冷再生沥青混合料中旧沥青的活性研究

宾雪阳 寇元德 宋 肖

(武汉市政工程设计研究院 武汉 430023)

冷再生混合料中再生沥青混合料(RAP)中的旧沥青是否可以被激活,什么条件下可以被激活继续发挥胶结作用,对沥青路面再生而言是至关重要的研究点。近年来学者们利用凝胶渗透色谱、红外光谱等多种微观检测技术对旧沥青与新沥青的融合交互进行研究,发现新旧沥青的融合程度越高,RAP路用性能越优异[1],使用灰度均值作为评价指标能够定量评价样品中新旧沥青的融合情况[2],老沥青层在较硬集料和较软新沥青层之间起缓冲作用[3],RAP表层旧沥青与新沥青确实发生融合,温度是影响融合程度的关键因素[4]。Abuqtaish等[5]利用AFM技术研究了新旧沥青共混融合状态,验证了共混区域的性质介于新沥青与RAP沥青之间,黏结性能主要源于新沥青;Falchetto等[6]研究了再生混合料的微观结构特征,发现水泥水化的刚性产物刺入老化沥青胶浆中起到连接作用,且可使沥青胶浆黏结性增大[7];王振军等[8]量化评价水泥乳化沥青胶浆与再生沥青的黏附性,以表征水泥乳化沥青胶浆层抗侵蚀性和裹覆均匀性。但目前对于旧沥青所发挥作用的研究仍不完善,如未考虑旧沥青常温和受热状态下的活性激发效应,几乎忽视旧沥青在混合料中的胶结作用。本文从理论分析和试验研究两方面对RAP旧沥青在混合料中的作用进行探究,为乳化沥青冷再生混合料的设计及评价再生沥青中的新旧沥青交互融合作用提供试验基础。

1 实验材料

1.1 铣刨料(RAP)

RAP是采用铣刨、开挖等方式从沥青路面上获取的旧沥青路面材料,由集料和其外包裹的旧沥青胶结料组成,集料和旧沥青胶结料黏聚在一起,外形类似黑色的石料,俗称“黑石”,见图1。本文优选了多条路段服役12年以上的高速公路大修项目的铣刨料,抽提筛分后,进行混合料的材料组成设计。

图1 RAP“黑石”

1.2 新集料

在冷铣刨过程中,由于铣刨刀头会将一部分粗集料分解成细集料,与原路面结构层材料的级配相比,铣刨后旧料的级配偏细,因此通常需要添加一定比例的粗集料,来调整再生混合料的合成级配,根据冷再生混合料最大公称粒径大小与原铣刨级配特征,添加新碎石。由于新碎石添加比例较低,添加新碎石对旧沥青的活性研究的影响几乎可忽略。

1.3 水泥和矿粉

根据规范要求冷再生混合料中水泥用量(质量分数)一般不超过2%,研究选定1.5%的水泥用量,选用普通硅酸盐水泥P·O 42.5,根据冷再生工程经验掺加2%的矿粉。

JTG/T 5521-2019 《公路沥青路面再生技术规范》规定的冷再生级配范围较宽,水泥等活性填料如水泥为外掺,不计入矿料级配。根据关键筛孔控制,确定了再生混合料各档材料的组成比例,见表1。

表1 铣刨料的冷再生配合比

2 再生沥青在混合料体系中作用的假设分析

关于旧沥青在RAP中的作用,美国NCHRP中存在3种假设[9]:

1) RAP材料像碎石一样在新拌和的沥青混合料中起到集料的作用,并不会与新沥青之间交互融合,乳化沥青作为胶结料裹覆住再生沥青混合料,将RAP完全当普通集料考虑,即“黑石假设”。

2) 新旧沥青100%完全融合,旧沥青已经完全软化,其黏度需靠新加入乳化沥青来恢复。

3) 实际混合假设,即新旧沥青部分融合在一起共同起着胶结作用。部分旧沥青已发生软化,应由冷再生混合料的力学试验确定乳化沥青的用量,以量化旧沥青的软化程度。

由于新旧沥青交互融合机制的复杂性,目前没有定论温度如何影响激活程度,因此对再生沥青在混合料体系中在温度影响下作用的几种假设的合理性是值得探究的。

3 温度对旧沥青的活性激发

温度是影响旧沥青活性激活的关键因素,温度的激发作用体现在铺筑时其上的热拌混合料层对下方冷再生层的热传导作用,该作用在气温较高的季节更加显著。在覆盖热拌沥青层至冷再生表面时会出现热传导效应,冷再生层中旧沥青被激活软化,发挥胶结料作用,RAP中有效(自由)沥青含量提升,基于摩尔-库仑抗剪强度理论,再生层矿料之间润滑效果显著,再加上热拌层压实的双重作用会容易产生车辙。

高温会对旧沥青起到激活作用,因此第一种假设在这种条件下显然不合理。室内实验结果表明,冷再生层4 cm深度可达60 ℃以上。当冷再生混合料内部温度超过沥青软化点,在热拌沥青混合料的压实作用下,会导致冷再生混合料再次压实,混合料进一步压密,空隙率下降。因此,冷再生混合料属于冷拌温铺型混合料,RAP中沥青是可以被激活的。

4 再生沥青混合料中的旧沥青活性研究

4.1 贡献率分析

为量化研究沥青铣刨料中的旧沥青在胶结体系的贡献率,在第一次双面击实100次(25 ℃)后,试件养护2 d(60 ℃),再双面击实50次(25 ℃),成型不同乳化沥青类型(普通乳化沥青A、B和改性乳化沥青C)的马歇尔标准试件,每种测试条件下平行试件为6个,试验中乳化沥青冷再生混合料的拌和、放置和压实过程均为恒温,研究二次压实后普通与改性乳化沥青、乳化沥青用量与混合料空隙率、劈裂强度的关系,利用回归分析确定不添加乳化沥青时的空隙率与劈裂强度数值,从而量化旧沥青的贡献率,结果见表2。

表2 阳离子乳化沥青A、B技术要求与试验结果

图2为不同油石比率与再生混合料空隙率、劈裂强度的回归关系图。

图2 乳化沥青用量与空隙率、劈裂强度的关系

由图2a)可知,随着乳化沥青用量的增加,二次击实后试件的空隙率均逐渐降低,呈线性递减的趋势,在同样击实功作用下,改性乳化沥青试件空隙率普遍低于普通乳化沥青,说明改性乳化沥青可显著降低再生混合料的空隙率,使得再生混合料更致密。

由图2b)可知,随着乳化沥青用量的增加,劈裂强度呈现先增大后降低的趋势,3种乳化沥青均存在最佳油石比,由多项式拟合回归分析可知,A、B、C最佳油石比分别为3.1%、3.5%和3.5%,对应的劈裂强度分别为0.71,0.74,0.86 MPa,在相同乳化沥青用量条件下,改性乳化沥青劈裂强度高于普通乳化沥青。

为进一步量化旧沥青在再生混合料胶结体系中的贡献率,研究将数据点重新进行数值线性回归分析,由于乳化沥青0点至最佳乳化沥青用量范围属于单调区间,故筛除大于最佳乳化沥青含量的数据点,通过对回归线反向延长,根据纵截距确定无乳化沥青时的空隙率和劈裂强度,图3为3种乳化沥青用量与再生混合料空隙率和劈裂强度的回归曲线及方程。

图3 乳化沥青类型、用量与空隙率、劈裂强度的回归关系曲线

由图3可知,当乳化沥青含量为0时,普通乳化沥青A、B和改性乳化沥青C的空隙率分别为13.71%,13.46%,13.09%,劈裂强度分别为0.25,0.27,0.35 MPa,当不添加新的乳化沥青时,起胶结作用的主要是旧沥青,旧沥青发挥的劈裂强度不小于0.25 MPa。

如果在最佳乳化沥青用量下以劈裂强度作为基准,无乳化沥青的劈裂强度值认定为主要由旧沥青被激活后的胶结作用所提供,以此来量化旧沥青贡献率,RAP旧沥青贡献率=(乳化沥青含量为0的劈裂强度÷劈裂强度最大值)×100%,那么三者旧沥青的贡献率分别为:普通乳化沥青A=35.2%;普通乳化沥青B=36.5%;改性乳化沥青C=40.7%。

可见从理论角度分析,RAP中的旧沥青确实可以被激活,而并非假设一中仅充当黑色石料,且在胶结体系中发挥重要作用。当然RAP沥青贡献率和RAP中沥青的老化程度、乳化沥青用量、养生条件,以及新旧沥青的交互作用等均有直接关系,有关RAP沥青作用贡献率的影响因素与相关量化分析,有待进一步深入探讨。

4.2 不同组分条件下活性激发试验

通过成型不含乳化沥青混合料试件,研究在不同的成型温度下旧沥青激活的程度。具体方案设计与试验结果分析见图4。

图4 具体试验方案设计与结果

不添加乳化沥青等其他组分条件下,直接用RAP进行一次击实,结果表明,在25 ℃时无法成型试件,在60 ℃以上时可以直接成型。分析其原因,在25 ℃时,RAP中沥青组分没有被激活,混合料体系中缺乏有效胶结料组分而无法成型试件,因此在在该工况条件下,认为黑石假设是可以接受的。而60 ℃可成型也说明了RAP中的旧沥青发挥胶结作用与温度紧密相关。

在RAP中加适量的水以增加润滑性,结果表明,一次击实和二次击实均可以成型,说明在水的作用下,RAP旧沥青的存在可保证试件击实成型。其测试结果,空隙率为14.0%,劈裂强度为0.28 MPa,与前述回归分析的数据很接近。因此,在水的润滑作用下,RAP中的旧沥青可起到胶结作用,在该工况条件下黑石假设不可接受。

在最佳含水量条件下,再添加2%的矿粉和1.5%的水泥,试件可成型,且试验所得数据仍然与回归分析结果很接近,空隙率与劈裂强度与仅加水的情况相比,略微降低但基本一致,因此可以推测,在不添加乳化沥青的条件下,水泥与矿粉对再生混合料的强度贡献有限。在该工况条件下,RAP中的旧沥青主要起到胶结作用,黑石假设不可接受。

4.3 不同温度下活性激发试验

不同季节的温度变化使得冷再生施工温度的波动范围较大,相比于热拌沥青混合料,冷再生混合料的压实更容易受到施工温度的影响,大多数情况下进行冷再生混合料设计时往往忽略了温度影响,然而压实温度对冷再生混合料形成的劈裂强度具有非常显著的影响,较高压实温度下的冷再生混合料试件具有较大的劈裂强度[10]。

采用RAP(不添加乳化沥青),在最佳含水量条件下,添加1.5%的水泥、2%的矿粉,分别在10,20,30,40,50,60 ℃温度下,双面各击实100次,测试其空隙率、劈裂强度,通过这一过程模拟再生层在不同施工季节的不同大气温度下,冷再生不同料温施工的实际工况;为进一步检验覆盖热拌沥青面层时,冷再生的二次热压实过程,一次击实成型后,在60 ℃条件下养生48 h,再进行第二次击实,双面各击实50次,再分别检测空隙率、劈裂强度。试验结果见图5。

图5 空隙率、劈裂强度-一次击实温度关系

由图5可知,在最佳含水量情况下仅添加水泥和矿粉,击实温度在10～60 ℃的区间之内变化,一、二次击实试件均能成型,说明旧沥青可以起到胶结料的作用。一次、二次击实的劈裂强度均随击实温度的升高而增加,二次击实进一步提升劈裂强度,但随着一次击实温度升高,二次击实劈裂强度增长率呈降低趋势。60 ℃时劈裂强度达到最高,二次击实后劈裂强度提升到0.45 MPa,在添加合适剂量的普通乳化沥青时,击实后混合料强度约为0.74 MPa,旧沥青的贡献率约为(0.45÷0.74)×100%=60.8%。

温度和水都会影响到旧沥青的活性激发。若不加水,60 ℃以上旧沥青即可激活从而发挥胶结料作用,若添加水,无论是否添加水泥和矿粉,再生沥青混合料在10～60 ℃均可成型,并且主要由混合料中的旧沥青发挥胶结作用,这也说明添加水促进了混合料的压实且激发旧沥青胶结作用,温度越高发挥作用越大,因此冷再生施工应尽可能选择在夏季。一般情况下添加乳化沥青会促进旧沥青的活性激发,新旧沥青的交互作用会增加旧沥青对胶结体系的贡献率。

5 结论

本文对沥青铣刨料(RAP)在混合料体系中的作用,以及温度和水对其中旧沥青的活性激发作用进行分析,然后分别从理论推导和室内试验两方面,探究了旧沥青在混合料中的胶结作用,并量化了贡献率。主要研究结论如下。

1) 旧沥青可以在再生沥青混合料中发挥胶结作用并且对混合料的贡献率不低。在最佳含水量及25 ℃条件下,无论是否添加水泥和矿粉,再生沥青混合料均可成型且劈裂强度接近,实测劈裂强度约为0.27 MPa,旧沥青贡献率在35%以上,与理论回归分析得到的结果基本一致。在这种条件下,仅将再生沥青混合料当成普通集料的假设不成立。

2) 温度和水是激发旧沥青活性的重要影响因素。在不添加水及任何外加剂的情况下,达到60 ℃以上,再生沥青混合料可以成型试件,60 ℃以下则无法成型,此时仅将再生沥青混合料当成普通集料的假设可成立。

3) 在最佳含水量下,无论是否添加水泥和矿粉,在10～60 ℃再生沥青混合料均可成型,并且主要由混合料中的旧沥青发挥胶结作用,且料温越高作用越大,因此冷再生施工应尽可能选择在夏季进行。