基于黏附性的水泥稳定RAP混合料性能改善研究

任自铭 杜冰洁 殷世林 杨中长

摘 要：为解决再生混合料力学性能较差的问题，通过老化试验和不同老化程度的混合料无侧限抗压强度、劈裂强度试验，分析研究回收沥青路面材料（RAP）老化程度对混合料性能的影响;通过集料比表面积和有效沥青膜厚度初选乳化沥青剂量，并分析乳化沥青剂量与混合料抗压强度、劈裂强度和回弹模量的关系，计算得到最佳乳化沥青剂量。结果表明：RAP料老化是再生混合料力学性能较差的重要原因，存在合理的乳化沥青掺量，可有效提高再生混合料的力学性能。

关键词：RAP;乳化沥青;黏附性;最佳掺量;力学性能

中图分类号：U416.2

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.028

引用格式：任自铭，杜冰洁，殷世林，等.基于黏附性的水泥稳定RAP混合料性能改善研究[J].人民黄河，2022，44（2）：138-142.

Abstract： In order to solve the issue of poor mechanical properties of the recycled mixture， this paper analyzed and studied the influence of RAP material aging degree to the performance of the mixture through aging test and unconfined compressive strength and splitting strength test of the mixture under different aging degrees.Primary emulsified asphalt dosages were selected by specific surface area of aggregate and effective asphalt film thickness. Then， by analyzing the relationship between the dosages of emulsified asphalt and the compressive strength， splitting strength and resilient modulus of the mixture， the best dosage of emulsified asphalt was calculated.The results show that RAP aging is an important reason for poor mechanical properties of the recycled mixture， and reasonable emulsified asphalt content can effectively improve the mechanical properties of the recycled mixture.

Key words： RAP;emulsified asphalt;adhesion;optimum dosage;mechanical properties

在大众环保意识不断加强和资源逐渐减少的当今，资源的再生利用成为大势所趋。如今，我国道路工程中所消耗的大量沥青材料，其回收后经过水泥稳定处理，并应用于道路基层中的现象已十分普遍[1]。但回收沥青路面材料（RAP）为回收再生材料，其表面沥青材料老化较为严重，易使再生混合材料内部形成薄弱面，从而导致强度较低。在实际工程中，通常采用提高水泥剂量或降低RAP料掺量的方法提高再生混合料的强度，但增加水泥剂量的方法易导致再生混合料基层产生收缩裂缝且增加成本，而大幅减少RAP料的掺量将直接降低再生利用率。因此，不能仅通过提高水泥剂量或降低RAP掺量来改善再生混合料的性能[2]。

Amir Modarres等[3]通过在再生混合料中添加煤矸石粉，以期改善其性能，结果表明煤矸石粉的加入对提高再生混合料的强度及水稳定性有一定的作用，但效果不明显。孙建秀等[4]研究了不同改性剂对冷再生混合料强度的影响，提出复合改性剂能够明显提高冷再生混合料的早期强度，但工程造价较高。Bressi等[5]通过对再生材料进行示踪器追踪发现，RAP料表面老化沥青使得RAP与黏结剂的黏结效果明显低于新集料。

在解决冷再生混合料力学性能较差的问题时，掺加纤维、改性剂等材料将提高工程造价，而增大水泥剂量将导致混合料抗裂性能下降。因此，本文针对RAP料老化对再生混合料力学性能的影响，通过改善水泥与RAP料的黏附性，进一步改善冷再生混合料的力学性能。

1 水泥稳定RAP混合料组成设计

1.1 原材料

试验所用RAP料取自临黄大堤堤顶道路济南段右岸下段K4+000—K7+000，由维特根WR2500S路面铣刨机铣刨而来，水泥选用黄河牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，新集料为济南市堤顶道路工程所用的石灰岩。按照现行规范的检测方法对新集料的压碎值、密度、吸水率等性能指标进行试验测试，经检验，其各项指标均满足要求。通过筛分试验对其级配进行检测，结果见图1。

1.2 级配设计

由图1可知试验所用RAP料中细集料较少，根据规范推荐的级配范围，初拟50∶50、40∶60、70∶30、80∶20、90∶10五种RAP料与新集料的掺配比例，并针对各种集料的组成特点设计了5种合成级配。各合成级配设计结果见表1。

1.3 无侧限抗压强度

通过对大量实际工程及研究论文的分析比较，拟定4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%等6个水泥剂量，对水泥稳定RAP混合料抗压强度进行研究，并进行级配筛选。5种级配混合料7 d龄期无侧限抗壓强度变化见图2。

根据图2试验结果分析可知，各级配水泥稳定RAP混合料的7 d无侧限抗压强度在水泥剂量相对较低时增幅较大。与4.5%水泥剂量的混合料相比，6.0%水泥剂量的JP1和JP2混合料强度分别增长了54%和50%，JP3、JP4和JP5混合料增长幅度均小于40%。这说明再生混合料在粗集料较少的情况下，水泥使得混合料内部的骨架结构更加坚固，混合料的强度增长较快。经分析，JP1和JP2混合料的强度明显优于其他3种级配，故本文选用JP1和JP2作为设计级配，水泥剂量范围为4.5%～6.0%。

2 RAP料老化对混合料性能的影响

2.1 老化试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中推荐的T0734方法对RAP料进行进一步老化，即将各级配RAP料放入85 ℃±1 ℃烘箱中加热，通过设置不同的老化梯度对混合料性能影响开展研究。混合料再老化模拟时间见表2。

为确定RAP在加热过程中的老化程度，在RAP再老化前通过阿布森法同期抽提RAP中的老化沥青，并将抽提的老化沥青按照上述再老化时间分组，然后与RAP料一起进行老化试验，待达到预定再老化时间后对老化沥青的3个指标进行检测，根据试验结果对沥青老化程度进行评价。RAP中抽提原样沥青及其再老化后的3个指标检测结果见表3。

由表3可知，随着老化时间的延长，沥青的针入度降低。在烘箱加热老化72 h后，沥青针入度较初始状态降低了8%，加热老化288 h后，针入度较初始状态降低了28%;与针入度相比，再老化过程中沥青软化点的变化幅度较小，老化72 h后软化点较初始状态升高了3%，老化288 h后软化点较初始状态升高了14%;再老过程中加热72 h以后，老化沥青的延度值已降至0，说明老化沥青的塑性已基本丧失。

2.2 老化程度对混合料性能的影响

选取JP1和JP2两种级配类型开展RAP老化程度对再生混合料强度的影响研究。当再生混合料达到再老化期限后，测定不同老化程度再生混合料的7 d龄期无侧限抗压强度和劈裂强度。

2.2.1 老化程度对无侧限抗压强度的影响

根据检测结果绘制混合料无侧限抗压强度发展曲线，见图3。

由图3可知，随着再生混合料中RAP老化程度的加重，两种级配混合料的7 d无侧限抗压强度均呈现出逐渐下降的趋势，且当水泥剂量较低时其抗压强度的减小最为明显。当水泥剂量为4.5%时，JP1和JP2中RAP老化288 h时再生混合料的抗压强度较原状混合料分别降低了18.6%和20.7%;随着水泥剂量的增加，两种级配混合料强度的降幅逐渐减小，水泥剂量为5.5%、6.0%时，JP1和JP2混合料中RAP老化288 h时再生混合料的抗压强度较原状混合料分别平均降低了7.9%和12.1%。

两种级配RAP料再老化时间为72 h时，混合料的无侧限抗压强度变化较小。随着沥青老化程度的加重，沥青逐渐“脆硬化”，其老化程度的加重同时也降低了RAP料表面的粗糙程度，从而降低了水泥浆在RAP料表面的黏附性，使得再生混合料的强度随老化程度的加重而逐渐降低。

2.2.2 老化程度对劈裂强度的影响

根据检测结果分析不同老化程度混合料劈裂强度发展规律，见图4。

由图4可知，随着RAP料再老化程度的增加，两种级配再生混合料的劈裂强度均明显降低。水泥剂量较低时，随老化时间增加，再生混合料劈裂强度的降幅较大。当水泥剂量为4.5%时，老化288 h时JP1和JP2再生混合料的劈裂强度分别降低了26.0%和25.3%。相较于无侧限抗压强度，RAP料的老化程度对再生混合料劈裂强度的影响更为明显。与无侧限抗压强度变化的原因相似，RAP料表面沥青老化程度的加剧使其表面粗糙度降低且质地脆硬，降低了水泥浆与集料的黏附性，故再生混合料的劈裂强度下降明显。

综上所述，除RAP料的集料性能衰减外，其表面裹覆沥青的老化导致混合料黏附性降低也是导致再生混合料强度较差的重要原因。基于此，从改善水泥与RAP料黏附性角度出发，寻求改善水泥稳定RAP料性能的措施。

根据国内外现有研究成果，乳化沥青破乳后会同时与水泥水化产生相互作用，在集料、沥青和水泥3种材料界面发生多种反应，水化产物与乳化沥青相互连接，既可增强RAP料与水泥的黏附性，又能提高集料之间的黏结性，从而提高再生混合料的整体性能[6]。因此，本研究在水泥稳定RAP料中加入乳化沥青，以期改善混合料的整体性能。

3 乳化沥青处治水泥稳定RAP方法研究

乳化沥青剂量对RAP处治效果的影响至关重要，而集料的级配组成及表面积会直接影响乳化沥青的掺加量。本研究根据水泥稳定RAP混合料的级配特点初选用于处治的乳化沥青的剂量。参考沥青混合料设计方法中结构沥青的控制方法，通过计算组成集料表面积和控制黏结膜厚度初选乳化沥青剂量[7]。《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中集料表面积计算公式为

式中：SA为集料表面积之和，m2;Pi为各粒径集料通过百分率，%;FAi为表面积系数，m2/kg，取值见表4。

国内学者提出结构沥青膜厚度在4～8 μm范围内时沥青混合料的性能最优[8]。本研究结合冷再生RAP混合料的性能特点，以2、4、6、8 μm四种沥青膜厚度对应的沥青剂量作为乳化沥青的初选剂量，根据式（2）计算各沥青膜厚度下乳化沥青的初选剂量W。

式中：hi为有机黏结剂膜的厚度，m;ρd为25 ℃时沥青的密度，g/cm3。

根据JP1和JP2各沥青膜厚度下乳化沥青的初选剂量计算结果，取平均值选定0.35%、0.65%、0.95%和1.25%四种乳化沥青剂量对RAP表面进行处治，并对乳化沥青处治后水泥稳定RAP混合料的力學性能进行研究。

4 乳化沥青对水泥稳定RAP性能的影响

为研究乳化沥青对水泥稳定RAP混合料力学性能改善效果，选用沥青含量较高的慢裂型普通乳化沥青，采用0.35%、0.65%、0.95%和1.25%四种乳化沥青剂量，对JP1和JP2两组级配的乳化沥青处治水泥稳定RAP混合料进行无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验和抗压回弹模量试验。

4.1 乳化沥青对无侧限抗压强度的影响

掺加不同剂量乳化沥青的各级配混合料7 d龄期无侧限抗压强度变化情况见图5。

由图5可知，乳化沥青对两种级配混合料的抗压强度均有不同程度的提高。当水泥剂量为5.0%、乳化沥青掺量为0.65%时，JP1和JP2混合料7 d无侧限抗压强度相较于未掺加乳化沥青时分别增长了7.9%和6.3%。但随乳化沥青剂量的继续增加，再生混合料强度的增长幅度逐渐减小。乳化沥青剂量增加至1.25%时，5.0%水泥掺量下JP1和JP2混合料的强度较未掺加时分别降低了4.4%和6.5%。同时，当水泥剂量较高时，乳化沥青对再生混合料强度的提高作用更佳。因此，采用乳化沥青处治水泥稳定RAP混合料可有效提高其抗压强度。

4.2 乳化沥青对劈裂强度的影响

掺加不同剂量乳化沥青的各级配混合料90 d龄期劈裂强度变化情况见图6。

由图6分析可知，乳化沥青对不同水泥剂量混合料的劈裂强度有不同程度的改善，且随水泥剂量的增加，乳化沥青的改善效果逐渐增强。以水泥剂量为4.5%为例，当乳化沥青剂量达到0.65%时，JP1和JP2再生混合料90 d劈裂强度平均提高了3.1%;而当乳化沥青剂量增加至1.25%时，JP1和JP2再生混合料90 d劈裂强度较未掺加时平均降低了12.9%。因此，存在合理的乳化沥青剂量范围，使得混合料劈裂强度得到最佳改善。

4.3 乳化沥青对抗压回弹模量的影响

掺加不同剂量乳化沥青的各级配混合料90 d龄期抗压回弹模量变化情况见图7。

由图7可知，各水泥剂量混合料的抗压回弹模量随着乳化沥青剂量的增加均有不同程度的提高，两种级配混合料的抗压回弹模量随着乳化沥青剂量的增加均呈现先增大后减小的规律。因此，存在合理的乳化沥青剂量范围，使得水泥稳定RAP混合料的抗压回弹模量得到有效改善。

5 主要结论

（1）通过老化试验和不同老化程度对水泥稳定RAP混合料力学性能的影响分析发现，RAP料的老化使得水泥与混合料黏附性能减弱，导致水泥稳定RAP料力学性能较差。

（2）采用集料表面积和有效沥青膜厚度计算初选乳化沥青剂量以增强水泥与RAP料的黏附性，通过分析乳化沥青剂量与混合料抗压强度、劈裂强度和回弹模量的影响关系，可以综合分析计算合理的乳化沥青剂量。

（3）不同乳化沥青剂量对RAP混合料力学性能的影响不同，当乳化沥青剂量较低时对混合料沥青性能影响较小。乳化沥青对不同水泥剂量混合料的力学性能有不同程度的改善作用，对水泥剂量较低的RAP混合料改善作用较小，随着水泥剂量的增加，乳化沥青的改善作用逐渐增强，且存在最佳乳化沥青剂量，在该剂量下混合料力学性能提高作用最为显著。

参考文献：

[1] 贾敬立，张渊龙，杨玉庆，等.水泥就地冷再生基层的级配优化设计[J].人民黄河，2019，41（12）：97-102.

[2] 付涛.旧沥青路面冷再生混合料性能研究[J].中外公路，2018，38（6）：263-269.

[3] AMIR Modarres，POOYAN Ayar.Coal Waste Application in Recycled Asphalt Mixtures with Bitumen Emulsion[J].Journal of Cleaner Production，2014（83）：263-272.

[4] 孙建秀，刘黎萍，孙立军.早强剂对乳化沥青冷再生混合料早期强度的影响[J].武漢理工大学学报（交通科学与工程版），2017，41（6）：1037-1040.

[5] BRESSI S，DUMONT A G，PITTET M.Cluster Phenomenon and Partial Differential Aging in RAP Mixtures[J].Construction and Building Materials，2015，99（30）：288-297.

[6] 钟荣华.水泥—乳化沥青冷再生路面设计方法和性能研究[D].西安：长安大学，2011：58-72

[7] 王振军，安等等，刘亮，等.水泥乳化沥青胶浆与RAP粘附性的量化评价[J].长安大学学报（自然科学版），2016，36（5）：16-21，59.

[8] 郑俊秋.乳化沥青冷再生混合料性能提升研究[D].南京：东南大学，2017：72-87.

【责任编辑 许立新】