合料水稳定性试验[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2010,29(6):900-903.

[10] 高 磊,倪富健,罗海龙,等.乳化沥青冷再生混合料的透水性与空隙特征[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(3):581-585.

[11] 符 佳,谈至明,杨吴礼,等.乳化沥青水泥稳定碎石的力学强度试验研究[J].公路,2014(7):318-323.

[12] 张 迪,方 琳,王建伟.养生期乳化沥青冷再生混合料强度及疲劳损伤特性[J].公路工程,2016,41(1):236-241.

[13] 李元元,李闯民,刘 安.耦联剂-水泥乳化沥青混合料的成型方法及抗压强度研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2015,39(6):1215-1220.

[14] 范 鹏,安丰伟,徐金玉,等.冷拌沥青混合料配合比设计及性能研究[J].现代交通技术,2017,14(1):4-7.

[15] 李 帅.振动法设计水性环氧乳化沥青混合料的性能试验研究[J].中国市政工程,2016(5):67-70.

[16] 杨彦海,杨 野,温俊生,等.基于正交试验的乳化沥青冷再生材料成型养生方法试验研究[J].辽宁省交通高等专科学校学报,2014,16(2):1-5.

[17] ZHANG Z, LIU L P, TANG W. Research on Performance of Evotherm Warm Mix Asphalt[J]. Journal of Building Materials,2009, 12(4):438-441.

[18] ALI A, ABBAS A, NAZZAL M, et al. Effect of Temperature Reduction, Foaming Water Content and Aggregate Moisture Content on Performance of Foamed Warm Mix Asphalt[J]. Construction & Building Materials,2013, 48(19):1058-1066.