级配对乳化沥青冷再生混合料强度的影响

刘海鹏， 蒋应军， 胡永林， 叶伟奇， 曹正道， 蔡永涛

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安 710064； 2.陕西省铁路集团有限公司， 陕西 西安 710075； 3.金华市金东区公路管理段， 浙江 金华 321000；4.金华市公路管理局， 浙江 金华 321000)

乳化沥青冷再生混合料是以乳化沥青作为面层回收集料(reclaimed asphalt pavement material，RAP)的稳定剂，并掺加适量的矿粉、水泥等填料，必要时添加一定比例的新集料，与水拌和而成的混合料[1].混合料强度对路面承载能力、稳定性、耐久性有重要意义[2].为了提高冷再生混合料强度，国内外道路工作者开展了大量研究[3].国外，Ma等[4]研究了RAP、水泥、乳化沥青对冷再生沥青混合料强度的影响；Wang等[5]分析了乳化沥青混合料的强度形成原理，认为水泥可改善乳化沥青混合料性能；Yang等[6]研究了乳化沥青和水泥对冷再生混合料性能的影响.国内，苏毅等[7]研究认为冷再生混合料强度主要取决于集料间的内摩阻力和内聚力；熊锐等[8]研究认为水泥掺量、空隙率对乳化沥青混合料强度有重要影响；马峰等[9]研究认为水泥能够提高乳化沥青混合料早期强度，对后期强度影响因RAP掺量不同而不同；周源等[10]认为在冷再生混合料中添加一定量的石灰可以提高乳化沥青混合料的强度.上述研究成果无疑对提高乳化沥青再生混合料强度具有重要意义，然而，上述研究均聚焦于乳化沥青冷再生混合料的强度形成机理、水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料强度的影响，而未见有矿料级配对乳化沥青冷再生混合料强度影响的相关研究，且上述研究均采用静压成型和重型击实法成型试件[11]，然而采用静压法成型的试件与现场钻芯试样的工程特性相关性不足36%[12].已有研究表明，垂直振动试验法能够模拟施工机械对路面的碾压效果，垂直振动试验法(VVTM)成型的试件与现场钻芯试样的工程特性相关性达98%[12].所以，本文采用垂直振动试验法成型试件，研究矿粉掺量(质量分数，文中涉及的掺量等均为质量分数)、机制砂掺量、粗集料掺量对乳化沥青再生混合料强度的影响，具有工程实际意义.

1 原材料及试件成型方法

1.1 原材料

采用西安公路研究院生产的SBR改性乳化沥青(简称SBR)，技术指标见表1.RAP采用西安绕城高速公路沥青路面回收集料，RAP的级配筛分结果见表2.采用洛南县正泰矿业有限公司生产的9.5～19.0mm粗集料、机制砂和矿粉，技术指标略.

表1 乳化沥青技术指标Table 1 Technical indexes of emulsified asphalt

表2 RAP级配筛分结果Table 2 Grading results of RAP

1.2 试件成型方法

采用垂直振动法成型φ100×63.5mm试件，然后将试件脱模后放入60℃烘箱中养生48h.根据课题组已有的研究成果[13]，振动压实仪基本参数为：振动成型时间60s,工作频率35Hz，上车系统质量108kg，下车系统质量167kg.

2 级配对乳化沥青冷再生混合料强度的影响

沥青路面在铣刨过程中，部分粗集料被破碎，使得铣刨后级配与原路面级配相比偏细[14].由表2可知，破碎后的集料中粒径2.36～4.75mm和4.75～9.50mm的含量较高，粗集料和细集料含量较少.因此，添加粒径9.5～19.0mm粗集料、机制砂和矿粉来调整RAP级配，研究级配对垂直振动乳化沥青冷再生混合料强度的影响.

2.1 矿粉掺量对混合料强度的影响

2.1.1确定最大干密度和最佳含水率

不同矿粉掺量的混合料级配见表3.

表3 不同矿粉掺量下混合料的级配Table 3 Gradation of mixture with different mineral powder content

不同矿粉掺量混合料的最大干密度和最佳含水率见表4.试验时乳化沥青用量为4%.

表4 最大干密度和最佳含水率Table 4 Maximum dry density and optimal moisture content

由表4可知，乳化沥青冷再生混合料最大干密度和最佳含水率均随矿粉掺量增加逐渐增大.

2.1.2确定最佳乳化沥青用量

不同矿粉掺量的乳化沥青混合料干湿劈裂强度如图1所示.

由图1可知，随乳化沥青SBR用量的增加，不同矿粉掺量冷再生混合料的干湿劈裂强度均呈现出先增大后减小的趋势.根据干湿劈裂强度最大原则，确定最佳乳化沥青用量[15].不同矿粉掺量的乳化沥青冷再生混合料最佳乳化沥青用量见表5.

图1 矿粉掺量对干湿劈裂强度的影响Fig.1 Effect of mineral powder content on dry and wet splitting strength

w(mineral powder)/%012345Optimal dosage of emulsified asphalt(by mass)/%3.83.94.04.14.24.3

由表5可知，冷再生混合料乳化沥青最佳用量随矿粉掺量的增加不断增大.

2.1.3矿粉掺量对冷再生混合料强度影响

不同矿粉掺量的冷再生混合料稳定度、干湿劈裂强度、冻融(freezing and thawing)与未冻融(freez-thaw)劈裂强度如图2所示.

由图2可知：随矿粉掺量增加，混合料中细集料逐渐增多，冷再生混合料力学强度逐渐增大，但增大速率逐渐变缓；当矿粉掺量超过3%时，冷再生混合料力学强度基本不再随之变化，此时冷再生混合料力学强度已经提高了至少5%.原因是RAP回收料中细集料累计通过率小，2.36～4.75mm和4.75～9.50mm的含量较高，空隙率较大，沥青与矿料之间的黏附性较差，而掺加矿粉后，细集料逐渐增多，矿粉作为填充料填充粗集料之间的空隙，使得混合料更加密实；而且矿粉作为一种活性材料能够与沥青分子发生化学吸附，形成一层结构力学薄膜，极大地提高沥青与矿料间的黏附性.当矿粉掺量小于3%时，矿粉与乳化沥青能完全反应；当矿粉掺量超过3%时，一部分矿粉并未与乳化沥青发生反应.因此，建议矿粉掺量为3%.

图2 不同矿粉掺量的冷再生混合料强度Fig.2 Strength of CRM with different mineral powder contents

2.2 机制砂掺量对混合料强度的影响

不同机制砂掺量下混合料的级配见表6.为了表示方便，对级配进行编号CaSbKc，其中Ca表示C(粒径9.5～19.0mm粗集料)掺量为a%，Sb表示S(机制砂)掺量为b%，Kc表示K(矿粉)掺量为c%.

表6 不同机制砂掺量下混合料的级配Table 6 Gradation of mixture with different machine-made sand content

2.2.1确定最大干密度和最佳含水率

不同机制砂掺量混合料的最大干密度和最佳含水率见表7.试验时乳化沥青用量为4%.

表7 最大干密度和最佳含水率Table 7 Maximum dry density and optimal moisture content

由表7可知，掺新集料的冷再生混合料最大干密度随机制砂掺量增加先增大后减小，最佳含水率随机制砂掺量增加而增大.

2.2.2确定最佳乳化沥青用量

不同机制砂掺量的冷再生混合料干湿劈裂强度如图3所示.由图3可知，随乳化沥青用量增加，不同机制砂掺量冷再生混合料干湿劈裂强度先增大后减小，根据干湿劈裂强度最大原则，不同机制砂掺量的冷再生混合料最佳乳化沥青用量见表8.由表8可知，随机制砂掺量的增加，最佳乳化沥青用量逐渐增加.

2.2.3不同机制砂掺量对冷再生混合料强度影响

不同机制砂掺量的冷再生混合料稳定度、干湿劈裂强度、冻融劈裂强度如图4所示.

由图4可知：随机制砂掺量增加，冷再生混合料力学强度呈现先增大后减小的趋势；当机制砂掺量为20%时，混合料马歇尔稳定度、干湿劈裂强度和冻融劈裂强度均达到峰值，力学强度至少提高了17%.原因是随机制砂掺量增加，细集料累计通过率逐渐增大，级配由骨架空隙型向悬浮密实型转变，机制砂和乳化沥青裹附在一起，共同填充与粗集料之间的空隙，混合料试件密度增大，沥青与矿料之间的

图3 不同机制砂掺量的冷再生混合料干湿劈裂强度Fig.3 Dry and wet splitting strength of CRM with different machine-made sand content

w(machine-made sand)/%010203040Optimal dosage of emulsified asphalt(by mass)/%3.83.93.94.14.2

黏结力提高，从而使混合料力学强度逐渐提高.但是

当机制砂掺量超过20%时，机制砂过多，致使乳化沥青不能很好包裹其表面，使得沥青与矿料之间的黏结力下降，密度减小，导致混合料力学强度下降，因此，机制砂掺量建议采用20%.

2.3 不同9.5～19.0mm粗集料掺量对冷再生混合料强度的影响

不同9.5～19.0mm粗集料掺量的混合料级配见表9.

图4 不同机制砂掺量的冷再生混合料强度Fig.4 Strength of CRM with different mechanism sand contents

Gradation numberw/%Gradation of mixture(by mass)/%RAP9.519.0mmMachine-made sandMineralpowder26.5mm19.0mm9.5mm4.75mm2.36mm0.3mm0.075mmC0S0K010000010097.362.936.416.63.80.8C0S20K377020310097.971.451.034.510.85.1C10S20K3671020310097.565.947.432.910.55.0C20S20K3572020310097.260.443.731.210.14.9C30S20K3473020310096.854.940.129.69.74.8C40S20K3374020310010096.449.336.527.69.3C50S20K3275020310010096.043.832.826.28.9

2.3.1确定最大干密度和最佳含水率

不同9.5～19.0mm粗集料掺量混合料最大干密度和最佳含水率见表10.试验时乳化沥青用量为4%.

表10 最大干密度和最佳含水率Table 10 Maximum dry density and optimal moisture content

由表10可知，随9.5～19.0mm粗集料掺量的增加，混合料的最大干密度呈现出先增大后减小的趋势，混合料的最佳含水率则逐渐减小.

2.3.2确定最佳乳化沥青用量

不同9.5～19.0mm粗集料掺量的冷再生混合料干湿劈裂强度如图5所示.

图5 不同9.5～19.0mm粗集料掺量冷再生混合料干湿劈裂强度变化规律Fig.5 Variation law of dry split strength of CRM with different 9.5-19.0mm coarse aggregate contents

由图5可知，随乳化沥青用量增加，不同9.5～19.0mm粗集料掺量的冷再生混合料干湿劈裂强度呈现先增大后减小的趋势.根据干湿劈裂强度最大原则，不同9.5～19.0mm粗集料掺量的冷再生混合料最佳乳化沥青用量见表11.

由表11可知，乳化沥青冷再生混合料乳化沥青最佳用量随9.5～19.0mm粗集料掺量增加而逐渐减小.

2.3.3不同9.5～19.0mm粗集料掺量对冷再生混合料强度的影响

不同9.5～19.0mm粗集料掺量的冷再生混合料稳定度、干湿劈裂强度、冻融和未冻融劈裂强度见表12，掺加新集料的混合料强度与未掺加新集料的混合料强度比见表13.

表11 不同9.5～19.0mm粗集料掺量的混合料最佳乳化沥青用量Table 11 Optimal dosage of emulsified asphalt for mixture of different 9.5-19.0mm coarse aggregate

表12 不同9.5～19.0mm粗集料掺量混合料强度Table 12 Strength of mixture of different 9.5-19.0mm coarse aggregate contents

表13 不同9.5～19.0mm新集料掺量混合料强度比Table 13 9.5-19.0mm aggregate content of mixture strength ratio

由表12和表13可知，随粒径9.5～19.0mm粗集料掺量增加，冷再生混合料力学强度呈现先增加后减小的趋势，当9.5～19.0mm粗集料掺量为30%时，混合料马歇尔稳定度、干湿劈裂强度和冻融劈裂强度均达到峰值，冷再生混合料力学强度至少提高20%；当机制砂掺量为20%，矿粉掺量为3%时，随粗集料掺量增加，级配曲线逐渐向级配下限靠近，级配由悬浮密实型向骨架空隙型转变，不掺加新集料的冷再生混合料级配比较差，集料与集料之间难以嵌挤产生内摩阻力；当混合料中同时掺加机制砂和9.5～19.0mm粗集料时，能够优化混合料级配，使混合料达到骨架密实结构，混合料具有较高粘结力和内摩阻力，因而使得冷再生混合料力学强度得到极大的提高.当粒径9.5～19.0mm粗集料掺量超过30%时，粗集料用量偏多，导致空隙率偏大，混合料之间粘聚力降低，使得混合料强度降低.当9.5～19.0mm粗集料掺量为20%时，冷再生混合料力学强度至少提高了19%.因此，考虑材料经济性问题，冷再生混合料中建议矿粉掺量为3%，机制砂掺量为20%，9.5～19.0mm粗集料掺量采用20%.

3 结论

(1)随矿粉掺量增加，冷再生混合料力学强度增大，但增大速率逐渐变缓，矿粉掺量大于3%时，冷再生混合料力学强度至少提高了5%.

(2)随机制砂掺量的增加，冷再生混合料力学强度先增大后减小，当机制砂掺量为20%时，混合料马歇尔稳定度、干湿劈裂强度和冻融劈裂强度均达到峰值，力学强度至少提高了17%.

(3)当机制砂和矿粉掺量分别为20%和3%时，随9.5～19.0mm粗集料掺量增加，混合料的干湿劈裂强先增加后减小，当9.5～19.0mm粗集料掺量为30%时，混合料马歇尔稳定度、干湿劈裂强度和冻融劈裂强度均达到峰值，冷再生混合料力学强度至少提高了20%；当9.5～19.0mm粗集料掺量为20%时，冷再生混合料力学强度至少提高了19%.

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