不同水泥掺量下乳化沥青冷再生混合料性能试验研究

2021-11-08徐国栋刘斌清石希信叶超强

西部交通科技 2021年8期

徐国栋，刘斌清，石希信，叶超强

(1.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530007；2.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

随着我国各等级公路里程增加，现存的部分公路已达到服役年限，即将面临大中修，将会产生大量的旧沥青混合料(RAP)，加之我国废物资源化和环保要求，对RAP料的处理逐渐提上日程。目前，较为稳妥的处理方式为将RAP料用于路面再生。路面再生主要有热再生和冷再生两种工艺，其中冷再生以其RAP料用量大、造价便宜、工艺简单而极有前途。同时，冷再生为常温施工，能源消耗少，有助于我国碳减排计划实施。冷再生主要分为乳化沥青冷再生和泡沫沥青冷再生，而乳化沥青冷再生由于工艺成熟、混合料性能较好而在国内外得到广泛应用。乳化沥青冷再生混合料尽管应用广泛，但也存在前期强度不足、养生时间长、水稳定性不好等缺点。有研究表明，添加水泥可有效提高乳化沥青冷再生混合料性能，有助于弥补其缺陷。因此，本文选取85%和98%两种RAP掺量乳化沥青冷再生混合料，研究水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料性能的影响。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

本文试验选用85%RAP掺量和98%RAP掺量的乳化沥青冷再生混合料，RAP料取自某一级公路，乳化沥青为自配，乳化剂为国外公司生产的进口高端乳化剂，水为饮用水，水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5R。RAP料分为3档，分别为0～5 mm、5～10 mm、10～30 mm，新料为10～20 mm。乳化沥青和水泥材料技术指标如表1和表2所示。

表1 乳化沥青技术指标表

表2 水泥指标表

RAP筛分结果及级配合成如表3所示。其中，合成级配1的掺配比例为RAP(0～5 mm)∶RAP(5～10 mm)∶RAP(10～30 mm)∶新料(10～20 mm)∶矿粉∶水泥=36∶15∶47∶0∶2∶1.5；合成级配2的掺配比例为RAP(0～5 mm)∶RAP(5～10 mm)∶RAP(10～30 mm)∶新料(10～20 mm)∶矿粉∶水泥=36∶12∶37∶13∶2∶1.5。合成级配1为85%RAP掺量，合成级配2为98%RAP掺量。

表3 新旧料筛分结果及级配合成表

1.2 确定最佳含水率、乳化沥青用量

根据《公路沥青路面再生技术规范》(JTGT 5521-2019)，在级配确定的情况下，乳化沥青冷再生混合料配合比设计大致流程为先确定合成矿料最佳含水率OWC，再确定乳化沥青冷再生混合料最佳乳化沥青用量。根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2019)确定最佳含水率；最佳乳化沥青用量采用马歇尔击实试验确定，试验参照《公路沥青路面再生技术规范》(JTGT 5521-2019)要求进行。

采用重型击实确定合成矿料最佳含水率，试验结果见图1。

(a)合成矿料1

从图1可以看出，随着含水率的增加，合成矿料1干密度快速增加并在4.5%含水率处出现峰值，且在5.5%含水率处出现下降。因此，确定合成矿料1的最佳含水率为4.5%。而合成矿料2干密度随含水率变化并没有合成矿料1剧烈，但也在4.5%处出现峰值，两者的最佳含水率几乎无差别。

采用马歇尔击实仪成型乳化沥青冷再生混合料，测试空隙率后，开展干湿劈裂强度试验，试验结果见表4和表5。

从表4和表5可以看出，85%RAP和98%RAP的干湿劈裂强度比均在3.4%乳化沥青用量处出现峰值，且干劈裂强度相较其余乳化沥青含量处于较高水平，可以认为3.4%乳化沥青含量下的乳化沥青冷再生混合料兼顾强度和水稳定性要求，可以作为最佳乳化沥青含量。同时，98%RAP掺量的乳化沥青冷再生混合料在相同乳化沥青含量水平下，干湿劈裂强度均低于85%RAP含量的乳化沥青冷再生混合料，且空隙率呈相反规律。因此，尽管二者的最佳乳化沥青用量一致，但RAP含量对乳化沥青冷再生混合料的物理和力学性能影响不可忽视。

表4 混合料空隙率及力学强度表(85%RAP)

表5 混合料空隙率及力学强度表(98%RAP)

85%RAP含量和98%RAP含量乳化沥青冷再生混合料最终选用的最佳含水率均为4.5%，最佳乳化沥青用量均为3.4%。

2 路用性能

2.1 高温性能

在最佳含水率和最佳乳化沥青用量下，以0.5%为间隔，设置0%～3%水泥掺量变化，成型车辙板试件。采用动稳定度指标来评价不同水泥掺量下乳化沥青冷再生混合料的高温稳定性。试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，碾压速度为42次/min。试验结果如图2所示。

从图2可以看出，两种乳化沥青冷再生混合料均具有优异的高温性能，掺水泥后的乳化沥青冷再生混合料动稳定度远高于《公路沥青路面再生技术规范》(JTGT 5521-2019)的要求，且两种RAP掺量乳化沥青冷再生混合料动稳定度随水泥掺量稳定增加，且在水泥掺量在2%以后逐渐稳定，增加较小。表明水泥对乳化沥青冷再生混合料的强度形成具有至关重要的作用，但过高的水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料的动稳定度的提高并不明显。仔细观察图2，可以发现两种RAP掺量下的乳化沥青冷再生混合料动稳定度变化规律有所差别：85%RAP掺量乳化沥青冷再生混合料动稳定度随着水泥掺量平稳上升，规律较为明显，而98%RAP掺量乳化沥青冷再生混合料尽管动稳定度变化规律与85%RAP掺量相同，但在1%水泥掺量处有明显拐点。上述差异主要由于RAP掺量不同所导致，RAP掺量高，乳化沥青混合料性能略差，水泥对其强度形成将会更加明显。

图2 不同水泥掺量下动稳定度曲线图

2.2 水稳定性

开展干湿劈裂试验，劈裂强度试验温度为15 ℃，采用干湿劈裂强度比来评价不同水泥掺量下乳化沥青冷再生混合料的水稳定性。试验结果如后页图3所示。

从图3可以看出，随着水泥掺量的增加，乳化沥青冷再生混合料干湿劈裂强度比逐渐增加，表明水泥对乳化沥青冷再生混合料水稳定性能提高有明显作用。从图中还可以得出：随着水泥掺量的增加，干湿劈裂强度比稳定增加且在水泥掺量>2%后基本稳定，增加幅度不大。同时，85%RAP掺量下的乳化沥青冷再生混合料干湿劈裂强度比并未高于98%RAP掺量。因此，本文将干劈裂强度数据列于后页图4中，以解释该现象。

图3 不同水泥掺量下干湿劈裂强度比曲线图

从图4可以看出，85%RAP掺量下的乳化沥青冷再生混合料干劈裂强度的确高于98%RAP掺量。因此，产生上述现象的原因可能在于干湿劈裂强度比这个指标用于评价乳化沥青冷再生混合料水稳定性能未必完美，加之乳化沥青冷再生混合料有养生过程，中间的因素较为复杂，要探讨合适的水稳定指标需要后续的研究结果进行验证。