外掺料对乳化沥青冷再生混合料性能的影响分析

2019-09-10潘志军

西部交通科技 2019年5期

潘志军

摘要：文章为研究乳化沥青冷再生混合料的路用性能，掌握水泥、RAP料等对其影响规律，利用重型击实方法成型乳化沥青冷再生混合料，分析水泥用量、RAP用量的变化对乳化沥青冷再生混合料的干湿劈裂强度比、稳定度、残留稳定度、抗压回弹模量及粘聚力等指标的影响。试验结果显示：随着水泥用量的增加，干湿劈裂强度比和残留稳定度值呈先增加后下降的趋势，二者存在最佳用量范围，而稳定度值呈增加趋势;随着RAP用量的增加，劈裂强度指标、抗压回弹模量指标和粘聚力指标均呈下降趋势，稳定度指标呈先下降后增加的趋势。综合分析可知，通过掺加适量的水泥能够改善乳化沥青冷再生混合料的路用性能，而RAP料的最大用量需要依据相关试验进行优化确定。

关键词：乳化沥青冷再生混合料;水泥用量;干湿劈裂强度比;抗压回弹模量;粘聚力

In order to study the road performance of emulsified asphalt cold recycled mixture，and master the influence law of cement，RAP material，etc.，this article uses the heavyduty compaction method to form the emulsified asphalt cold recycled mixture，analyze the influence of the changes in cement dosage and RAP dosage on drywet splitting strength ratio，stability，residual stability，compressive resilience modulus and cohesion of emulsified asphalt cold recycled mixture.The test results show that，with the increase of cement dosage，the drywet splitting strength ratio and residual stability value increase first and then decrease，and both have the optimal dosage range，while the stability value increases;with the increase of RAP dosage，the splitting strength index，compressive resilience modulus index and cohesion index all show a downward trend，and the stability index decreases first and then increases.Comprehensive analysis shows that the road performance of emulsified asphalt cold recycled mixture can be improved by adding appropriate amount of cement，and the maximum dosage of RAP material needs to be determined through optimization according to relevant experiments.

Emulsified asphalt cold recycled mixture;Cement dosage;Drywet splitting strength ratio;Compressive resilience modulus;Cohesion

0 引言

隨着社会的进步，交通运输行业的快速发展，乳化沥青冷再生技术在我国也开始得以快速推广利用，通过对废旧沥青混合料进行一系列的处理，使废旧材料重新铺筑于路面。这不仅提高了天然集料的利用效率，而且改善了废旧材料污染环境的问题[1][2]。

乳化沥青冷再生混合料的配合比设计方法与普通热拌设计方法相比存在显著的变化，在我国其变化主要限于经验性设计和地方性标准。如权登州系统地研究了拌合用水量、级配组成等对再生混合料路用性能的影响，提出了相应的配合比设计方法，并结合实体工程，总结了现场施工过程的检测内容和方法[3]。邢傲雪研究了冷再生混合料的永久变形特性、疲劳性能、抗剪特性及动态模量指标的变化规律[4]。

综上所述，我国对乳化沥青冷再生混合料路用综合性能的研究尚存在一定的不足。本文通过分析水泥用量、RAP用量等关键因素对干湿劈裂强度比、稳定度、残留稳定度、抗压回弹模量等指标的影响，为乳化沥青冷再生混合料在沥青路面中的铺筑提供技术支持。

1 原材料及方案

乳化沥青选用山东东明石化生产的阳离子慢裂型乳化沥青（见表1），水泥采用广西某厂普通硅酸盐P.O32.5水泥（见表2），旧沥青混合料（以下简称RAP）为连霍高速公路上面层铣刨料。其中RAP料经过重新的筛分处理均满足《公路沥青路面再生技术规范》（JTG F41-2008）和《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）[5][6]的相关要求。

2 试验结果与分析

2.1 水泥用量的影响

水泥作为填料，在乳化沥青冷再生混合料中不仅具备粘结作用，同时还能作为改性剂，影响混合料的初期强度和最终路用性能。研究选择不同水泥用量（0.0%、0.5%、1.0%、1.5%）分析其对干湿劈裂强度比、稳定度、残留稳定度指标的影响。试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ0709-2000）[7]中T0709-2011的方法，试验温度参数选择15 ℃和40 ℃，试验结果见图1、图2。

图1、图2分别描述了不同水泥用量时劈裂强度比、稳定度、浸水稳定度和残留稳定度值的变化结果，分析可知：

（1）水泥用量对干湿劈裂强度比（TSR）存在显著影响。随着水泥用量的增加，TSR先增加后降低，在0.8%～1.0%范围内达到最大值，对混合料的TSR值具有改善效果;随着水泥用量的增加（>1%），其值显著下降。水泥用量为1.0%时，TSR值为97.2%，提高了约13.2%（与未掺加水泥相比）。

（2）马歇尔稳定度值随着水泥用量的增加呈线性增加趋势，水泥提高了混合料的刚度，尤其是高温性能。水泥用量为0.5%、1.0%和1.5%时的稳定度值分别为8.4 kN、10.9 kN和12.9 kN，相应地分别提高了约75.0%、127.1%、168.8%（与未掺加水泥相比）。

（3）水泥的掺加对混合料的水稳定性能存在较大的影响。随着掺量的增加，浸水稳定度值呈增加趋势，而残留稳定度值呈先增加后下降趋势。这说明水泥对混合料水稳定性能的改善存在相应的合理用量，其在1.0%时，残留稳定度值最大约为90.8%。

综上可知，在乳化沥青冷再生混合料中加入的水泥，主要发生了水化反应和吸附作用。首先利用矿料中的水分发生水化反应，产生水泥絮状结构物，且与破乳的乳化沥青薄膜相互交织在一起形成网络结构;另一部分水泥直接与沥青相互作用形成吸附现象，在集料表面形成网状薄膜，提高了乳化沥青-矿料之间的粘结力[3]。

2.2 RAP料用量对间接抗拉强度的影响

RAP用量的多少对混合料的抗拉强度的影响较大。一般情况下RAP料的用量≥85%，原材料性能较好的条件下可100%采用。文中设计了RAP用量分别为80%、90%和100%的三种再生混合料，然后按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）中规定的方法进行室内试验，研究再生混合料的力学性能指标与RAP掺量之间的关系，试验结果见图3、图4。

由图3、图4可知：

（1）RAP用量多少对混合料的间接抗拉强度指标存在显著影响。随着RAP掺加用量的增加，干劈裂强度值、湿劈裂强度值和TSR值均呈下降趋势。其中干、湿劈裂强度值呈线性下降趋势，二者相关性较好;而TSR值呈二元函数式下降，说明RAP用量的增加，降低了混合料的间接抗拉强度性能。

同时，随着RAP用量的增加，在90%～100%范围内，TSR值的下降幅度较大，如掺量90%、100%时的TSR值分别为93.7%和83.5%，分别下降了约1.4%和12.1%。

（2）利用相关性分析了干劈裂强度值与最大干密度的关系（见图4），二者具备良好的线性关系，相关系数为0.978 2。这说明乳化沥青冷再生混合料的最大干密度越大，内部结构越密实，其劈裂强度值越高。随着RAP用量的增加，再生混合料中集料与乳化沥青的粘附作用减弱，导致再生混合料的干湿ITS和劈裂强度比逐渐减小[1]。

2.3 RAP料用量对抗压强度的影响

试验选择常温抗压强度、15 ℃抗压回弹模量和40 ℃马歇尔稳定度进行分析，结果见图5、图6。

图5描述了抗压回弹模量指标和稳定度指标随RAP用量的变化结果，分析可知：

（1）RAP用量变化对抗压回弹模量指标的影响与间接抗拉强度指标相类似，随着RAP用量的增加，抗压回弹模量值呈线性下降趋势，二者呈良好的线性关系。掺量在80%、90%、100%时的回弹模量值分别为1 568 MPa、1 120 MPa、683 MPa，说明RAP用量的增加，降低了混合料抗压强度性能和刚度，且用量为100%时的抗压回弹模量值劣化程度比90%时提高了1倍。

随着RAP用量的增加，稳定度值呈先下降后增加的趋势，这与其他指标变化规律不一致。说明RAP料的增加有助于提高混合料的高温性能，即抗车辙能力提高，这与其他文献研究成果相一致[8]。

（2）采用线性函数描述了抗压回弹模量值与最大干密度关系（见图6）。抗压回弹模量值随着最大干密度的增加而增加，这与劈裂强度指标变化规律相一致。

2.4 RAP料用量对抗剪特性的影响

乳化沥青冷再生混合料的抗剪性能取决于材料组成结构的粘聚力C和内摩擦角φ。本文利用库仑-莫尔定律中的几何关系计算出不同RAP掺量下沥青混合料的粘聚力C和内摩擦角φ[1]，试验结果见图7和图8。

图7描述了RAP用量变化对粘聚力的影响，分析可知：

（1）RAP使再生混合料的组成结构产生了较大的变化。随着RAP用量的增加，再生混合料结构的粘聚力呈线性下降趋势，这与上述劈裂强度指标、抗压回弹模量指标的变化规律相一致。研究表明：乳化沥青冷再生混合料的力学性能主要取决于乳化沥青胶浆粘结作用和骨料的嵌挤骨架承载能力，随着RAP料的用量增加，再生混合料的粘聚力逐渐减小，集料与乳化沥青的粘附作用减弱，因此再生混合料的抗压强度和劈裂强度呈下降趋势。

（2）通过分析粘聚力与最大干密度的关系可知（见图8），粘聚力与最大干密度保持良好的线性关系，随着最大干密度的增加，内部结构的粘聚力同样增加。这说明提高乳化沥青冷再生混合料的压实密度是保证混合料内部结构密实、路用性能优良的关键控制指标之一。

3 结语

（1）水泥用量对乳化沥青冷再生混合料路用性能存在显著影响。随着水泥掺加用量的增加，其干湿劈裂强度比指标、残留稳定度指标均呈凹曲线函数，最佳水泥用量在0.8%～1.0%。而稳定度指标的变化呈增加趋势。

（2）RAP用量的变化对再生混合料的间接抗拉强度、抗压回弹模量指标存在显著劣化作用。随掺量的增加，其TSR值呈下降趋势，在掺量为90%～100%时的下降幅度较大，超过10%。

（3）RAP用量的增加劣化了再生混合料的粘聚力，二者呈良好的线性关系，利用该指标良好地阐释了劈裂强度比、抗压回弹模量指标下降的原因。

參考文献：

[1]黄晓明，赵永利.沥青路面再生利用理论与实践[M].北京：科学出版社，2014.

[2]虎增福.道路用乳化沥青的生产与应用[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3]权登州.乳化沥青冷再生混合料技术性能研究[D].西安：长安大学，2009.

[4]邢傲雪.乳化（泡沫）沥青冷再生混合料技术性能深入研究[D].西安：长安大学，2010.

[5]JTG D50-2017，公路沥青路面设计规范[S].

[6]JTGF41-2008，公路沥青路面再生技术规范[S].