外添材料对乳化沥青冷再生混合料路用性能影响

杨泽楠

(中铁十九局集团 第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

近年来，老旧路面局部翻修逐渐成为重要的研究课题，我国学者对老旧沥青路面翻修进行了大量研究，成果颇丰.谭竣等[1]通过大量的老旧沥青路面的实际工程项目，对产生病害的机理进行了分析.钟伟斌等[2]结合深圳机荷高速公路的工程实际，在现有规范的基础上提出了老旧沥青路面的评价原则及方法，给出了老旧沥青路面的钻芯分析评价指标.付涛等[3]以老旧沥青路面材料和水泥稳定碎石层材料作为集料，再添加一定比例的新材料，对混合料进行冷再生试验，给出了新旧混合料的配比.张晶等[4]等针对现行公路改建规范设计中的不足，提出了几种老旧沥青路面扩建的评价指标，并引入了特尔菲-理想点法对其指标适用性进行了综合评价.黄伯承等[5]通过钻芯取样法对老旧沥青路面材料的性能进行了试验研究，分析了修建初期与老旧路面材料的性能.赵国清等[6]结合京港澳高速公路对新旧沥青路面结合处拼接工艺进行了研究.

本文在总结前人研究的基础上，结合沈阳某老旧沥青路面改造项目，采用工程中最常见的建筑材料水泥和石灰作为外添材料，对乳化沥青冷再生混合料进行改良，通过试验对比分析了2种材料改良后的效果，并分析其路用各向性能指标随外添材料掺量及室外养生时间的分布规律，可为类似工程提供可靠的理论依据.

1 试验方案

1.1 试验材料

采用沈阳某旧路面铣刨下来的沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)作为乳化沥青冷再生混合料，按粒径尺寸划分为3挡，即RAP(15～25 mm)、RAP(7.5～15 mm)和RAP(0～7.5 mm)，乳化沥青冷再生混合料掺量比例见表1.RAP级配按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)给出级配范围进行设计，具体设计结果见表2.

表1 冷再生混合料掺量比例

表2 冷再生矿料级配

采用的基质沥青为韩国进口的SK90号沥青，乳化剂采用美国生产的美德维石维科乳化剂，该乳化剂分散效果较好且性能相对稳定.根据试验检测结果可知，本文选用的乳化沥青各向检测性能良好.采用的生石灰为石灰粉，其0.075 mm筛孔通过率约为98%，水泥为市面上常见的普通硅酸盐水泥P·O32.5，初凝时间为4.5 h，终凝时间为7.5 h.

1.2 试验方法

采用体积法对冷再生沥青混合料进行配合比设计，试验根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)中给定的试验方法进行.试样制备工序为：初压60次后脱模→烘干养生72 h→旋压50次脱模，此为1个完整试件制备过程.根据试验测试结果及相关施工经验可知，沥青混合料中加入水泥和石灰后的最佳乳化沥青用量约为混合料总量的3.75%.本文同样采用该比例对乳化沥青混合料进行试验研究，同时根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)给出的检测方法对沥青混合料的水稳性能及温度性能进行测试.另外，由于矿粉、石灰和水泥三者的筛孔通过率基本相同，因此可将水泥、石灰的掺入量理解为矿粉的减少量，集料的总量不变，级配无影响.

2 试验结果分析

2.1 不同外添材料对乳化沥青冷再生混合料的影响

根据不同外添材料及不同掺量下冷再生乳化沥青混合料的试验检测结果，绘制不同外添材料各性质指标随掺量的分布曲线，如图1所示.石灰和水泥2种外添材料对再生混合料的各向性能均有显著的提升作用，表明2种外添材料均能有效地改善冷再生混合料的性能.

(a) 劈裂强度 (b) 稳定度 (c) 动稳定度

(d) 残留稳定度 (e) 干湿劈裂强度比 (f) 冻融劈裂强度比图1 冷再生混合料不同检测指标与掺量关系曲线

由图1可以看出：乳化沥青冷再生混合料检测指标均随外添材料掺量的增大呈逐渐递增趋势，且各指标检测结果中，水泥对混合料的指标性能的提升作用更高.

1) 当石灰和水泥的掺量均为0.0%时，乳化沥青冷再生混合料试样的劈裂强度为0.65 MPa，稳定度为17.6 kN，动稳定度为1 211 次/mm，残留稳定度为95.6%，干湿劈裂强度比为87.2%，冻融劈裂强度比为84.3%；

2) 当石灰掺量分别为1.0%、2.0%、3.0%时，各试验检测指标均有明显提升，其中，劈裂强度分别提升了12.31%、21.54%和30.77%，稳定度分别提升了4.55%、5.68%和11.93%，动稳定度分别提升了93.31%、148.39%和461.19%，残留稳定度分别提升了0.52%、2.51%和2.93%，干湿劈裂强度比分别提升了4.22%、7.88%和10.05%，冻融劈裂强度分别提升了2.14%、4.63%和5.46%.

3) 当水泥掺量分别为1.0%、2.0%和3.0%时，各试验检测指标同样有明显提升，其中，劈裂强度分别提升了7.69%、12.31%和18.46%，稳定度分别提升了2.84%、3.98%和6.82%，动稳定度分别提升了88.27%、147.15%和359.54%，残留稳定度分别提升了0.31%、2.20%和2.62%，干湿劈裂强度比分别提升了3.77%、5.59%和8.22%，冻融劈裂强度分别提升了1.66%、2.37%和4.27%.

通过上述分析可以发现：外添材料对乳化沥青冷再生混合料试样的动稳定度影响最为显著，表明外添材料石灰和水泥使得混合料的高温稳定性增强；水泥和石灰同样能够提升混合料的水稳性，但与高稳定性相比要小得多.

已有研究对水泥、石灰在乳化沥青冷再生混合料中的作用机理给出了解释，认为石灰在混合料中与水产生水化反应，该过程使得混合料中水分减少，而水化反应产生的化合物刚好填补了水占据的孔隙，增强了混合料的密实度，进而使混合料的整体强度得到提升.另外，生石灰与水发生水化反应后能够释放大量的热能，从而催化了混合料中水分的蒸发，促进了混合料形成早期强度.

水泥对乳化沥青冷再生混合料的作用机理可从2方面给出解释：一方面是由于水泥在混合料中与水发生水化反应，释放热能，加速了混合料早期强度的形成，这一点与石灰的作用机理较为相似；另一方面是由于当混合料中水分完全消耗殆尽后，剩余的水泥还可以在混合料中起到活性矿粉的作用，其与乳化沥青发生反应后形成1层薄膜，使得沥青与不同粒径集料之间的粘结作用增强，继而提升混合料的整体性能.

2.2 不同外添材料对乳化沥青冷再生混合料室外性能影响分析

一定量的水分存在于混合料中是乳化沥青冷再生混合料的重要特征，在室外，水分会随着时间的延长而蒸发，该过程将导致混合料内部的孔隙率逐渐增大，强度逐渐降低，严重影响其路用性.针对这一问题，本文对不同外添材料乳化沥青冷再生混合料的室外自然养生的失水量进行试验研究，试验结果见表3.

由表3可知：当养生时间达到30 d时，与养生时间为0 d相比较，3种掺量下混合料的失水质量涨幅分别为207.05%、213.80%、207.42%.可见，随着养生时间的延长，混合料的失水量增大，且水泥对混合料失水量的影响相对较强.

表3 不同外添材料乳化沥青冷再生混合料室外 失水试验结果

图2为不同外添材料乳化沥青冷再生混合料的失水量随养护时间的分布曲线.由图2可知：不同外添材料掺量下乳化沥青冷再生混合料试样的失水量随养生时间的分布曲线基本一致，随着养生天数的逐渐延长，试样的失水质量均呈逐渐增大趋势，其中0～5 d失水量最大，5 d以后失水量开始逐渐减缓.

图2 失水量与养生时间关系曲线

采用Origin软件对图中数据进行最小二乘拟合发现，不同外添材料乳化沥青冷再生混合料的失水质量与养生时间之间均满足指数函数关系，拟合相关系数均在0.95以上，表明混合料的室外失水量与养生时间相关性较强.

图3为相邻养生间隔时间相对涨幅统计情况，可以看出：在3种掺量下均在第5 天时失水量相对涨幅最大，之后混合料的失水量相对涨幅基本保持恒定，可见养生初期(0～5 d)是乳化沥青冷再生混合料失水量最为严重阶段.

图3 相邻养生间隔时间相对涨幅

3 结论

1) 石灰和水泥2种外添材料对乳化沥青冷再生混合料的各向性能均有显著的提升作用，其中乳化沥青冷再生混合料试样的劈裂强度、稳定度、动稳定度、残留稳定度、干湿劈裂强度比及冻融劈裂强度比均随2种外添材料的掺量呈逐渐递增趋势.

2) 随着乳化沥青冷再生混合料在室外自然环境下养生时间的延长，未掺加外添材料及掺量为2.0%的水泥、石灰混合料的失水量均呈逐渐递增趋势，采用Origin软件对试验数据拟合发现，混合料的失水量与养生时间之间满足指数函数关系.

3) 未掺加外添材料及掺量为2.0%的水泥、石灰混合料的失水量均在第5天时相对涨幅最大，之后混合料的失水量相对涨幅基本保持恒定，可见养生初期(0～5 d)是乳化沥青冷再生混合料失水量最为严重阶段.